Гидротехнические сооружения (в двух частях). Часть II. Водосливные плотины - Чугаев Р.Р.

Автор: Чугаев Р.Р.

Теги: защита берегов, регулирование и другие работы по улучшению рек отдельные виды строительства гидротехнические сооружения плотины

Год: 1985

Похожие

Гидротехнические сооружения

Гидрология и гидротехнические сооружения

Гидротехнические сооружения (в двух частях). Часть I

Грунты и основания гидротехнических сооружений

Текст

УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ ДЛЯ ВЫСШИХ
СПЕЦИАЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
РРЧугаев
Гидротехнические
сооружения
В ДВУХ ЧАСТЯХ
Издание второе, переработанное и дополненное
ЧАСТЬ II
Водосливные плотины
Допущено Министерством высшего и средне-
го специального образования СССР в качест-
ве учебного пособия для студентов гидротех-
нических специальностей вЪтсших учебных
заведений
МОСКВА • АГРОПРОМИЗДАТ•1985
^>4
ББК 38.77
4-83
УДК 627.431
Рецензент — кафедра «Гидротехнические сооруже-
ния» Украинского института инженеров водного хозяйст-
ва (зав. кафедрой канд. техн, наук, доц. И. И. K,upii'
енко)
Чугаев Р. Р.
4-83 Гидротехнические сооружения. Учеб, пособие для
студ. гидротехн. спец, вузов. В 2-х ч. — 2-е изд., перераб.
и доп. Ч. II. Водосливные плотины. — М.: Агропромиз-
дат, 1985. — 302 с., ил.
Во 2-м издании учебного пособия (1-е вышло в 1975 г.) рассматриваются
глухие плотины — бетонные и из грунтовых материалов водопропускные соо-
ружения, создаваемые при этих плотинах, и общие принципы решения глав-
нейших инженерных задач, встречающихся при проектировании плотин.
В конце глав приводятся примеры построенных гидротехнических соору-
жений.
3802030000—416
4 035(01)—85
170—85
ББК 38.77
6С7
ТП изд-ва «Высшая школа»
© Издательство «Высшая школа», 1975
© ВО «Агропромиздат», 1985, с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие составлено на основе многолетнего опыта ав-
тора по проектированию гидротехнических сооружений и препода-
ванию курса «Гидротехнические сооружения» на гидротехничес-
ком факультете Ленинградского ордена Ленина политехнического
института им. М. И. Калинина.
Книга написана в соответствии с программой курса «Гидротех-
нические сооружения» для специальности 1511 «Гидромелиора-
ция» и может быть использована студентами других специальностей.
Учебное - пособие ориентировано на подготовь инженеров-
гидротехников широкого профиля. В книге учтено наличие в учеб-
ных планах гидротехнических факультетов дисциплин, посвящен-
ных специальным гидротехническим сооружениям, таким, как гид-
роэлектростанции, сооружения водного транспорта, системы
водоснабжения и водоотведения и т. п.
Продовольственная программа СССР на период до 1990 г.,
одобренная майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, и Долговре-
менная программа мелиорации, повышения эффективности исполь-
зования мелиорированных земель в целях устойчивого наращива-
ния продовольственного фонда страны, одобренная октябрьским
(1984 г.) Пленумом ЦК КПСС, предусматривают значительное
развитие водохозяйственного строительства, в том числе и возве-
дение гидротехнических сооружений. Настоящая книга знакомит
студентов со спецификой гидротехнических сооружений, учит их
проектированию этих сооружений, поэтому, кроме лекционного, в
ней дан материал, необходимый для выполнения курсовых проек-
тов. В первой части учебного пособия приводятся общие сведения
о водном хозяйстве страны, дается классификация гидротехничес-
ких сооружений, в частности плотин, как наиболее ответственных
и типичных сооружений общего назначения. Излагаются вопросы
функционирования глухих плотин и сопутствующих им водопро-
пускных сооружений — постоянных и временных водосбросов и во-
довыпусков (выполняется первый курсовой проект). Во второй
части книги рассматриваются их работа, механическое оборудова-
ние и пропуск расходов реки в период строительства, а также кон-
струкции водоприемников и отстойников для дериваций (выпол-
няется второй курсовой проект).
При подготовке рукописи к изданию большую помощь
оказали сотрудники Ленинградского политехнического* института,
им. М. И. Калинина: А. Л. Можевитинов, В. Н. Бухарцев, В. Т. Ор-
лов, В. А. Цепиков, В. В. Немчинов под руководством зав. кафед-
рой «Гидротехнические сооружения» С. А. Кузьмина.
Раздел IV. ГРАВИТАЦИОННЫЕ БЕТОННЫЕ
ВОДОСЛИВНЫЕ ПЛОТИНЫ НА СКАЛЬНОМ
И НЕСКАЛЬНОМ ОСНОВАНИЯХ
Глава 13. ВОДОСЛИВНОЙ ФРОНТ ПЛОТИНЫ
§ 13.1. Классификация отверстий
водосливных плотин
Гидроузел, в состав которого входит водосливная плотина, име-
ет в общем случае различные отверстия, служащие для пропуска
воды. Существует несколько классификаций таких отверстий.
1. В зависимости от заглубления отверстия под уровнем воды
верхнего бьефа различают: 1) отверстия водосливные, называемые
также поверхностными, безнапорными или открытыми; 2) отвер-
стия водоспускные, называемые также глубинными, погруженны-
ми, напорными или закрытыми.
: Далее будем пользоваться терминами «водосливное отверстие»
и «водоспускное отверстие».
2. В зависимости от назначения различают отверстия: 1) вре-
менные строительные отверстия — для пропуска строительных рас-
ходов в период возведения плотины; 2) временные санитарные от-
верстия— для пропуска в период строительства так называемых
санитарных расходов; 3) постоянные эксплуатационные отверстия.
Постоянные эксплуатационные отверстия делят на следующие
виды: '
а) отверстия хозяйственные — для подачи воды в хозяйствен-
ные водоспуски; как эксплуатационные хозяйственные отверстия
здесь следует рассматривать также судоходные шлюзы и отверстия
Водоприемников гидростанций;
б) отверстия служебные, обеспечивающие нормальное состоя-
ние самого гидроузла—для промыва наносов, отложившихся пе-
ред плотиной (промывные отверстия), для пропуска плавающих
тел (льда, шуги и т. п.), для сброса излишков воды, возникших в
связи, например, с неожиданным выключением из работы турбин
ГЭС; для снижения уровня верхнего бьефа ниже НПУ в связи с
Необходимостью ремонта сооружений гидроузла и т. п.;
в) отверстия водосбросные, служащие для сброса излишков
воды из верхнего бьефа, которые получаются в связи с тем, что, как
правило, мы не имеем полного зарегулирования стока реки.
3. По конструктивному признаку различают отверстия: 1) без
затворов; 2) перекрываемые затворами. При проектировании от-
4
рсрстий плотины, как правило, стремятся совмещать временные от-
верстия с постоянными, эксплуатационные водосбросные с экс-
плуатационными служебными отверстиями. В связи с этим одно
и то же отверстие часто может выполнять различные функции. Учи-
тывая функции и намеченный режим работы данного отверстия,
устанавливают расчетный расход воды, пропускаемой через проек-
тируемое отверстие. Исходя же из этого расхода, и пользуясь обыч-
ными формулами гидравлики, определяют размеры рассматривае-
мого отверстия. При выборе высотного положения отверстия (см.
и. 1) учитывают особенности водосливных и водоспускных отвер-
стий. В частности, имеют в виду, что в случае водосливных отвер-
стий затворы и подъемно-опускные механизмы получаются более
простыми, причем они более доступны осмотру и ремонту; в слу-
чае же водоспускных отверстий получают возможность сбрасывать
воду в нижний бьеф при более низких уровнях воды. верхнего
бьефа.
Эксплуатационные водосбросные отверстия водосливного.типа
(см. п. 3) в настоящее время, как правило, устраивают с затвора-
ми. Опыт строительства гидроузлов и соответствующие расчеты
показали, что такая конструкция отверстий приводит к более эко-
номичным решениям (уменьшается длина водосливного фронта
плотины и снижается затопление земель в верхнем бьефе). Проек-
тируя отверстия с затворами, размеры каждого отверстия назна-
чают согласно СНиП 11-50-74, которые регламентируют эти раз-
меры.
§ 13.2. Предварительное назначение ширины
водосливного фронта плотины
Водосливная часть плотины.ограничивается устоями, которые
отделяют водосбросные отверстия от берега или от других соору-
жений, входящих в гидроузел (от гидростанции, глухой части пло-
тины и т. и.). Сама водосливная часть плотины разбивается быка-
ми на отдельные отверстия, перекрываемые, как правило, затво-
рами.
Рассмотрим водосливной фронт, образованный только водо-
сбросными отверстиями. Будем считать, что отметки гребня водо-
сливных участков плотины (V Гр. пл) для всех отверстий плотины
одинаковы (рис. 13.1). Предполагаем, что для решения поставлен-
ной задачи нам заданы; а) створ плотины; б) максимальный рас-
ход воды в реке (в водотоке) Qmax, определенный для данного ство-
ра, исходя из вероятности превышения максимальных расходов во-
ды; в) нормальный подпорный у^0?ень (НПУ), установленный с
помощью соответствующих водохозяйственных расчетов; г) форси-
рованный подпорный уровень (ФПУ), намеченный с учетом эконо-
мических соображений; напомним, что ФПУ — это уровень, при
котором через водопропускные отверстия проходит расчетный рас-
ход QpacH (при полностью открытых затворах, если таковые име-
ются).
Б
/ — глухая часть плотины; 2— устой; 3 — затвор; 4 — бык; 5 — во*
досливная часть плотины.
Рис. 13.2. Случай Х7ФПУ<Х7НПУ:
1 — кривая свободной поверхности в районе затопления зе-
мель; 2 — плотина.
Так как отметку ФПУ устанавливают, исходя из экономических соображе-
ний, то в общем случае при расчете водосливного фронта приходится намечать
ряд различных отметок ФПУ и для каждой такой отметки выполнять приведен-
ные ниже расчеты. При этом, получив водосливные фронты, для разных ФПУ
сопоставляют в экономическом отношении соответствующие им схемы гидроуз-
лов. Как правило, V®ny>VHny. Однако иногда V®ny<VHny, что объ-
ясняется следующим. При больших расходах воды в реке (имеющих место при
ФПУ) кривая свободной поверхности потока получает значительные уклоны I,
причем при значительных V ФПУ в верхнем бьефе могут возникнуть большие
Затопления земель. Чтобы уменьшить затопление, приходится иногда в период
пропуска больших расходов снижать отметку уровня воды у плотины ниже
НПУ (рис. 13.2). .
Под шириной В водосливного фронта понимают суммарную ширину всех
водосбросных отверстий (в свету) водосливного типа, устроенных в плотине,
В = (13.1)
где b — ширина одного отверстия, Ь считают одинаковой для всех отверстий.
Пренебрегая трансформацией паводка в верхнем бьефе,
QpacH ~ Qmax— Qxoa Qcn> (13.2)
где Qxo3 и фсл — расходы воды, пропускаемой через- хозяйственные и служеб-
ные отверстия, не используемые как водосбросные.
При наличии аккумуляции воды в верхнем бьефе
Qpac4 = Qmax QXO3 ^сл> О^.З)
«
где Q тах—максимальный расход соответствующей вероятности, найденный для
заданной отметки ФПУ с учетом трансформации паводка в водохранилище.
Qmax определяют, руководствуясь § 10.5, следующим образом. Имея значение
6
<?max, намечают применительно к этому
расходу график поступления воды в
верхний бьеф (см. кривую abc на рис.
13.3).
К| моменту намеченного паводка
водохранилище (верхний бьеф) счита-
ют наполненным до V НПУ. Далее, имея
заданными V НПУ и V ФПУ, определя-
ют объем резервной призмы IT, заклю-
ченный между НПУ и ФПУ. После это--
го на графике паводка проводят грри-
зонтальную линию MN, отсекая ею
верхнюю часть гидрографа площадью
A=W. В результате получают искомый
расход Qmax в первом приближении.
Уточнить этот расход можно только
после установления отметки гребня во-
досливной плотины.
Рис. 13.3. График паводка
Зная <2расч, ширина водосливного фронта
В = Qpac4/?, (13.4)
где q — удельный расход, т. е. расход, приходящийся на 1 м дли-
ны водосливного фронта при полностью открытых затворах, когда
в верхнем бьефе имеется форсированный подпорный уровень.
В первом приближении задаются значением q на основании дан-
ных практики: а) при скальном и полускальном основании плоти-
ны— от 50...70 до 90... 120 м2/с (при устройстве плотин на боль-
ших реках); б) при нескальном основании плотины — до 10...30,
а иногда и до 60...70 м2/с.
Ширина В, найденная по формуле (13.4), должна вписываться
в имеющуюся ширину русла. Если ширина В, установленная по
формуле, не вписывается в заданный створ русла, то приходится:
а) или увеличивать <?; б) или устраивать водосливную плотину с
гребнем, имеющим криволинейное очертание в плане; в) или пере-
носить створ плотины в другое место.
Назначая q, необходимо учитывать следующее.
1. Случай нескального основания. Глухая часть водосливной
плотины, расположенной на нескальном основании, обычно быва-
ет земляной. Увеличивая удельный расход q, входящий в формулу
(13.4), уменьшают длину водосливной бетонной части плотины и
увеличивают длину глухой земляной плотины (см. рис. 13.1). Стои-
мость 1 м длины земляной плотины, как правило, будет меньше
стоимости 1 м длины водосливной бетонной плотины с металличе-
скими затворами. С увеличением расчетного значения q суммарная
стоимость тела глухой и водосливной частей плотины будет сни-
жаться. Вместе с тем с увеличением q стоимость устройств ниж-
него бьефа, создаваемых для гашения энергии, будет возрастать.
Если через С обозначить суммарную стоимость (единовремен-
ные затраты по сооружению) как тела плотины, так и устройств
нижнего бьефа (рис. 13.4), то окажется, что такая кривая будет
иметь' минимум. Значение q3K, отвечающее этому минимуму, будет
7

C min
Нм
Рис. 13.4. К выбору дж.
являться экономически наивыгоднейшим
значением q, которое и желательно при-
нять при расчете по формуле (13.4). Рас-
чет экономически наивыгоднейшего зна-
чения q приведен в прилож. Б (см. § Б.1).
Как показывают соответствующие
подсчеты, минимум кривой C=f(q) час-
то бывает выражен весьма слабо: значе-
ние С в районе искомого минимума из-
меняется весьма мало с изменением q.
Поэтому во многих случаях расчетное
значение q назначают без учета пояснен-
ных выше экономических соображений; учитывают только данные
практики, а также условия эксплуатации и компоновки гидроузла.
2. Случай скального основания. При назначении расчетного зна-
чения _q учитывают только данные практики и условия эксплуата-
ции и компоновки гидроузла. Дело в том, что при наличии скаль-
ного основания объем бетона, укладываемого в плотину, часто не
зависит от ширины водосливного фронта; при больших удельных
расходах q сооружают плотины с трамплином; это позволяет с
увеличением q не увеличивать заглубление подошвы плотины в ос-
новании.
§ 13.3. Предварительное определение отметки гребня
водосливной плотины
При полном открытии водосбросного отверстия водосливного
типа оно будет работать как водослив с широким порогом или как
водослив со стенкой практического профиля, причем такой водо-
слив может быть неподтопленным или подтопленным. Существую-
щие расчетные зависимости для водосливов известны из курса гид-
равлики. Пользуясь этими зависимостями, можно определить от-
метку гребня водослива, если нам известна отметка ФПУ, ширина
водосливного фронта В, расчетный расход фрасч.
Предположим, что мы имеем водослив практического профиля.
Для такого водослива
Q = апешВ V2gH%\
(13.5)
где оп — коэффициент подтопления водослива; е — коэффициент
бокового сжатия, зависящий, в частности, от числа быков; т — ко-
эффициент расхода, зависящий от формы поперечного сечения во-
досливной стенки; Но — полный напор на водосливе, равный Но=
— v0 — скорость подхода.
В первом приближении, не зная еще поперечного сечения водо-
сливной стенки, для водослива можно принять т=0,45, а Нй^Н.
Подставляя в формулу (13.5) значения В и Q==QPac4, можно
определить геометрический напор на водосливе Н. Зная Н, далее
определяют отметку гребня плотины (рис. 13.5);
8
^Гр.пл = у/ФПУ — Н. (13.6)
По формуле (13.5) можно предва-
рительно с некоторым приближением
решить вопрос о числовых значениях
коэффициентов оп и 8, входящих в эту
формулу.
. Для разбивки водосливного фронта
на отдельные отверстия, которые обыч-
но перекрывают затворами, причем
размеры таких отверстий регламен-
тируются СНиП П-50—74. Проектируя
рассматриваемый водосливной фронт
(образованный только водосбросными
отверстиями), обычно намечают отвер-
стия одинакового размера, чтобы по-
Рис. 13.5. К 'определению от-
метки гребня плотины
(VTp. пл.):
/ — затвор; 2 — плотина.
лучить затворы одинакового типа
и размера. В этом случае составляют ряд вариантов разбивки по-
лученного (в первом приближении) водосливного фронта на от-
дельные отверстия и затем эти варианты сопоставляют между со-
бой в экономическом, техническом и эксплуатационном отношени-
ях. В результате выбирают наиболее рентабельный вариант.
При решении данного вопроса обычно приходится несколько
изменять принятую ранее отметку гребня плотины, а следователь-
но, значение Н, а также q и В.
§ 13.4. Выбор окончательной ширины водосливного фронта
и отметки гребня плотины
В результате*разбивки водосливного фронта плотины на отдель-
ные отверстия первоначально намеченные значения В и Н несколь-
ко изменятся. Новые, значения В и Н должны быть проверены гид-
равлическим расчетом (на пропуск QpaC4 при заданной отметке
ФПУ) с учетом более точного значения коэффициента бокового
сжатия (коэффициент можно будет уточнить, зная число быков).
Окончательная проверка пропускной способности отверстий дол-
жна быть выполнена только после того, как мы наметим не толь-
ко число быков, но и очертание их, а также- поперечный профиль
водосливной плотины, от которых зависит коэффициент расхода
т.
Выше мы исходили из предположения, что все водосливные от-
верстия и затворы, перекрывающие их, являются одинаковыми.
Однако такой подход к проектированию водосливного фронта не
всегда может быть оправдан.
Дело в том, что расход QpaC4, на который рассчитывают водо-
сливной фронт, повторяется весьма редко (1 раз в 10 000 лет). По-
этому при наличии скального основания, когда мы не боимся раз-
мывов русла нижнего бьефа, большую часть затворов можно де-
лать простейшего типа и держать их, как правило, закрытыми.
Обычные весенние расходы (значительно меньшие QpaC4) в этом
9
случае можно ежегодно пропускать, например, через особые 1...5
отверстий, оборудованных специальными постоянно работающими
затворами.
Пропуск льдов и других плавающих тел ^поверх затворов тре-
бует особых затворов (сдвоенных, с клапаном, опускных), причем
такими затворами цногда достаточно оборудовать 1...3 пролета
плотины.
В некоторых случаях рационально наметить, например, два спе-
циальных отверстия плотины для пропуска расходов воды, если
гидростанция почему-то окажется выключенной из работы. Сопря-
жение бьефов за этими отверстиями будет относительно тяжелым,
так как в нижнем бьефе при открытии только этих двух отверстий
будет относительно низкий уровень воды. Чтобы не утяжелять
крепления нижнего бьефа за такими отверстиями, часто оказыва-
ется рациональным оборудовать их особыми, например, опускны-
ми затворами, которые можно было бы открывать не на полную
высоту. Таким образом, в определенных условиях рационально
применять затворы различного типа и размера. Отверстия плотины,
перекрываемые затворами, не всегда должны намечаться одина-
ковыми.
Ширину отдельных отверстий следует проектировать с уче-
том удобства разрезки плотины деформационными швами, причем
местоположение этих швов должно быть соответствующим обра-
зом увязано с расположением быков плотины. При наличии из-
вестного опыта проектирование водосливных отверстий плотины
осуществляется не в описанной выше последовательности, а путем
ряда попыток: сначала задаются рядом вариантов водосливного
фронта и затем проверяют, пользуясь формулами гйдравлики, про-
пускную способность водосбросных отверстий.
§ 13.5. Пропуск льда через плотину
При толщине льда, покрывающего зимой реку, более 0,5 м про-
ектирование ведут с учетом особых условий ее работы в период
ледохода и устройства в пределах водосбросного фронта плотины
так называемого ледосбросного фронта. При решении этих вопро-
сов будем исходить из понятия о ледопропускной способности жи-
вого сечения потока.
1. Ледопропускная способность живого сечения Л° — макси-
мально возможный объем льда, который может пройти в единицу
времени через рассматриваемое живое сечение:
до = Bbv' = Вбрщ (13.7)
где В — ширина живого сечения поверху; 6 — толщина льда, ко-
торый может двигаться через данное живое сечение в один, два или
несколько слоев; v' — средняя поверхностная скорость, v' = fiv;
v — средняя скорость для рассматриваемого живого сечения; |3 =
= 1,20...1,25 — коэффициент перехода от средней скорости v к сред-
ней поверхностной скорости v'.
10
Для прямоугольного рус-
ла выражение (13.7) приво-
дится к виду
Л° = B6pQ/[B (ft — 0,96)] «
^p6Q//i, (13.8)
где Q — расход воды; h —
глубина потока (рис. 13.6);
0,9 б — осадка льда (значе-
нием осадки можно прене-
брегать по сравнению с глу-
биной /г).
Для параболического
русла
Л° = | [рб Q/(/i — 0,96)] « -| х
X [рб(Ж (13.9)
Рис. 13.6. Аккумуляция льда в верхнем
бьефе:
1 — лед; 2 — пьезометрическая лицин потока;
3 — плотина.
О значении Л° можно говорить и применительно к потоку, не
покрытому льдом (задавая мысленно ту или другую величину 6).
Из выражений (13.8) и (13.9) видно, что ледопропускная спо-
собность живого сечения в случае обычных русл при Q — const:
а) вовсе не зависит от ширины В живого сечения поверху; б) пря-
мо пропорциональна толщине льда б; в) обратно пропорциональ-
на глубине потока h (превышению нижней поверхности ледяного
поля над дном русла h'=h—0,9 6).
2. Аккумуляция льда в верхнем бьефе. Рассмотрим продольный
разрез участка реки перед плотиной (см. рис. 13.6, а). Предполо-
жим, что значение Q постоянно (как во времени, так и вдоль
потока). В этом случае согласно зависимостям (13.8) и (13.9) значе-
ние Л° при заданной б = const должно уменьшаться по течению ре-
ки, поскольку по мере приближения к плотине глубина, h увеличи-
вается. Минимальное значение Amin должно иметь место в районе
сечения 2—2 непосредственно перед плотиной; очевидно, для пря-
моугольного русла

(13.10)
где /г 2 и Л2 — см. на рис. 13.6, а.
Имея в виду сказанйое, A°=f(s) (рис. 13.6,6). Кривые I, II,
III отвечают различным толщинам льда бц бц, бш. При 6=const
значения Л° по мере приближения к плотине уменьшаются1 и, сле-
довательно, лед в водохранилище будет накопляться — аккумули-
роваться. Толщина ледяного поля по мере приближения к плотине
с течением времени должна увеличиваться.
11
Если предположить, что поступление льда в водохранилище длится доста-
точно долго, то по истечении продолжительного времени мы должны получить
установившуюся картину движения льда через водохранилище, при которой для
каждого живого сечения потока будет иметь место соотношение
Л° = Лест=Л°ст = const, (13.11)
где Лест — объем льда, проходящий в единицу времени через живое сечение ре-
ки в естественном состоянии. Полагая AecT=A^.TI мы считаем, что в рассматри-
ваемый период времени ширина естественного потока noffepxy занята движущим-
ся льдом. Установившееся ледяное поле, постепенно утолщающееся по мере
приближения к плотине, показано на рис. 13.6, а штриховкой.
Из сказанного выше вытекает, что ледопропускная способность Л?] (в сече-
нии 2—2) должна изменяться
от A«min = p61 <2%-0,961)<Лест (13.12)
До А°тах = Л^т = p§2max Q!(h2 - 0,962тах), - (13.13)
где 6] — толщина одного слоя льда; бгтах — толщина ледяной массы, Проплы-
вающей через сечение 2—2 в период, когда аккумуляция льда в верхнем бьефе
окончилась. Легко показать, что
бгтах = 61 ^г/^ест, (13.14)
причем йест — глубина реки в естественном состоянии.
Часто ледоход может закончиться ранее, чем мы получим установившееся
движение льда; при этом не успеет достигнуть значения, определяемого фор-
мулой (13.13) и будет лежать в пределах
ли<ло<л“тах; (13.15)
соответственно и наибольшая толщина ледяного поля 6г в сечении 2—2 булел
меньше 6гтаХ, определяемой формулой (13.14).
В заключение отметим следующее; 1. В результате аккумуля-
ции льда в отдельных сечениях потока можем получить перед эти-
ми сечениями подъем свободной поверхности потока, обусловли-
вающий соответствующее временное затопление берегов, что ино-
гда нежелательно. 2. Анализируя с указанных позиций движение
льда через водохранилище, легко убедиться, что в самом начале
водохранилища, где выклинивается кривая подпора и где глуби-
ны потока по течению начинают резко увеличиваться, может воз-
никнуть аккумуляционный затор льда. Такие заторы льда не мо-
гут быть ликвидированы механическим разрушением крупных
льдин.
3. Опасности, которые могут возникнуть в период ледохода:
а) при значительном, но не полном открытии поднимающихся
затворов отдельные льдины, ныряя под затвор, могут повреждать
его;
б) льдины, падая в нижний бьеф вместе с водой, могут повре-
ждать крепление нижнего бьефа, а льдины при подходе к плотине
с большой скоростью ударяются о быки и устои и повреждают их.
С течением времени лед (в связи с таянием) делается уже не опас-
ным в указанном отношении;
в) льдины, проходя над гребнем плотины (или над верхом за-
12
твора) в один, два или несколько слоев, могут ударяться о гре-
бень плотины (или верх затвора) и повреждать его; лед может
повреждать также и сливную поверхность плотины;-
г) при относительно малой толщине слоя воды, переливающей-
ся через плотину или затвор, а также малой ширине отверстия са-
ма плотина может вызвать затор льда. В результате этого лед мо-
жет забивать подходное русло, а также отверстия плотины, причем
пропускная способность подходного русла и отверстий плотины
будет уменьшаться и уровень воды в верхнем бьефе будет подни-
маться выше допустимого предела. Такого рода затор может быть
назван вынужденным затором; по своей физической природе он
принципиально отличается от аккумуляционного затора. Вынуж-
денный затор может быть'-ликвидирован с помощью тех или дру-
гих механических средств;
д) глубина воды h на гребне водослива всегда меньше глуби-
ны h2 перед плотиной. Поэтому можно считать, что при Q = const
(вдоль водосбросного тракта) ледопропускная способность отвер-
стий плотины Л отв всегда будет больше ледопропускной способ-
ности Л°. В связи с этим в большинстве случаев при Q — const нет
основания опасаться аккумуляции льда непосредственно перед
плотиной. Однако могут быть условия, когда только часть расхода
воды Q2 (в сечении 2—2) поступает в ледосбросные отверстия; дру-
гая же часть расхода воды Q2 поступает (без льда), например, на
гидростанцию или в те или другие водоспускные (погруженные)
отверстия,-При таких условиях может оказаться, что Лотв<Л2
причем лед будет скапливаться непосредственно перед плотиной,
образуя в этом месте аккумуляционный затор, который может сни-
жать водопропускную способность подводящего русла и вызывать
недопустимое поднятие уровня воды в верхнем бьефе.
Чтобы в этом случае (при снижении Q вдоль водосбросного
тракта) перед плотиной не возник аккумуляционный затор, необ-
ходимо соблюдать соотношение AotbS>A2, которое в соответствии
с формулой (13.9) может быть переписано в виде
|36&QOTB/(//—- 0,96) = p6Q2/(ft2 — 0,96), (13.16)
где Qotb — расход воды, пропускаемой через водосливные отвер-
стия при глубине, равной напору Н на водосливе; k — коэффици-
ент, учитывающий затруднительность движения льда в отверстиях
плотины, 6 = 0,75; Q2 и h2— относятся к сечению 2—2 перед пло-
тиной (см. рис. 13.6).
Пренебрегая в зависимости (13.16) значением 0,9 6 и заменяя
Н на./Утах, получаем
^тах Qotb kh2/Q2. (13.17)
При напоре Н на водосливе, большем, чем /Утах, ледопропуск-
ная способность отверстий будет меньше ледопропускной способно-
сти в сечении 2—2, в связи с чем при таком напоре перед плотиной
13
будет аккумулироваться лед, причем в некоторых случаях можно
ожидать нежелательного подъема воды в верхнем бьефе.
4. Проектирование водосбросных отверстий с учетом пропуска
через них льда. Чтобы предотвратить опасность, возникающую от
ударов льда о гребень плотины, а также чтобы не допустить об-
разования вынужденного затора перед плотиной, снижающего во-
допропускную способность отверстий, необходимо, чтобы в период
ледохода для всех открытых отверстий плотины удовлетворялось
соотношение
Н>Нт1п, (13.18)
где Hmin может быть принято на 10...30 % больше толщины 6 ле-,
дяной массы в сечении 1—1. Практически толщину б назначают в
большинстве случаев равной толщине, например, одного или двух
слоев льда. Именно при соотношении (13.18) отдельные льдины не
будут ударяться о гребень плотины (или упираться в него).
Опасаясь снижения водопропускной способности открытых во
время ледохода отверстий плотины, ширину каждого из них во из-
бежание возникновения вынужденного затора следует задавать
достаточно большой, например не менее 15...20 м и т. п.
5. Проектирование специального ледосбросного фронта плоти-
ны. Такой фронт, образованный несколькими водосливными отвер-
стиями, необходимо устраивать только в том случае, если при его
отсутствии можно1 опасаться возникновения непосредственно перед
плотиной аккумуляционного затора, обусловливающего недопусти-
мый подъем воды верхнего бьефа. Такой аккумуляционный затор
может возникнуть, когда плотина имеет небольшую высоту, отно-
шение глубины водохранилища к глубине впадающей в него реки
мало, длина водохранилища невелика, продолжительность ледохо-
да большая, значительная часть воды сбрасывается из верхнего
бьефа в нижний через водоспускные и водосливные хозяйственные
отверстия. В каждом конкретном случае все перечисленные обстоя-
тельства при обосновании необходимости устройства ледосбросного
фронта плотин должны быть специально проанализированы с
учетом приведенных выше соображений. В первом, приближении
специальный ледосбросный фронт следует предусматривать только
в случае, когда
h2<(3..A)heCT. (13.19)
Такой ледосбросной фронт должен устраиваться с целью раз-
грузки верхнего бьефа от накапливающегося в нем льда. При не-
соблюдении соотношения (13.19) можно считать, что лед верхнего
бьефа может таять в верхнем бьефе, причем ёго можно не сбра-
сывать через плотину в нижний бьеф. В этом случае при проекти-
ровании обычных водосливных отверстий следует удовлетворять
только условиям, отмеченным выше в п. 4, в частности, соотноше-
нию (13.18). \
В случае приближенного соотношения (13.19) общую ширину
14
Вл специального ледосбросного фронта следует назначать по обыч-
ной водосливной формуле, подставляя в нее:
а) напор Н, удовлетворяющий условиям (13.17) и (13.18):
(13.20)
б) расход Qotb воды, пропускаемой через ледосбросные от-
верстия,
Qotb = Q2-Q'. (13.21)
где Q2 — расчетный расход воды в реке во время ледохода (соот-
ветствующий обеспеченности с учетом или без учета трансформа-
ции паводка в водохранилище); Q' — расход воды, пропускаемой
через хозяйственные и другие неледосбросные отверстия.
ПОЛЬЗУЯСЬ ВОДОСЛИВНОЙ формулой И Оперируя расходами Qotb,
определяют ширину Вл ледосбросного фронта с таким расчетом:
а) с одной стороны, напор на водосливах должен быть такой
>7/mIn), при котором льдины не ударялись бы о, гребень плотины;
б) с другой стороны, этот напор должен быть не больше Ятах, тог-
гда перед плотиной не сможет образоваться аккумуляционный за-
тор.
Если при указанном расчете значение /7тах окажется меньше
Нт\п, то в этом случае приходится увеличивать Qotb за счет умень-
шения Q', добиваясь соотношения 7fmax>#min. Определив, исходя
из указанных условий, Вл, Qotb, Q' и Н, далее приходится решать
вопрос об отметке уровня воды в верхнем бьефе, при которой осу-
ществляется сброс льда в нижний бьеф. Эта отметка должна быть
увязана с установленными ранее отметками НПУ, ФПУ и Гр. пл.
Ширину b отдельных отверстий ледосбросного фронта принято на-
значать: в случае рек с тяжелым ледоходом Ь> 15...20 м; в случае
рек с исключительно тяжелым ледоходом &>20...25 м.
Ледосбросные отверстия должны располагаться по стержню ре-
ки (по динамической оси потока). В случае поворота стержень ре-
ки располагается у вогнутого берега. Отметки гребня водосливных
стенок в пределах всех ледосбросных отверстий принимают одина-
ковыми, чтобы было обеспечено равномерное поступление воды в
отверстия.
Глава 14. ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ ТЕЛА БЕТОННОЙ
ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ’
§ 14.1. Классификация водосливных плотин
Поперечное сечение глухой бетонной гравитационной плотины
назначается из условий устойчивости и прочности тела плотины
и ее основания. Что касается проектирования поперечного сече-
ния водосливной плотины (водосливной стенки), то здесь прихо-
дится дополнительно учитывать еще ряд специфических ее особен-
ностей: 1) чисто гидравлических — вопрос о переливе воды через
15
гре.бень плотины; 2) конструктивных — расположение затворов на
гребне плотины; 3) строительных — устройство временного порога
для пропуска строительного расхода и временных шандорных сте-
нок, под защитой которых бетонируют тело плотины.
Поясним отмеченные особенности водосливной плотины, имея
в виду, что все сказанное о проектировании поперечного сечения
глухих бетонных плотин должно соответствующим образом учиты-
ваться и при проектировании водосливных плотин.
Различают водосливные плотины: 1) достаточно высокие, в
этом случае упомянутые специфические особенности не могут за-
ставить нас существенно изменить очертание рационального тео-
ретического треугольного профиля, установленного исходя только
из условий устойчивости и прочности тела плотины и основания;
2) низкие, когда значительная часть гидростатического давления
воды верхнего бьефа передается непосредственно на металличес-
кие затворы и затем от затворов — на быки илй на гребень плоти-
ны; в этом случае плотину часто проектируют с сильно уширенным
гребнем, причем профиль ее в значительной мере определяется
конструкцией и размерами затворов, а иногда условиями сопря-
жения тела плотины с основанием. Четкую границу между двумя
названными типами плотин установить трудно.
Профиль низких плотин проектируют с учетом вопросов, изу-
чаемых далее в разделе, посвященном механическому оборудова-
нию плотин.
В данной главе ограничимся рассмотрением только ясно вы-
раженных высоких профилей плотин. Очертание таких плотин
должно в основном вписываться в отмеченный выше рациональ-
ный треугольный профиль (свойственный глухим-плотинам). Сле-
дует различать две классификации высоких плотин.
1. В зависимости от гидродинамического давления под струей
воды, переливающейся через плотину: безвакуумные профили пло-
тин, когда под струей на поверхности водосливной стенки имеется
положительное давление, близкое к атмосферному; вакуумные
профили плотин, когда под струей на поверхности водосливной
стенки (см. область А на рис. 14.1, а) имеется вакуум, способству-
ющий увеличению расхода водослива.
2. В зависимости от сопряжения сливной поверхности плотины
с поверхностью дна нижнего бьефа различают плотины сопряже-
нием: гладким (рис. 14.1, а); с помощью низкого уступа 2, носок 1
которого располагается ниже уровня воды нижнего бьефа (рис.
14.1, б); с помощью высокого уступа, носок которого располагается
выше уровня воды нижнего бьефа, причем получится отброс струи
воды от плотины (рис. 14.1,в).
Для удобства дальнейшего изложения введем следующие тер-
мины: начальный (или гидравлический) профиль плотины — про-
филь достаточно высокой плотины, намеченный с учетом только
гидравлических условий работы плотины; окончательный (или
практический) — профиль достаточно высокой плотины, получен-
ный путем преобразований начального профиля, выполненных на
16 -
основе учета условий стати-
ческой работы плотины, а
также соответствующих кон-
структивных и строитель-
ных требований.
§ 14.2. Начальный профиль
безвакуумной водосливной
стенки нормального очерта-
ния, имеющей гладкое соп-
Рис. 14.1. Сопряжения сливной поверхности
плотины с дном нижнего бьефа:
ряжение с дном нижнего
бьефа
Идея построения началь-
ного профиля безвакуумной
стенки нормального очерта-
ния (профиль Кригера —
Офицерова) заключается в
том, что водосливную по-
верхность такой стенки
очерчивают по нижней гра-
нице струи, . получающейся
при переливе воды через во-
дослив с тонкой стенкой,
когда давление под струей
равно атмосферному. Ни-
же поясним построение раз-
личных профилей рассмат-
риваемой стенки.
1. Начальный профиль
безвакуумной стенки нор-
мального очертания с вер- 1 — носок; 2 —уступ низкий; 3 — уступ высокий;
о _ о _ 4 — воронка (яма) размыва.
тикальнои верховой гранью.
Профиль данной стенки
плотины (рис. 14.2) об-
разован пятью элементами: 1) вертикальным участком АВ
высотой а; !2) прямолинейным участком ВС, наклоненным к
горизонту под углом ав; 3) криволинейным участком CD, строя-
щимся по особым координатам; 4) прямолинейным участком DE,
наклоненным к горизонту под углом ан; • 5) дугой окружно-
сти EF, описанной радиусом R и сопрягающей дно нижнего
бьефа с участком ED. .При построении данного профиля отметки
дна верхнего и нижнего бьефов, а также отметку гребня плотины
необходимо иметь заданными. Значения а, ав и ссн назначают в
соответствии, с теоретическим треугольным профилем; дополни-
тельно здесь учитывают еще влияние а, ав и ссп на. коэффициент
расхода водослива.
Радиус R не влияет на коэффициент расхода; его назначают
по конструктивным соображениям, причем руководствуются, на-
2 Р. Р. Чугаев
17
Рис. 14.2. Безвакуумная стенка нормаль-
ного очертания с вертикальной верховой
гранью.
Рис. 14.3. Водослив с тонкой стенкой:
1 — нижнее очертание струи; 2 — область
атмосферного давления.
пример, следующими формулами: а) для невысоких плотин на не-
скальном основании при больших напорах R=. (0,5...1,0) (НПроф+.
+Дпах); б) для высоких плотин на скальном основании при на-
порах менее 5 м R = (0,25...0,50) (Япроф.+^шах), где ЯПроф — так
называемый профилирующий напор, Zmax — наибольшая разность
уровней верхнего и нижнего бьефов.
Основным элементом профиля Кригера — Офицерова является
кривая CD (см. рис. 14.2), которую проводят с таким расчетом,
чтобы она достаточно близко располагалась к кривой cd, пред-
ставляющей собой нижнее очертание струи, получающейся при
переливе воды через тонкую стенку abc (рис. 14.3),>гождественную
по очертанию АВС рассматриваемого профиля.
Отклонение кривой CD влево от кривой cd влечет за собой об-
разование вакуума непосредственно на поверхности водосливной
стенки, что нежелательно; отклонение же кривой CD вправо от
кривой cd влечет за собой уменьшение коэффициента расхода, так
как при таком отклонении давление под струей на поверхности
гребня будет увеличиваться. Уменьшение коэффициента расхода
также нежелательно. Из приведенных выше пояснений видно, что
очертание кривой CD должно зависеть от значения Н (поскольку
от напора на водосливе зависит очертание струи cd). Во время
эксплуатации плотины напор Н гребне плотины изменяется.
Для построения кривой CD выбирают некоторый определенный
напор, исходя из которого и скроят профиль водосливной стенки.
Этот напор называют профилирующим.
Значение ЯПроф принимают равным максимальному напору на
водосливе Яшах, который имеет место при ФПУ. В случае Ж
<^проф на сливной поверхности CDE (см. рис. 14.2) вакуум не
проявляется. Однако надо иметь в виду, что при напоре, большем
профилирующего, вакуум на поверхности водосливной стенки уже
может иметь место. Построение рассматриваемого безвакуумного
18
профиля осуществляется следующим образом. Зная ЯПроФ и на-
метив оси координат Ох и Оу (см. рис. 14.2), строим кривую
C'CC0DD', пользуясь табл. 14.1, в которой даются приведенные
Таблица 14.1
№ точки */яироф ^^проф № точки */Кпроф ^^проф
1 0,0 0,126 21 2,0 1,235
2 0,1 0,036 22 2,1 1,369
3 0,2 0,007 23 2,2 1,508
4 0,3 0,000 24 2,3 1,653
5 0,4 0,006 25 2,4 1,894
6 0,5 0,027 26 2,5 1,960
7 0,6 0,060 27 2,6 2,122
8 0,7 0,100 28 2,7 2,289
9 0,8 1,146 29 ' 2,8 2,462
10 0,9 0,198 30 2,9 2,640
11 1,0 0,256 31 3,0 2,824
12 ; 1,1 0,321 .32 3,1 3,013
13 1,2 0,394 33 3,2 ' 3,207
14 1,3 0,475 34 3,3 3,405
15 , 1,4 0,564 35 3,4 3,609
16 1,5 0,661 36 3,5 3,818
17 1,6 0,764 37 3,6 4,031
18 1,Т 0,873 38 3,7 4,249
19 1,8 0,987 39 3,8 4,471
20 1,9 1,108 40 3,9 4,698
координаты кривой С D : х/пПРоф и у1Нп?о$. Для получения дей-
ствительных координат х и у кривой C'D' числовые данные, при-
водимые в таблице, следует умножить на ЯпРоф- Как видно из таб-
лицы, абсцисса х0 наивысшей точки гребня стенки (см. рис. 14.2)
равна О.ЗДпроф-
Кривую C'CCqDD' следует проводить по найденным точкам
так, чтобы ось Оу была касательна к ней в точке С'. Далее про-
водят прямые ВС и DE, наклоненные к горизонту под углом ссв и
ссн; эти прямые должны касаться намеченной кривой. После этого
участки С'С и DD' кривой отбрасывают, затем проводят верти-
каль АВ и дугу EF.
Рис. 14.4. Безвакуумная стенка нормаль-
ного очертания с наклонной верховой
гранью.
Рис. 14.5. Безвакуумная стенка нор-
мального очертания с вертикальной
гранью.
2
19
2. Начальный профиль безвакуумной стенки нормального очер-
тания с наклонной верховой гранью. Эту стенку (рис. 14.4) мож-
но рассматривать как частный случай стенки, приведенной на рис.
14.2 (когда а=0). Такого рода распластанный профиль может
иметь место при нескальном основании, если коэффициент трения
плотины по основанию невелик. В случае хорошего скального ос-
нования верховая грань плотины получается вертикальной.
' 3. Дополнительные частные случаи начального профиля безва-
куумной стенки нормального очертания возможны, когда длина от-
резка DE (см. рис. 14.2 и 14.4) обращается в нуль, причем кривые
CqD и EF смыкаются, (прямолинейный участок DE профиля отсут-
ствует), а также когда ав = 90° (рис. 14.5).
§ 14.3. Преобразование начального профиля безвакуумной
водосливной стенки в окончательный
Рассмотренные в предыдущем параграфе начальные профили
водосливной стенки были построены с учетом только гидравличе-
ских соображений и без учета условий устойчивости и прочности
данной стенки, а также без учета необходимых конструктивных
и строительных требований. Такие профили в общем случае не
могут быть приемлемы для окончательной их реализации в проек-
те; эти профили должны быть подвергнуты соответствующей кор-
ректировке.
1. Учет условий статической работы водосливной стенки. Во-
досливную стенку необходимо подвергать проверочному статичес-
кому расчету (расчету устойчивости ее на сдвиг и на прочность);
при этом приходится иногда несколько изменять профиль этой
стенки.
Случай, когда водосливная стенка начального профиля харак-
теризуется недостаточной устойчивостью на сдвиг ее по основанию.
Здесь при наличии начального профиля стенки с вертикальной вер-
ховой гранью можно усилить ее за счет добавки А (рис. 14.6, а)
или добавки Б (рис. 14.6,6). В последнем случае устойчивость
плотины увеличивается не только за счет веса бетона, выполняю-
Рис. 14.6. Практические профили безвакуумной водосливной стенки.
20
хцего добавку Б, но и за счет веса во-
ды (рис. 14.6,6). Часто бывает раци-
онально использовать оба поясненных
выше приема (рис. 14,6, в, г).
Случай, когда водосливная стенка
начального профиля характеризуется
избыточной устойчивостью на сдвиг
ее по основанию. Избыточная устой-
чивость может иметь место, например,
при хорошем скальном основании, ког-
да теоретический треугольный про-
филь имеет вертикальную верховую
грань. С целью снижения коэффици-
ента запаса устойчивости плотины на
сдвиг и доведения его до нормативно-
го значения приходится облегчать рас-
Рис. 14.7. Практический про-
филь безвакуумной водослив-
ной стенки с консолью:
1 — консоль; 2 — пазы для затворов;
3 — бык.
сматриваемую стенку путем изъятия
объема бетона abed (рис. 14.7), в связи с чем получается консоль 1.
Бетонирование такой консоли требует устройства по поверхно-
сти ab наклонной опалубки, нагружаемой весом вышележащей
•бетонной смеси.
Дополнительные замечания. При корректировании профиля
гравитационной плотины необходимо дополнительно обращать вни-
мание на то, чтобы наименьшие минимальные главные напряжения
в бетоне являлись сжимающими и приближались в наиболее опас-
ных точках профиля к нулю. В связи с этим, выполняя провероч-
ные расчеты плотины на сдвиг, следует также определять и упо-
мянутые минимальные напряжения. В результате таких провероч-
ных расчетов может возникнуть необходимость изменить и углы
ан и ав начального гидравлического профиля.
2. Учет конструктивных и строительных особенностей водослив-
ной стенки. На гребне плотины приходится располагать рабочие и
ремонтные (или аварийные) затворы. Это обстоятельство в случае
обычных поднимающихся затворов часто заставляет на гребне
плотины предусматривать устройство горизонтальной площадки со-
ответствующей ширины. В случае затворов, опускающихся в спе-
циальную нишу, устроенную в гребне плотины, очертание водо-
сливной стенки (в верхней ее части) приходится изменять.
Условия производства работ также заставляют иногда вносить
ряд коррективов в предварительно намеченный профиль. .Все эти
обстоятельства могут быть учтены на основании данных гл. 27.
.§ 14.4. Безвакуумная водосливная стенка нормального очертания
с низким уступом
Водосливная стенка с низким уступом (см. рис. 14.1,6) отли-
чается от безвакуумной водосливной стенки нормального очерта-
ния (см. рис. 14.2) только наличием уступа 2. Как известно из
курса гидравлики, в случае плотины с низким уступом могут иметь
21
Рис. 14.8. Плотина с низ-
ким уступом:
У — пьезометрическая линия
для носка; 2 — носок; 3 — ус-
туп; 4 — консоль; 5 — рас-
пределение давления по гид-
ростатическому закону.
место три.разных режима сопряжения бьефов: донный; поверхно-
стный с незатопленной струей (см. рис. 14.1,6); поверхностный с
затопленной струей.
Уступ проектируют, исходя из того, что высота уступа а и угол
0 наклона носка 1 к горизонту (см. рис. 14.1,6) должны быть по-
добраны так, чтобы при сбросных ледовых расходах воды Q„
(см. § 13.5) и соответствующих им уровнях воды в нижнем бьефе
(во время сброса льда в нижний бьеф) получился поверхностный
режим с незатопленной струей. Выдвигая такое требование, име-
ют в виду, что в случае донного режима льдины могут ударяться
о дно и разрушать его крепление; в случае же поверхностного ре-
жима с затопленной струей льдины, попав в валец воды, образую-
щийся на носке, могут ударяться о сливную поверхность но,ска и
повреждать ее. ,
Учитывая сказанное, общий ход расчета уступа плотины (оп-
ределение высоты его а и угла 0) может быть намечен следую-
щий: 1) устанавливают минимальный и максимальный ледовые
расходы <2л и Qn', 2) устанавливают отвечающие им уровни воды
нижнего бьефа УНБли УНБЛ; 3) предполагают, что уступ отсутст-
вует, тогда для этих условий определяют отметку поверхности
крепления дна нижнего бьефа VKp; при этом расчете, стремясь
получить в нижнем бьефе затопленный прыжок, степень затопле-
ния его назначают несколько повышенной, например равной 1,2;
4) исходя из установленных выше значений Q.,, УНБЛ, VKp и за-
давшись углом 0 (не’более 10...15°), находят необходимое значе-
ние а. Иногда для исходных данных, отмеченных вышевпп. 1...3,
не удается найти значение а, обеспечивающее требуемый режим.
В этом случае от уступа приходится отказываться.
В конструктивном отношении уступ плотины должен быть на-
мечен так, чтобы полученный профиль плотины увязывался с тео-
ретическим треугольным профилем ее (см. рис. 14.1,6) или имел
консоль 4, как показано на рис. 14.8. В последнем случае прихо-
дится рассчитывать прочность консоли 4, рассматривая сечение
1—1. Иногда в подобных случаях по этому сечению устраивают
деформационный шов (отрезая им консоль от тела плотины). Вы-
ше рассматривался гладкий цилиндрический носок abc. В прак-
тике плотиностроения, стремясь улучшить гидравлические условия
22
сопряжения бьефов, низкие уступы делают иногда с гладкими не-
цилиндрическими (рассеивающими) носками или с носками, имею-
щими зубья.
§ 14.5. Безвакуумная водосливная стенка нормального очертания
с высоким уступом
В случае высоких бетонных плотин на скальном основании час-
то предусматривают высокий уступ (см. рис. 14.1, в). При наличии
такого уступа струя, сходящая с носкачэтого уступа, отбрасыва-
ется достаточно далеко от подошвы плотины. В месте падения
этой струи на дно нижнего бьефа образуется воронка размыва 4.
При правильно запроектированной плотине воронка размыва дол-
жна располагаться на таком расстоянии от плотины, при котором
опасность подмыва последней исключается.
При проектировании профиля с высоким уступом возникают
две гидравлические задачи: 1) при заданной высоте уступа а тре-
буется построить траекторию струи и установить место, где в
грунте основания должна образоваться воронка размыва; 2) ус-
тановить глубину воронки размыва в скальном трещиноватом
грунте. Имеется ряд попыток решить эту задачу, однако нельзя
еще считать ее решенной достаточно полно.
Анализ 1-й задачи показывает, что наибольший отлет струи
получается в случае, когда высота уступа, имеющего гладкий ци-
линдрический носок (при 0 = 0), равна п«0,5£ (см. рис. 14.1, в).
Однако с учетом 2-й задачи обычно высоту а назначают несколь-
ко больше максимальной глубины воды в нижнем бьефе. Как и в
случае низкого уступа, здесь вместо гладкого цилиндрического
носка устраивают нецилиндрические (рассеивающие) носки, а так-
же носки с различными зубьями..Угол 0 в случае высокого уступа
не делают более примерно 15...30°.
Конструктивно высокий уступ оформляют или в соответствии со
схемой на рис. 14.1, в, или на рис. 14.13.
§ 14.6. Вакуумная водосливная стенка, имеющая
гладкое сопряжение с дном нижнего бьефа
В случае вакуумной водосливной стенки, например в случае
так называемой вакуумной стенки с эллиптическим оголовком
(рис. 14.9), в некоторых местах водосливной поверхности, в част-
ности в районе оголовка стенки, под струей возникает вакуум.
Рассматривая обычный случай работы плотины и сопоставляя
для такого случая вакуумные водосливные стенки с безвакуумны-
ми, приходят к следующим выводам.
1. Площадь поперечного сечения вакуумной водосливной стен-
ки, построенной исходя только из гидравлических условий, оказы-
вается меньшей, чем площадь поперечного сечения безвакуумной
•стенки нормального очертания (вакуумная стенка является более
обжатой). Для получения одинаковых коэффициентов запаса ус-
23
Рис. 14.9. Вакуумная водосливная
стенка с эллиптическим оголовком:
1 — очертание эллипса (с полуосями- е и
f), вписанного в трапецеидальный профиль.
Тойчивости плотины на сдвиг в
случае вакуумной и безвакуум-
ной стенок принимают одинако-
вые веса этих стенок* а следова-
тельно, и площади поперечного
сечения; отсюда ясно, что стои-
мость двух рассматриваемых бе-
тонных стенок должна быть прак-
тически одна и та же. Одинако-
вые веса вакуумной й безвакуум-
ной стенок можно получить:
а) применяя видоизмененный
безвакуумный профиль, характе-
ризующийся наличием консоли с
верховой стороны оголовка стен-
ки (см. рис. 14.7) или б) усили-
вая вакуумную стенку (см. рис. 14.6). Следует учитывать, что на
устойчивость плотины в целом вакуум на водосливной поверхности
стенки оказывает малое влияние.
2. Коэффициент расхода вакуумной стенки благодаря подсасы-
вающему действию вакуума в районе оголовка стенки оказывается
большим, чем коэффициент расхода безвакуумной стенки. Однако
это обстоятельство обычно не позволяет в случае вакуумной стен-
ки сократить ширину водосливного фронта.плотины, так как она
назначается по заданному удельному расходу q. Сохраняя отметку
ФПУ (V Ony=const) и значение удельного расхода q. (<7=const),
можем, переходя от безвакуумной стенки к вакуумной, умень-
шить за счет повышения коэффициента расхода только значение
напора на водосливе Н (при пропуске QpaC4). Снижая Н (при
V ФПУ—const), при этом будем несколько увеличивать (на V Н)
высоту плотины (не изменяя, однако, ее веса) и тем самым умень-
шать высоту затворов, располагаемых на гребне плотины (рис.
14.10).
Как видно, для обычных случаев вакуумная водосливная стен-
ка по сравнению с безвакуумной имеет только одно преимущест-
во: высота ее затворов получается несколько меньшей (до 5%),
что является практически не существенным. Вместе с тем вакуум-
ные стенки обладают следующими присущими им отрицательны-
ми качествами: а) при переливе воды через гребень плотины на-
ружный воздух может периодически прорываться в пространство
под струю (в зону вакуума); при этом возникают периодические
удары, которые могут вызвать нежелательную вибрацию плотины;
б) в зоне достаточно большого вакуума могут вырываться камни
облицовки и металлические закладные части; в) в зоне вакуума
может возникать кавитационная эрозия бетона.
Имея в виду поясненные отрицательные качества вакуумных
водосливных стенок, их, как правило, нельзя рекомендовать для
применения в практике. В СССР они почти и не использовались в
строительстве. Существуют только исключительные случаи, когда
-24
Рис. 14:10. Сопоставление при </=const
безвакуумного профиля 3 с вакуумным
профилем 2 при наличии затвора /:
^вак — напор на гребне вакуумной водо-
сливной стенки; ^б.вак — то же’ на rPe®He
безвакуумной стенки; ДН — разность указан-
ных напоров.
Рис. 14.11. Снижение V<J>ny при уст-
ройстве вакуумной водосливной стен-
ки без затвора (обозначения см. на
рис. 14.10),
вакуумные стенки могут дать некоторый эффект. Например, водо-
сбросное отверстие водосливного типа проектируют (при Ь =
=const) без затворов. В этом случае гребень водослива должен
всегда располагаться на отметке НПУ. В связи же с большим ко-
эффициентом расхода т при наличии вакуумного профиля полу-
чим меньший напор, а следовательно, более низкую отметку ФПУ
(рис. 14.11), что обусловит меньшую площадь затопления земель в
верхнем бьефе, а также снижение отметки гребня глухой части
плотины.
§ 14.7. Области применения рассмотренных водосливных стенок
Как было отмечено в предыдущем параграфе, вакуумные стен-
ки почти всегда оказываются менее рациональными, чем безва-
куумные, поэтому вакуумные профили можно применять только в
особых, исключительных случаях. Что касается безвакуумных сте-
нок нормального очертания, то в отношении их необходимо иметь
в виду следующее. В настоящее время пришли к заключению, что
плотину с низким уступом рационально сооружать только в тех
случаях, когда во время ледохода в нижний бьеф через специаль-
но созданный ледосбросной фронт приходится сбрасывать боль-
шие массы льда. В остальных сдучаях такая плотина обычно ока-
зывается нерациональной, так как за носком очень часто получа-
ется невыгодный режим придонных скоростей, кроме того, при
наличии низкого уступа не представляется возможным эффектив-
но бороться с так называемой сбойностью течения воды в нижнем
бьефе; в случае низкого уступа в нижнем бьефе часто получается
также значительное волнение, распространяющееся на большое
расстояние, что нежелательно для судоходства.
Что касается плотины с высоким уступом, то этот тип плотины
25
следует рекомендовать для случаев: а) когда плотина имеет зна-
чительную высоту (при этом скорость схода воды с трамплина
будет велика, в результате чего воронка размыва расположится
далеко от плотины) и б) когда основание плотины скальное.
В остальных случаях достаточно высоких плотин, как прави-
ло, следует применять безвакуумные профили нормального очер-
тания с гладким сопряжением водосливной их поверхности с дном
нижнего бьефа.
§ 14.8. Замечания о кавитационной эрозии бетона
и конструкции сливной поверхности плотины
Выше, в § 14.6, отмечалось, что в случае вакуумных профилей
может возникать кавитационная эрозия бетона. В случае высоких
безвакуумных плотин, когда на сливной поверхности их получают-
ся весьма большие скорости (достигающие 20...40 м/с), кавитаци-
онная эрозия бетона может возникнуть также, если водосливная
поверхность является недостаточно гладкой — имеет даже сравни-
тельно небольшие выступы Тиероховатости. Эта эрозия не будет
столь большой, как в случае вакуумных стенок. Вместе с тем, что-
бы избавиться от нее, сливную поверхность плотин (особенно вы-
соких) необходимо делать возможно более гладкой.
Сливную поверхность плотины могут повреждать (истирать)
также достаточно крупные наносы (крупнопесчаные, гравелистые,
галечниковые) и лед. Такое повреждение можно ожидать прежде
всего на вогнутых участках сливной поверхности, где на взвесе-
несущий поток воды действуют значительные центробежные силы
инерции. Чтобы защитить сливную поверхность от такого повреж-
дения, ее иногда облицовывают достаточно прочным отесанным
камнем или слоем (толщиной 10...15 см) сталебетона, т. е. бетона,
содержащего стальную струж-
ку. С точки зрения ’ возмож-
ности возникновения кавита-
ционной эрозии, сталебетон,
по-видимому, является неже-
лательным материалом. Име-
ются примеры, когда при на-
личии большого количества
наносов сливную грань покры-
вали чугунными плитами тол-
щиной 7...8 см.
На рис. 14.12 показана конструк-
ция облицовки сливной поверхности
2 плотины с помощью отесанного
камня 3. Такая облицовка выполня-
ется следующим образом: бетонному
массиву 7 плотины придают ступен-
чатую форму 8, причем в него запу-
скают прутья арматуры 6. К концам
таких прутьев приваривают металли-
ческую сетку 5, после чего эту сетку
засыпают щебнем 9; далее по щеб-
Рис. 14.12. Облицовка бетона отесанным
камнем:
1 — штыри' 2 — сливная поверхность; 3—оте-
санный камень; 4 — арматура; 5 — металли-
ческая сетка; 6-4 прутья арматуры; 7 — бе-
тонный массив; 8— ступенчатая граница бе-
тонного массива; 9 — щебень. »
26
Рис. 14.13. Примеры запроектированных водосливных стенок (раз-
меры в м):
/ — пазы для затворов; 2 — дренаж; 3 — низкий уступ; 4 — высокий уступ;
5 — низкая водосливная стенка.
27
ню укладывают отесанные камни 3, соединенные между собой штырями 1, эти
штыри должны быть связаны арматурой 4 с сеткой 5; в швах между камнями
через определенное расстояние (1...2 м) устанавливают металлические трубы,
через которые под уложенный камень нагнетают цементную растворную смесь.
§ 14.9. Порядок проектирования профиля водосливной плотины
При проектировании поперечного профиля водосливной бетон-
ной гравитационной плотины массивного типа, имеющей достаточ-
ную высоту, удобно придерживаться такой последовательности:
.1) намечают начальный (гидравлический) безвакуумный профиль,
причем решают вопрос о необходимости создания уступа плотины;
2) корректируют, этот профиль, намечая расположение затворов
(эксплуатационных, рабочих, строительных); 3) подвергают полу-
ченную водосливную стенку расчету на сдвиг по основанию (см;
гл. 7), а также определяют для нее минимальные нормальные на-
пряжения, которые не должны быть растягивающими; при этом
видоизменяют профиль данной стенки в соответствии с § 14.3. Для
окончательно откорректированного профиля стенки должно быть
установлено значение коэффициента расхода т водосливной пло-
тины; при этом значении т должна быть окончательно проверена
пропускная способность водосливного фронта плотины (см. гл. 13).
В случае нескального основания подошву бетонной плотины высо-
той более 10...15 м приходится армировать (см. гл. 19). На рис.
-14.13 приведено несколько примеров водосливных стенок, запро-
ектированных с учетом поясненных выше соображений.
Глава 15. НИЖНИЙ БЬЕФ, НАЗНАЧЕНИЕ,
КОНСТРУКЦИЯ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ
§ 15.1. Общие сведения
В нижнем бьефе при пропуске воды через плотину получают
вблизи нее поток, который характеризуется большими скоростями.
Этот поток, обладая повышенной кинетической энергией, имеет
большую размывающую способность.
В случае даже невысокой плотины на нескальном основании,
не защищенном каким-либо креплением (покрытием), непосред-
ственно за плотиной может образоваться глубокая воронка раз-
мыва (рис. 15.1); данные практики показывают, что глубина такой
воронки может достигать hvw (2...3) И, где И — напор на плоти-
Рис. 15.1. Воронка размыва за плотиной.
28
не. При наличии высокой плотины, когда в нижний бьеф с большой
высоты сбрасываются иногда громадные массы воды, причем ско-
рости движения ее достигают 40...50 м/с, водный поток может раз-
рушать и скальное основание-, в этом случае воронки размыва в
скале-могут достигать значительной глубины', например 10 м и бо-
лее. Естественно, что такие размывы дна русла (а также и бере-
гов) в нижнем бьефе часто являются недопустимыми, так как они
могут вызвать разрушение плотины.
Имея это в виду, русло нижнего бьефа непосредственно за пло-
тиной, как правило, покрывают надлежащим креплением, а также
иногда углубляют. Чтобы уменьшить стоимость работ по укрепле-
нию и углублению русла за плотиной, часто в пределах нижнего
бьефа устраивают различные гасители энергии, с помощью кото-
рых снижают кинетическую энергию потока, а следовательно, и
его размывающую способность.
Создание в нижнем бьефе комплекса упомянутых устройств тре-
бует больших капитальных затрат. Поэтому сооружая плотину,
приходится особое внимание обращать на проектирование уст-
ройств нижнего бьефа. При таком проектировании используют раз-
личные методы расчета и лабораторных исследований, позволяю-
щие с известным приближением устанавливать наиболее оптималь-
ные формы и размеры устройств нижнего бьефа. Проектирование
устройств нижнего бьефа часто осложняется рядом обстоятельств,
сопровождающих сброс воды в нижний бьеф и затрудняющих по-
строение теоретических расчетов.
1. Условия сброса воды в нижний бьеф. Водосливные отверстия
перекрывают обычно затворами. При этом сброс излишков воды
в нижний бьеф можно осуществлять различно: при нарастании па-
водка затворы можно открывать в различной последовательности.
Трудно сказать, какая именно комбинация открытия затворов яв-
ляется наиболее опасной. Из курса «Гидравлики» известно, что ус-
ловия сопряжения бьефов существенно зависят от отметки уровня
нижнего бьефа (УНБ); эта же отметка, в свою очередь, зависит от
расходов воды, пропускаемой через ГЭС и другие сооружения,
создаваемые при плотине. Таким образом, условия сопряжения
бьефов зависят от условий работ ГЭС и других приплотинных со-
оружений. Приходится обращать внимание также на вопрос о вре-
мени наполнения водой нижнего бьефа. Естественно, что на сброс
воды влияет также и тип затворов плотины: имеют ли они стацио-
нарные (быстро действующие) или подвижные (медленно дейст-
вующие) подъемно-опускные механизмы.
Итак, если водосливной фронт плотины рассчитывают на Qpac4
(см. § 13.2), то нижний бьеф непосредственно за плотиной рассчи-
тывают не на Qpacq, а на некоторые расходы, получающиеся в от-
верстиях плотины и в нижнем бьефе при различных режимах ра-
боты рассматриваемого гидроузла.
2. Пространственные условия движения воды в нижнем бьефе.
Нижний бьеф имеет большую ширину, чем водосливной фронт пло-
тины. В связи с этим в нижнем бьефе возникают пространственные
29
условия движения воды: или растекание потока (в плане), или
сбойность, причем сбойность может быть установившаяся или не-
установившаяся. При наличии сбойности получают местное уве-
личение удельного расхода воды, что существенно повышает раз-
мывающую способность потока. Пространственные условия влекут
за собой возникновение в нижнем бьефе косых волн и косых гид-
равлических прыжков, которые не поддаются в настоящее время
надежному теоретическому расчету.
3. Аэрация потока в случае высоких плотин. Высокоскоростной
безнапорный поток самоаэрируется, т. е. постепенно насыщается
пузырьками воздуха, попадающими в толщу потока через его сво-
бодную поверхность. В результате такой самоаэрации в нижней
части сливной поверхности плотины и в области нижнего бьефа
получают движение не воды, а воздуховодной смеси. Поэтому для
расчета нижнего бьефа высоких плотин обычные правила гидрав-
лики принимают только условно.
4. Деформация русла нижнего бьфа. В ряде случаев оказывает-
ся рационально (с экономической точки зрения) не доводить в про-
цессе строительных работ русло нижнего бьефа до окончательной
его формы. Предполагается, что окончательную форму русло полу-
чит за счет размыва его потоком в течение первого времени экс-
плуатации плотины. Такой подход к проектированию заставляет
нас прогнозировать деформации (размывы) русла во времени, что
иногда является трудной задачей.
5. Кавитационная эрозия. Высокоскоростной поток при обтека-
нии даже небольших выступов шероховатости может вызвать зна-
чительный вакуум на бетонной поверхности сооружения. Наличие
вакуума, в свою очередь, порождаёт кавитацию воды; кавитация же
воды может вызвать кавитационную эрозию бетонной поверхности
и в конечном счете разрушение тех или иных частей устройств ниж-
него бьефа. Это обстоятельство весьма затрудняет, например, про-
ектирование гасителей энергии в нижнем бьефе.
6. Вибрация сооружения. Высокоскоростной поток характеризу-
ется повышенной пульсацией скоростей и давлений, которая может
порождать вибрацию отдельных частей сооружения. Благодаря та-
кой вибрации может нарушаться, например, прочность некоторых
частей сооружения; при вибрации могут снизиться расчетные проч-
ностные (сдвиговые) характеристики грунта, на котором распо-
лагаются, например, бетонные плиты устройств нижнего бьефа
и т. п.
В настоящее время перечисленные выше шесть обстоятельств
не могут быть полностью учтены теоретическими расчетами. В свя-
зи с этим при проектировании устройств Нижнего бьефа приходит-
ся идти следующим путем: а) используя теоретические методы
расчета, прилагать их к упрощенным неполным воображаемым мо-
делям тех или других явлений, которые наблюдаются при движе-
нии воды в нижнем бьефе; при этом получают приближенные ре-
шения; б) в особо ответственных случаях дополнительно сооружать
материальную модель запроектированного в первом приближении
30
сооружения и подвергать ее соответствующей Проверке в лабора-
тории.
Говоря о размыве грунта в нижнем бьефе, различают так назы-
ваемые: 1) опасный местный размыв дна нижнего бьефа за плоти-
ной, когда воронка размыва достаточно глубока и близко располо-
жена к сооружению, в связи с чем сооружение может оказаться
подмытым и разрушиться; 2) безопасный местный размыв за пло-
тиной, когда воронка размыва после ее стабилизации приобретает
размеры, при которых нет основания опасаться разрушения соору-
жения. В практике при проектировании плотин часто идут на неко-
торый заведомо безопасный размыв за сооружением.
А. СЛУЧАЙ ПЛОТИНЫ НА НЕСКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
§ 15.2. Основные элементы нижнего бьефа
Для плотин, расположенных на нескалыюм основании, ограни-
чимся рассмотрением только гладкого сопряжения сливной по-
верхности плотины с дном нижнего бьефа. При сооружении таких
плотин дно русла непосредственно за плотинами почти всегда уст-
раивают на большую или меньшую длину крепления. Как прави-
ло, это крепление состоит из двух частей: 1) водобоя, представля-
ющего собой армированную или неармированную бетонную плиту
примерно такой длины, чтобы в пределах ее мог поместиться затоп-
ленный гидравлический прыжок, получающийся за плотиной;
2) рисбермы, располагаемой за водобоем в пределах так называе-
мого послепрыжкового участка и выполняемой из отдельных бе-
тонных плит, каменной наброски и т. п. В конце рисбермы иногда
сооружают особое концевое устройство.
Как было отмечено, водобой и рисберма (рис. 15.2) отличаются
друг от друга в конструктивном отношении. Иногда крепления под-
разделяют на водобой и рисберму только условно, так как в неко-
торых случаях особого различия в конструктивном отношении меж-
ду ними может и не быть.
Водосливные (поверхностные) отверстия плотины иногда могут
быть донными (с порогом, расположенным на уровне дна русла).
В этих случаях от самого тела плотины остается только фунда-
ментная часть, которую конструктивно объединяют с водобойной
плотиной (с водобоем), причем получают одну бетонную плиту, на-
зываемую флютбетом (рис. 15.3).
Рассматривая сооружение, запроектированное по схеме на рис.
15.2, можно видеть, что за концевым устройством рисбермы полу-
чается местный размыв (воронка размыва) глубиной .%=/(£); с
уменьшением L значение hp увеличивается (рис. 15.4). Теоретиче-
ски только при L = oo мы должны получить Ар=0. Однако, прене-
брегая некоторой небольшой величиной hp, можно ввести понятие
предельной длины крепления Апр. Делать крепление длиной L>
>Епр практически нет оснований. Вместе с тем опыт показывает,
что устройство крепления длиной L<Lnp часто дает ощутимый эко-
Рис. 15.2. Схема поперечного сечения плотины на нескальном основании:
1 — понур; 2 — плотина; 3 — водобой; 4 — рисберма; 5 — концевое устройство рисбермы; 5 —
воронка размыва; 7послепрыжковый участок; 8— затопленный прыжок; 9 — эпюра гид-
родинамического давления на водобой и рисберму в данный момент времени; 10 — эпюра
противодавления, действующего на водобойную плиту (со стороны дренажа); DQ — дефицит
давления.
Рис. 15.3. Схема плотины с флютбетом:
Л — понур; 2 — затвор; 3 — бык; 4 — флютбет; 5 — рисберма; 6 — шпунт.
УВ5
Рнс. 15.4. Зависимость глубины hp воронки размыва от длины L крепления в ниж-
нем бьефе:
1 — крепление; 2 — концевое устройство.
комический эффект; при L<Lnp
необходимо только сооружать
концевое устройство на соответ-
ствующую глубину, несколько
ббльшую глубины воронки раз-
мыва, отвечающей данной длине
Вопрос о длине крепления L,
вообще говоря, можно решать,
исходя из экономических сообра-
жений. При этом мы должны со-
поставить стоимости креплений
разной длины и учитывать, что
короткие крепления требуют глу-
Рис. 15.5. Схема плотины без крепле-
ния в нижнем бьефе:
/ — глубокий зуб (кессон): 2 — воронка
размыва.
боких концевых устройств.
Можно привести примеры плотин (на нескальном грунте), не
имеющих вовсе крепления в нижнем бьефе (рис. 15.5); в этих слу-
чаях с низовой стороны плотины устраивают соответствующий зуб
(в виде кессона) на глубину, несколько превышающую глубину
большой воронки размыва, образующейся непосредственно за пло-
тиной.
Итак, на крепление нижнего бьефа следует смотреть как на
устройство, позволяющее удалить воронку размыва от плотины и
снизить ее глубину.
| 15.3. Проектирование крепления нижнего бьефа
Крепление нижнего бьефа устраивают с целью защитить его
дно от опасного размыва. Одновременно крепление некоторым об-
разом может воздействовать и на поток воды, в связи с чем он из-
меняет свою структуру. Рассматриваемое крепление должно удов-
летворять следующим дополнительным требованиям: 1) не разру-
шаться потоком воды; 2) не разрушаться льдом и другими плава-
ющими телами; 3) не нарушать режим движения воды в нижнем
бьефе настолько, чтобы при этом возникали какие-либо затрудне-
ния в период, например, судоходства. Главнейшим дополнительным
требованием является первое из трех указанных. Со вторым тре-
бованием часто можно не считаться, поскольку лед относительно
редко сбрасывается в нижний бьеф. В связи с третьим требовани-
ем заметим, что вопрос о режиме движения воды в нижнем бьефе
приходится рассматривать с учетом не только роли крепления, но
главным образом с учетом влияния компоновки всего узла в целом
на условия протекания воды в нижнем бьефе.
При проектировании устройства нижнего бьефа следует разли-
чать две задачи: 1) гидравлическая — определение геометрических
форм главнейших размеров крепления, а также установление зна-
чений сил, действующих со стороны потока воды на элементы креп-
ления; 2) конструктивная — разработка конструкции крепления,
обеспечивающей устойчивость и прочность его.
3 Р. Р. Чугаев
33
Касаясь конструкции устройств нижнего бьефа, придется преж-
де всего пояснить различные типы гасителей энергии, которые ча-
сто создают в пределах крепления нижнего бьефа. Из курса «Гид-
равлики» известно, что обычно здесь различают: а) так называе-
мые простейшие гасители энергии, поддающиеся гидравлическому
расчету, в виде водобойных стенок и водобойных колодцев; б) спе-
циальные гасители энергии, не поддающиеся обычному гидравличе-
скому расчету.
При рассмотрении вопросов сопряжения бьефов различают два
типа сопряжения ниспадающей струи с нижним бьефом: с помощью
отогнанного и затопленного гидравлического прыжка.
Крепление нижнего бьефа в случае затопленного прыжка полу-
чается более экономичным. При появлении отогнанного прыжка за
каким-либо открытым пролетом плотины отметка уровня воды на
водобое за этим пролетом редко снижается по сравнению с от-
меткой уровня воды за соседними закрытыми пролетами плоти-
ны (где нет отогнанного прыжка), а также по сравнению с отмет-
кой уровня воды в нижнем бьефе (например, на рисберме).
Благодаря такому местному снижению уровня воды водобойная
плита за открытым пролетом начинает испытывать в данном месте
большое противодавление, причем толщина ее согласно расчету на
всплывание оказывается весьма значительной. Кроме того, и дли-
на крепления при наличии отогнанного прыжка получается боль-
шой.
В связи со сказанным нижний бьеф плотины при наличии не-
скального основания проектируют с расчетом получить затоплен-
ный прыжок. Учитывая это обстоятельство, далее случаи отогнан-
ного прыжка не рассматривают.
§ 15.4. Гасители энергии простейшего типа
Водобойные колодцы и стенки устраивают непосредственно за
плотиной с целью получить затопленный гидравлический прыжок
при сопряжении ниспадающей струи с нижним бьефом. Их выпол-
няют обычно из неармированного или армированного бетона. При
проектировании рассматриваемой конструкции следует избегать
острых углов, так как они легко могут разрушиться потоком. Если
поток несет крупные камни в виде донных наносов, то эти камни
могут заполнить колодец, образованный водобойным уступом или
водобойной стенкой, вследствие чего гидравлический режим рабо-
ты колодца нарушится.
1. Водобойный колодец может иметь различное конструктивное
оформление. Устраивая уступ ab наклонным (рис. 15.6), несколько
увеличивают глубину колодца d\ при этом износ бетона уменьша-
ется. Однако высота плотины в нижнем бьефе увеличивается
(с„>сн), а следовательно, по соображениям устойчивости плоти-
ны увеличивают и ширину b плотины понизу. В результате, удеше-
вив за счет устройства водобойного колодца крепление нижнего
бьефа, одновременно получим удорожание самого тела плотины.
34
Рис. 15.6. Варианты конструкции водо-
бойного колодца:
I — дренаж; 2 — строительный откос; 3 —
фильтрационное отверстие; 4 — подпорная
<тенка; 5 — отвод воды из дренажа.
Рис. 15.7. Конструкция водобойной
стенки:
] — дренаж; 2 — строительный откос.
Рис. 15.8. Формы водобойной стенки:
1 — отверстия для выпуска воды из ко-
лодца.
Рис. 15.9. Комбинированный водобой-
ный колодец.
2. Водобойная стенка. В этом случае (рис. 15.7) высота плоти-
ны в нижнем бьефе не увеличивается. Недостатки водобойной стен-
ки: а) в нижнем бьефе за водобойной стенкой может появиться
отогнанный прыжок, причем возникает необходимость устраивать
вторую водобойную стенку (меньшей высоты) для образования вто-
рого колодца; может возникнуть необходимость в устройстве и
третьей водобойной стенки и т. д.; б) длина крепления за водобой-
ной стенкой должна быть несколько больше, чем за водобойным
уступом; в) водобойная стенка иногда может затруднять решение
вопроса о пропуске строительного расхода. Очертание водобойной
стенки в поперечном разрезе может быть различное (рис. 15.8).
Иногда водобойные стенки делают криволинейными в плане. При
таком их устройстве получается растекание потока в плане за во-
добойной стенкой, что улучшает условия сопряжения бьефов.
3. Комбинированный водобойный колодец (рис. 15.9). Высоту
подобойной стенки с назначают такой, чтобы за ней получилось ми-
нимально допустимое затопление прыжка; глубину d назначают
из условия, чтобы при глубине водобойного колодца (c+d) непо-
средственно за плотиной получилось минимально допустимое за-
топление прыжка, находящегося в колодце. При этом нет надобно-
сти ставить вторую водобойную стенку, а также не увеличивается
высота плотины. Существуют и другие комбинации водобойных ко-
лодцев и водобойных стенок, например сначала делают водобой-
ную стенку, а за ней водобойный колодец.
3*
35
4. Заключительные замечания. В случае полного открытия, на-
пример, только одного отверстия плотины удельные расходы в ниж-
нем бьефе против этого отверстия непосредственно за плотиной бу-
дут относительно велики. Устраивая за плотиной общий водобой-
ный колодец, обслуживающий все отверстия плотины, получают
такую картину, когда поток, поступающий в колодец из одного
открытого отверстия, распределится затем в колодце на некоторой
большей ширине, чем ширина одного отверстия; при этом макси-
мальные удельные расходы в нижнем бьефе (за колодцем) соот-
ветственно уменьшатся и, следовательно, условия работы крепле-
ния нижнего бьефа улучшатся. Глубина такого общего колодца в
некоторых случаях может оказаться большей, чем глубина колод-
цев индивидуальных.
§ 15.5. Специальные гасители энергии
Специальные гасители устраивают обычно в пределах водобоя;
они представляют собой преграды или выступы (например, желе-
зобетонные) той или другой формы и размера. Поток, обтекая эти
преграды или выступы, расщепляется на отдельные струи, которые
могут соударяться, при этом кинетическая энергия потока будет
снижаться.
Рассматривая такое движение воды, необходимо различать сле-
дующие три важных обстоятельства, которые необходимо учиты-
вать при проектировании гасителей:
1. На рис. 15.10 показаны два различных гидравлических прыж-
ка: обычный прыжок (рис. 15.10, а) —в его пределах нет гасителя
в виде бетонного выступа; прыжок, в пределах которого имеется
гаситель в виде бетонного выступа 1 (рис. 15.10,6). По схеме на
рис. 15.10,6 гаситель испытывает со стороны потока некоторое roj
ризонтальное давление, направленное в сторону нижнего бьефа; в
свою очередь, поток со стороны гасителя испытывает соответству-
ющую реакцию R. Именно наличием этой реакции прыжок по этой
схеме отличается от прыжка на схеме рис. 15.10, а. Выражая гид-
равлическим уравнением количество движения сечений 1—1 и 2—
Рис. 15.10. Сопряжение бьефов (при hc = const):
а — без гасителей: б — с гасителями; 1 — гаситель.
36
2, легко найдем при заданной первой сопряженной глубине —h'
(одинаковой для схемы на рис. 15.10, а и б) отвечающие этой глу-
бине вторые сопряженные глубины: а) Лбез гас —для схемы без
гасителя; б) ЛСгас —для схемы с гасителем. Сопоставляя найден-
ные глубины h без гас и /ic гас, видим, что гаситель энергии 1 резко
снижает вторую сопряженную глубину h" (за счет упомянутой вы-
ше реакции R). Обозначим через Л2сгас и h2 без гас соответствующие
затопляющие глубины, т. е. такие глубины нижнего бьефа, при ко-
торых получаем затопленный прыжок с заданной степенью затоп-
ления (см. гл. 16): Al = h2/h". Гаситель, уменьшая вторую сопря-
женную глубину, уменьшает на столько же и затопляющую глуби-'
ну. Часто получают, например, такое соотношение:/г2 с гас/Лг без гас =
=0,7...0,8. Устраивая гасители и уменьшая за счет их реак-
тивного действия затопляющую глубину, можем увеличить
отметку поверхности дна, на котором устраиваем гаситель, т. е.
поднять это дно (сохранив при этом необходимую степень затопле-
ния прыжка).
2. При обтекании гасителей в потоке образуются водоворотные
области, способствующие повышению пульсации скоростей. При
этом в движущейся воде резко увеличиваются турбулентные каса-
тельные напряжения, что значительно повышает потери напора,
т. е. диссипацию энергии потока в нижнем бьефе.
3. Гасители энергии, воздействуя на поток, могут снижать вол-
нение свободной поверхности в нижнем бьефе, уменьшать сбой-
ность течения, способствовать более интенсивному растеканию по-
тока в плане, а следовательно, способствовать уменьшению удель-
ных расходов, поступающих в русло нижнего бьефа.
В соответствии со сказанным можно различать (согласно
Д. И. Кумину) тройную роль гасителей: 1) реактивную, выражаю-
щуюся в уменьшении затопляющей глубины и поднятии поверхно-
сти водобоя, а следовательно, в уменьшении высоты плотины в
нижнем бьефе; 2) диссипативную, выражающуюся в том, что в слу-
чае устройства гасителей энергии заданная перепадом на плотине
избыточная кинетическая энергия гасится на относительно неболь-
шой длине, причем на достаточно малом расстоянии от плотины
получаем в нижнем бьефе поток нормальной структуры. Благодаря
этому можем или укоротить длину крепления нижнего бьефа, со-
храняя глубину воронки размыва за ним, или, сохраняя длину
крепления нижнего бьефа, уменьшить глубину воронки размыва за
креплением, а следовательно, уменьшить глубину концевого уст-
ройства; 3) регулирующую, выражающуюся в успокоении потока
в нижнем бьефе и в уменьшении удельных расходов воды, посту-
пающей в русло нижнего бьефа.
Иногда устраивают специальные гасители энергии в виде так
называемой искусственной шероховатости, создаваемой за прыж-
ком в основном на рисберме. С помощью искусственной шерохова-
тости дополнительно можно: а) несколько притормаживая придон-
ные слои потока, добиться уменьшения придонных скоростей, а
37
следовательно, снизить размывающую способность потока; б) до-
биться более интенсивного затухания пульсационных явлений в
пределах послепрыжкового участка, в связи с чем снизить размы-
вающую способность потока. Искусственная шероховатость, устро-
енная в пределах рисбермы, утяжеляет ее работу (снижает ее проч-
ность) .
В настоящее время рациональную форму и достаточно надеж-
ные размеры специальных гасителей энергии можно установить
только путем, лабораторных испытаний конкретного сооружения.
Неправильно построенные специальные гасители энергии могут
значительно ухудшить условия сопряжения бьефов.
Общим недостатком специальных гасителей энергии является
то обстоятельство, что на их гранях при больших скоростях пото-
ка развивается кавитация и с течением времени эти гасители раз-
рушаются благодаря кавитационной эрозии. Кроме того, специаль-
ные гасители энергии могут иногда повреждаться плавающими те-
лами, в частности льдом.
Можно различать следующие классификации специальных гаси-
телей: 1. Реактивные гасители, уменьшающие затопляющую глуби-
ну, и диссипативные и регулирующие гасители, служащие для со-
кращения длины крепления нижнего бьефа и для успокоения пото-
ка 2. Сосредоточенные (или близкорасположенные) гасители, т. е.
расположенные вблизи сжатого сечения, где скорости потока ве-
лики, и удаленные гасители в виде искусственной шероховатости.
3. Сплошные гасители в виде сплошных водобойных стенок и так
называемых водобойных порогов, и прорезные гасители — более
удобные в отношении пропуска строительных расходов воды; в слу-
чае таких гасителей временный порог, служащий для пропуска
строительных расходов, представляется возможным располагать
на относительно низком уровне.
Упомянутым выше водобойным порогом называют водобойную
стенку небольшой высоты; перед водобойным порогом не образу-
ется затопленный прыжок, как перед водобойной стенкой нормаль-
ной высоты; струя перескакивает через порог, причем за порогом
в результате гашения энергии, обусловленного им, получается за-
топленный гидравлический прыжок на относительно небольшом
расстоянии от плотины.
Помимо гасителей, относящихся к приведенным выше трем об-
щим классификациям, необходимо различать еще множество ти-
пов гасителей различной конструкции.
В настоящее время в качестве специальных гасителей наиболее
часто применяют: а) пирсы и шашки; б) зубья; в) растекатели;
г) носки-расщепители; встречаются также те или другие комбина-
ции этих типов гасителей.
1. Пирсы и шашки представляют собой ряд выступов, имеющих
форму, показанную на рис. 15.11. Если высота этих выступов боль-
ше их длины и ширины, то их называют пирсами, в противном слу-
чае— шашками. Пирсы и шашки в плане располагают в шахмат-
ном порядке: пирсы — на водобое за сжатым сечением транзитной
38
Рис. 15.11. Типы пирсов и шашек:
а, б — разрез и план; в...д — вертикальные сечения; е...з — планы.
струи; шашки применяют в качестве искусственной шероховатости
и располагают за прыжком (на рисберме). Пирсы и шашки дела-
ют обычно из железобетона. Шашки иногда заменяют крупными
камнями или рельсами, втопленными в бетон.
Иногда рекомендуют следующие размеры пирсов (см. рис. 15.11): с=>
= (0,75... 1,00)Лс; Ь= (0,5...1,0)с; d= (2...3)с, где hB — глубина в сжатом сечении
струи (у подошвы плотины).
Для ориентировочного определения гидродинамического давления Р на пир-
сы, имеющие вертикальную верховую грань, рекомендуют формулу (см. рис.
15.10 и 15.11):
I Р I = I R I = AnAt%p yB/g,
где А— площадь верховой грани гасителя; ув —удельный вес воды; k — коэф-
фициент динамичности, £=1,2...1,3; п — экспериментальный коэффициент формы
гасителя, для предварительных расчетов п«1,2; иОр — средняя скорость набе-
гания потока на напорную грань гасителя.
2. Зубья (зубчатые пороги) могут иметь самую различную фор-
му (рис. 15.12, а, б). На рис. 15.12, в показана конструкция, назы-
ваемая зубчатым порогом Ребока. Таким порогом иногда заканчи-
вают крепление нижнего бьефа. При этом получается следующая
картина: поток расщепляется зубьями на отдельные струи; вслед-
ствие разной высоты зубьев образуются как бы два яруса струй
(см. стрелки на рис. 15.12, е); непосредственно под этими струями
создаются условия движения воды, при которых размывающая спо-
собность потока в данном месте несколько снижается. Сами зуб-
чатые пороги делают из железобетона, иногда из гранитных кам-
ней на анкерах.
3. Растекатели (рис. 15.13) препятствуют сбойности потока и
способствуют уменьшению удельных расходов. Их устанавливают
в начале водобоя, в зоне сжатого сечения под углом а = 0...15° к
оси потока; высота растекателей равна примерно глубине воды в
39
Рис. 15.12. Примеры зубчатых порогов.
Рис. 15.13. Примеры расстановки растекателей в плайе (а, б) и вид растека
теля в продольном разрезе и в плане (а) (размеры в м):
1 — правобережные пролеты; 2 — средине пролеты.
Рис. 15.14. Пирсы:
а — без носка-расщепителя; б — с носком-расщепнтелем; в — план.
сжатом сечении; длину стенок принимают равной (2,5...3) Ь, где
Ь — расстояние между стенками в свету. Угол а для крайних и
средних пролетов принимают различным. При такой расстановке,
стенок ликвидируем водоворотные области (с вертикальной осью),
которые при отсутствии растекателей возникают у берегов и сжи-
мают с боков транзитную струю, выходящую из открытых отвер-
стий плотины.
4. Носок-расщепитель. Д. И. Кумин в результате лабораторных
исследований пришел к заключению, что сосредоточенные пирсы 1
дают в некоторых случаях большое фонтанирование струи, что
резко ухудшает условия сопряжения бьефов за гасителями (рис.
15.14,а). Вместе с тем от такого фонтанирования легко можно из-
бавиться, если устроить так называемый носок-расщепитель 2
Рис. 15.15. Примеры нос-
ка-расщепителя с пирса-
ми по Д. И. Кумину
(размеры в процентах от
критической глубины).
41
(рис. 15.14,6). При этом сопряжение бьефов значительно улучша-
ется.
На рис. 15.15 приведены некоторые наиболее рациональные со-
четания носка-расщепителя с пирсами, размеры которых (в про-
центах от критической глубины) были установлены на основании
лабораторных опытов Д. И. Куминым.
§ 15.6. Водобой
1. Конструкция. Водобой делают в виде горизонтальной, а иног-
да наклонной плиты (армированной или неармированной). Длину
/вод водобоя рекомендуют назначать равной: а) при отсутствии га-
сителей энергии на нем /вод= (1,00...1,25) X/д', б) при наличии на
водобое гасителей /ВОд= (0,75...1,00)/п, где /п — наибольшая воз-
можная длина затопленного прыжка. Обычно горизонтальный во-
досбой устраивают на одном уровне с рисбермой.
Плиту водобоя отделяют деформационным швом от тела пло-
тины (рис. 15.16, а, б, в) с тем, чтобы избежать появления трещи-
ны в этом месте, а также разрезают вдоль течения вертикальными
температурно-усадочными швами (рис. 15.16,а). Эти швы намеча-
ют по продолжению осей быков, следя за тем, чтобы в случае не-
армированного водобоя рас-
стояние между этими швами
было не более 15...20 м. Все
перечисленные швы не уп-
лотняют — они водопрони-
цаемы. Под водобойной
плитой устраивают дренаж,
защищенный обратным
фильтром (обычно двух-
или однослойным); в этот
дренаж поступает вода, про-
ходящая через основание
плотины из верхнего бьефа.
Дренаж разгружает водо-
бойную плиту от избыточно-
го фильтрационного давле-
ния снизу.
Отвод воды из дренажа
в нижний бьеф можно осу-
ществлять через фильтраци-
онные отверстия, устроен-
ные в водобойной плите или
в горизонтальном направле-
нии (в область водопрони-
цаемой рисбермы).
Толщину d водобойной
плиты устанавливают расче-
том (см. прилож. А, § А.2,
Рис. 15.16. Конструктивные схемы водобоя:
2 —плотина; 2— водобой; 3 — пирсы; 4 — фильт-
рационные отверстия; 5 — рисберма; 6 — дренаж;
7 — обратный фильтр; 8—дренаж (отвод воды из
дренажа в потерну плотины); 5 —отвод воды из
дренажа; 10 — ось быка; // — шов; 12 — зуб.
42'
и. 4): 4/^(’/ю---1/12)/вод. Толщина водобойной плиты может быть
постоянной или переменной, уменьшаясь вдоль течения (рис.
15.16,а, б, в).
В практике эксплуатации плотин стремятся к тому, чтобы в зимний период
водобойная плита была затоплена •— покрыта слоем воды; при этом поверхност-
ны й слой бетона не будет испытывать значительных температурных напря-
жений.
Если же зимой в нижнем бьефе вода отсутствует, то бетон водобоя следует
проектировать морозоустойчивым; кроме того, в этом случае надо учитывать
позможность промерзания грунта основания водобойной плиты (при недостаточ-
ной ее толщине), что недопустимо в случае грунтов, склонных к зимнему пуче-
нию. При таких условиях необходимо или увеличивать толщину водобоя, иля
идти на замену естественного глинистого грунта песчаным (хорошо уплотнен-
ным). При наличии в воде наносов бетон подвергается истиранию. В этом случае
поверхность водобоя иногда покрывают облицовкой из прочных камней. Обычно
считают, что марка бетона водобоя (по прочности) должна быть ниже марки
бетона (например, Ml50), выполняющего ответственные части самого тела
плотины.
В некоторых случаях под водобоем рационально устраивать продольные
зубья (рис. 15.16, г), расположенные по осям быков; эти зубья разбивают дре-
нажный слой водобоя на отдельные изолированные друг от друга секции, отве-
чающие определенному пролету плотины.
На рис. 15.17 показан пример армирования водобойной плиты, имеющей га-
сители энергии в виде пирсов.
2. Условия работы водобойной плиты. В период эксплуатации
плотины при полном открытии одного отверстия плотины создают-
ся следующие условия:
а) в пределах водобойной плиты, отвечающей рассматриваемо-
му открытому отверстию, располагается затопленный гидравличес-
кий прыжок, причем глубины потока в начале этой водобойной
плиты получаются несколько сниженные (см. рис. 15.2). Вместе с
тем в дренаже под водобоем может устанавливаться давление, со-
ответствующее глубине воды нижнего бьефа. Давление воды на
водобой снизу получается несколько большее, чем сверху. В ре-,
зультате водобойная плита при сбросе через рассматриваемое от-
верстие плотины расчетного расхода воды оказывается подвержен-
ной снизу давлению Do (см. на рис. 15.2 заштрихованную эпюру).
Этому дефициту давления должен противостоять вес водобойной
плиты; кроме того, сила Do будет обусловливать изгибающие мо-
менты в поперечных вертикальных сечениях плиты, вызывающие
растягивающие напряжения у
дольном направлении);
б) в связи с интенсивной
пульсацией гидродинамиче-
ского давления на поверхно-
сти водобоя плита водобоя
оказывается дополнительно
подверженной знакопере-
менной нагрузке, как и пли-
ты рисбермы. Эта нагрузка
будет обусловливать изги-
бающие моменты как в по-
перечных, так и в продоль-
нижней поверхности плиты (в про-
Рис. 15.17. Схема армирования водобоя И
пирсов (монтажная арматура ие показана).
43
ных вертикальных сечениях водобоя и вызывать растягивающие
напряжения попеременно у верхней и нижней поверхностей плиты
водобоя; пульсация гидродинамического давления, приложенного
к водобою, иногда порождает вибрацию грунта основания водо-
боя, которая может передаваться отдельным частям плотины;
в) при наличии на водобое специальных гасителей энергии
(пирсов) водобой будет подвержен действию горизонтальной сдви-
гающей силы гидродинамического давления, приложенного к пир-
сам; очевидно, вес водобоя должен быть достаточным не только
чтобы противостоять вертикальной пульсирующей силе Do (см. вы-
ше п. а), но и чтобы противостоять указанной горизонтальной сдви-
гающей силе гидродинамического давления.
В период строительства плотины плита водобоя оказывается
подверженной действию собственного веса и реакции грунта осно-
вания, причем реакция грунта основания в зависимости от очеред-
ности и сроков возведения плотины и водобойной плиты может
распределяться по различному закону, обусловливающему растя-
гивающие напряжения у нижней поверхности водобоя, а также в
некоторых случаях и у верхней его поверхности.
Из приведенных пояснений видно, что армировать водобойную
плиту приходится двойной сеткой: верхней и нижней (см. рис.
.15.17); в большинстве случаев необходима нижняя сетка, рабоч я
арматура которой должна быть направлена вдоль водобойной плз-
ты. Требуемая площадь сечения арматуры может быть определена
исходя из значений изгибающих моментов, установленных в соот-
ветствии с приведенными выше указаниями.
§ 15.7. Рисберма
1. Конструкция. Рисберму устраивают в пределах послепрыжко-
вого участка. По длине ее размывающая способность потока дол-
жна постепенно уменьшаться за счет гашения избыточной кинети-
ческой энергии потока и снижения придонных скоростей. Конст-
рукция рисбермы по течению должна постепенно облегчаться.
Поверхность рисбермы обычно делают гладкой или с небольшой ше-
роховатостью. В первом приближении длину рисбермы иногда на-
значают равной /рис= (1,0...2,0) /ВОд. В процессе эксплуатации со*
оружения конец рисбермы претерпевает некоторые деформации в
связи с вымывом грунта основания из-под рисбермы. Имея это в
виду, конец рисбермы часто проектируют гибким, чтобы он мог
без нарушения своей защитной роли деформироваться вслед за де-
формацией поверхности дна нижнего бьефа.
Рисберма состоит из трех разных частей: жесткой, гибкой и
концевого устройства. Жесткую часть, рисбермы делают из бетон-
ных плит, гибкую — из фашинных тюфяков, каменной наброски и
т. п. Рассмотрим отдельные конструктивные элементы, которые мо-
гут служить для образования рисбермы (жесткой и гибкой), а за-
тем остановимся на концевом устройстве.
Бетонные и армобетонные плиты. Толщину d плит принимают
44
Рис. 15.19. Возможные слу-
чаи разрушения крепления,
выполненного плитами.
Рис. 15.18. Пример выполнения рисбермы пли-
тами различной толщины (размеры в м):
/ бетон; 2 — бетонная подготовка 0,15 м; 3 — ще-
бень 0,30 м; 4 — гравий 0,25 м; 5 — крупный песок
0,25 м.
па начальных участках рисбермы до 1...5 м и на концевом участке
0,5...0,8 м и более. Изменение толщины плит по длине рисбермы
осуществляется уступами. Плиты делают или квадратными, или
прямоугольными в плане длиной до 2...20 м. Имея в виду возмож-
ность работы плит как балки на двух опорах (в случае ее подмы-
ва потоком), считают, что размеры плит должны удовлетворять
условию: в случае неармированных плит сГ^С/е-1/?)/; в случае
армированных плит d~^ (1/8... 1/10) I.
Плиты рисбермы часто бетонируют на месте, при этом поверх-
ность дна оказывается покрытой одним слоем таких плит с неуп-
лотненными швами между ними. Продольные швы между плита-
ми следует устраивать в перевязку. Если плиты в плане прямо-
угольные, то они должны располагаться длинной стороной вдоль
течения. Под плитами укладывают двух- или трехслойный обрат-
ный фильтр толщиной 0,4...0,6 м; на поверхность обратного филь-
тра при бетонировании плит на месте укладывают слой жесткой
бетонной смеси в виде подготовки толщиной 0,10...0,15 м. В пли-
тах часто делают фильтрационные отверстия диаметром 0,15...
0,25 м в плане на расстоянии друг от друга до 5 м. Иногда пли-
ты соединяют между собой металлической арматурой; при этом
получается как бы «покрывало». Такое покрывало с помощью ар-
матуры прикрепляют к водобою или к специально забитому ряду
свай.
Чтобы усилить гашение энергии на рисберме, плиты рисбермы
делают различной толщины и получают таким образом на поверх-
ности рисбермы выступы (рис. 15.18). Искусственную шерохова-
тость на поверхности плит рисбермы получают с помощью шашек.
Все это ухудшает условия устойчивости плит рисбермы, а также
в связи с возможной кавитацией условия работы бетона, образую-
щего плиты.
В случае неравномерной осадки плит, обусловленной, напри-
мер, вымывом из-под них грунта, плита II может оказаться сдвину-
той или опрокинутой (рис. 15.19, а); за плитой I может образовать-
ся зона пониженного давления 1, и устойчивость плит также будет
нарушена (рис. 15.19,6).
В связи с пульсацией гидродинамического давления эпюра
мгновенного гидродинамического давления на верхнюю поверх-
45
ность плит рисбермы получается в виде площади, ограниченной
сверху волнистой линией, показанной пунктиром на рис. 15.2. Сни-
зу на плиты рисбермы действует постоянное давление, эпюра ко-
торого ограничена сверху горизонтальной линией, проведенной на
уровне воды нижнего бьефа. Складывая две названные эпюры дав-
ления, видим, что плиты рисбермы в связи с пульсацией гидродш
намического давления оказываются подверженными в данный мо-
мент времени знакопеременной неравномерной нагрузке. Если раз-
мер плиты в плане небольшой, то в определенный момент времени
по всей площади такой плиты может действовать только отрица-
тельная мгновенная нагрузка, при этом толщина плиты должна на-
значаться относительно большой, с тем чтобы вес плиты мог про-
тивостоять этой нагрузке. Если размер плиты в плане относитель-
но большой, то на такую плиту на различных ее участках будут
действовать как положительные, так и отрицательные пульсацион-
ные нагрузки; учитывая это обстоятельство, толщину плиты можно
назначать меньшей, чем в предыдущем случае. Однако при даль-
нейшем увеличении размеров плиты в плане получают в попереч-
ных и продольных вертикальных сечениях плит относительно боль-
шие изгибающие моменты, обусловленные пульсационным давлени-
ем, при этом толщина плит и насыщенность их арматурой должны
возрастать. Вообще существуют некоторые оптимальные размеры
плит в плане, при которых получают наиболее экономичное реше-
ние.
Из сказанного ясно, что плиты рисбермы, имеющие относитель-
но большие размеры, следует армировать, как правило, двумя сет-
ками— верхней и нижней. Условия работы бетона плит в начале
рисбермы примерно те же, что и условия работы бетона водобоя.
Марка бетона для плит рисбермы может назначаться, например,
150. Плиты представляют собой относительно мощный тип крепле-
ния. Поэтому их часто применяют для образования начального
участка рисбермы.
Ряжи, загруженные камнем, являются надежным креплением.
Если при колебании уровня воды нижнего бьефа ряжи периодиче-
ски выходят из воды, то во избежание разрушения их вследствие
гниения дерева ряжи выполняют из железобетона.
Габионное крепление представляет собой как бы корзины из
проволочной сетки, заполненные камнем. Размеры габионов бы-
вают самые различные. При выполнении крепления из габионов их
связывают друг с другом проволокой. Недостатком габионного
крепления является то, что крупные камни и другие влекомые во-
дой тела могут повреждать проволоку, причем габионы разруша-
ются.
Каменную мостовую делают обычно двойной из камня крупно-
стью 25...30 см. Под каменной мостовой должен быть уложен в ви-
де обратного фильтра соответствующий крупнообломочный грунт.
Работы по сооружению каменной мостовой нельзя механизировать,
поэтому данный вид крепления применять избегают.
Фашинные тюфяки вяжут из отдельных фашин; такое крепле-
46
ние является гибким. Фашинные тюфяки применяют обычно для
образования конца рисбермы.
Каменную наброску в качестве крепления используют весьма
часто. В верхних слоях наброски камни должны быть более круп-
ные. Применяют следующие виды каменной наброски: а) обыкно-
венная наброска камня с разравниванием его; б) наброска между
забитыми сваями (диаметром 20...25 см), расположенными в шах-
матном порядке через 1...2 м друг от друга; этот вид крепления
часто применяют в случае песчаных грунтов; в) наброска в клет-
ках из плетня. Под каменной наброской делают обратный фильтр
или укладывают фашинный тюфяк. Каменная наброска должна
рассматриваться как гибкий вид крепления.
§ 15.8. Концевое устройство рисбермы
Стремясь к более экономичному решению, длину рисбермы час-
то сооружают несколько короче расчетной, допуская некоторый
размыв за рисбермой. При проектировании такой укороченной рис-
бермы в конце ее создают специальное концевое устройство (рис.
15.20).
1. Устройство ковша. Определяют глубину возможной воронки
размыва за намеченной укороченной рисбермой (см. § 15.2). Далее
на эту глубину в конце рисбермы делают выемку грунта — созда-
ют так называемый ковш, причем внутренний откос и дно ковша
соответствующим образом укрепляют (рис. 15.20, а). Коэффици-
Рис. 15.20. Варианты концевого устройства рисбермы (схе-
мы конструкции):
1 — рисберма; 2 — ковш; 3 — шпора; 4 — склад камня; 5 — карь-
ерная мелочь; 6 — ряж; 7 — пол-трамплин; 8 — воронка размыва.
47
ент для внутреннего откоса принимают т=4...5; коэффициент для
наружного откоса обычно принимают т = 2,0. Иногда глубину ков-
ша назначают равной /iKOB~&<7/voinax, где k — коэффициент, зави-
сящий от длины рисбермы, при достаточной длине рисбермы в пер-
вом приближении & = 1,3; q— удельный расход; vOmax— допускае-
мая скорость для данного грунта в случае равномерного режима.
2. Устройство шпоры. В конце укороченной рисбермы делают
шпору на глубину, равную возможной глубине воронки размыва
(рис. 15.20,6). Шпора может быть выполнена в виде армобетонно-
го зуба, шпунтового ряда, ряжей или ячеистой шпунтовой конст-
рукции. Чтобы уменьшить глубину воронки размыва, непосредст-
венно за шпорой устраивают «склад» камня в виде каменной на-
броски. При размыве русла камень будет опускаться и прикрывать
внутренний откос и дно воронки размыва, защищая их от дальней-
шего размыва.
3. Устройство пола-трамплина. В конце укороченной рисбермы
(а иногда и в конце водобоя) (рис. 15.20, в), заканчивающейся, на-
пример ряжем, устраивают так называемый пол-трамплин в виде
щита ас. Этот щит может быть установлен на сваях или прикреп-
лен шарнирно в точке а к ряжу в виде деревянного плота. Сам
щит выполняют, например, из деревянных брусьев, причем часть
брусьев (через один) делают короче, благодаря чему концы брусь-
ев образуют как бы гребенку Ьс. Поток, сходя со щита, расщепля-
ется на отдельные струи и попадает в нижний бьеф. Под расщеп-
ленной струей образуется валец с горизонтальной осью, при этом1
придонные скорости вальца оказываются направленными в сторо-
ну плотины. В результате область А под щитом заносится грунтом;
этому способствует то обстоятельство, что благодаря эжекции во-
да засасывается струей из-под щита в отверстие, расположенное в
точке а. Что касается воронки размыва, то, как видно, она распо-
лагается на безопасном расстоянии от плотины.
§ 15.9. Крепление нижнего бьефа и нескальных берегов
в пределах водобоя и рисбермы
В пределах водобоя и рисбермы желательно иметь возможно
большее растекание потока, с тем чтобы удельные расходы воды,
Рис. 15.21. Расширение
русла в пределах водо-
боя и рисбермы.
Рис. 15.22. Два варианта компоновки кре-
пления нижнего бьефа:
/ — водобой; 2 — рисберма; 3 — предохранитель"
ный откос; 4 — ковш.
48
Чугаев
0,8 _0,8 24
25
ШШШ

14,0
7:1
26
^®иявиииш1Ёяй®
3,0
28
29
30
lJ7
15,0
10,5
Рис. 15.23. Примеры крепления нижнего
бьефа (нескальное основание) (разме-
ры в м):
а, в, г — основание — песок: б — основание —
валунный суглинок; / — гаситель; 2 — дренаж-
ные колодцы 0,4X0,4 м в шахматном поряд-
ке через 5,0 м; 3 — дренажные колодцы d=>
= 0,25 м; 4 — плиты 10,0X10,0X1,0 м и 5 —
10,0X10,0X0,8 м; 6 — каменная наброска 4>
>0,15...0,30 м; 7 — гравий; 8 — карьерная ме-
лочь 4=0,01...0,1 м; 9 — металлический шпунт
(Ларсена); /0 —плнты 10,0Х 10,0Х 1,2м; 11 —
плиты 15,0X10,0X1,6 м н 12 — 20,0X20,0X2,20 м;
13 — бетонная подготовка; 14 — обратный
фильтр 0,4 м; 15— дренажные колодцы 0.2Х
_ , , Х0,2 м; 16 — плнты 5,0X5,0Х 1,5 м; /7 —фа-
шинный тюфяк; 18 — обратный фильтр толщиной 1,05 м; 19 — камень 4=0,5 и; 20 — камень 4=0,2...0,4 м; 21 — зуб — ячеистая конструк-
ция из металлического шпунта; 22 — трехслойный обратный фильтр толщиной 1,0 м; 23— перфорированный металлический шпунт* 24 —
продольные бревна 4 = 18 см; 25 — насадочные брусья 20X22 см; 26 — брус 18X22 см; 27— брус 22X18 см; 28 — сухая кладка рваного' ’
камня толщиной 0,5 м; 29 — каменная наброска толщиной 0,6 м; 30 — слой гальки толщиной 0,2 м; 31 — слой гравия толщиной 0,2 м.
Рис. 15.24. Крепление, берегов в
пределах водобоя:
1 — подпорная стенка; 2 — водобой;
3 — строительный откос.
ное расширение струи. При
поступающей в неукрепленное рус-
ло нижнего бьефа, были наимень-
шие. Несмотря на это, расширять
русло в пределах крепления нижне-
го бьефа не следует более чем под
углом р (рис. 15.21), определяемым
равенством tg р=1/8... 1/10; если
примем большее значение угла (3,
то произойдет отрыв струи от боко-
вых стенок.
Большего растекания потока в
плане можно добиться только пу-
тем устройства растекателей, водо-
бойных порогов и т. п. Ощутимый
эффект благодаря растеканию струи
может быть получен при относитель-
но узком водосливном фронте, ког-
да, принимая угол р, указанный
выше, на длине водобоя и рисбер-
мы получают большое относитель-
широком водосливном фронте относи-
тельное расширение струи на длине водобоя и рисбермы наблюда-
ется ничтожное (только на толщину быков). Упомянутые растека-
тели могут служить также для борьбы со сбойностью течения воды.
С этой же целью на длину водобоя (или на часть этой длины) вы-
тягивают быки плотины.
Чтобы иметь в вижнем бьефе затопленный прыжок, назначают
отметку поверхности водобоя ниже отметки дна русла. В резуль-
тате крепление нижнего бьефа (рис. 15.22, а) будет располагаться
на одном уровне. В случае больших удельных расходов при не-
скальном основании крепление устраивают в две ступени (рис.
15.22,6). При этом образуется ковш. Откос АВ такого ковша на-
зывается предохранительным откосом.
На рис. 15.23 приведено несколько примеров крепления нижне-
го бьефа, относящихся к случаям нескального основания.
В пределах водобоя и рисбермы должно осуществляться также
и крепление берегов (нескальных). Высота подпорной стенки (рис.
15.24, а) принята такой, чтобы при высоких уровнях воды в ниж-
нем бьефе не получилось размыва каменной мостовой. В пределах
рисбермы берега покрывают тем же креплением, из которого вы-
полнена рисберма.
Иногда крепление берегов делают несколько облегченной кон-
струкции (рис. 15.24,6). Если к водосливной плотине примыкает
глухая плотина или здание гидростанции, то вопрос о креплении
берегов в нижнем бьефе должен решаться иначе, чем пояснено
выше.
50
Б. СЛУЧАЙ УСТРОЙСТВА ПЛОТИНЫ
НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
§ 15Л0. Проектирование устройств нижнего бьефа
В случае скального (или полускального) основания обычно раз-
личают два вида сопряжений сливной поверхности плотины с дном
нижнего бьефа: гладкое сопряжение и сопряжение с помощью вы-
сокого уступа.
1. Гладкое сопряжение сливной поверхности плотины с дном
нижнего бьефа. При наличии скального основания только в редких
случаях допускают отогнанный гидравлический прыжок за плоти-
ной. Как правило, при гладком сопряжении сливной поверхности
плотины с поверхностью скального (или полускального) основа-
ния предусматривают сопряжение бьефов по типу затопленного
гидравлического прыжка. Идя на такое сопряжение бьефов, име-.
ют в виду, что описанное в § 15.3 местное снижение уровня воды
непосредственно за плотиной,
получающееся при отогнанном
прыжке, может вызвать неже-
лательную фильтрацию воды в
трещинах скалы. Такая филь-
трация, направленная в сторо-
ну упомянутого местного сни-
жения уровня воды за плоти-
ной (рис. 15.25,а), будет обус-
ловливать возникновение
фильтрационных сил, которые
могут нарушить устойчивость
отдельностей скалы, образую-
щих поверхностный слой
скального основания в нижнем
бьефе.
Проектируя за плотиной за-
топленный прыжок, иногда
идут на некоторое снижение
дна нижнего бьефа за плоти-
ной (рис. 15.25,6). При этом
учитывают следующее: сни-
жая отметку дна русла за пло-
тиной (проектируя затоплен-
ный прыжок с определенной
степенью затопления), не-
сколько увеличивают удельные
расходы воды, сбрасываемой с
плотины в нижний бьеф, сле-
довательно, несколько умень-
шают ширину водосливного
фронта плотины, что в некото-
рых случаях бывает выгодно.
Рис. 15.25. Гладкое сопряжение сливной
поверхности плотины с дном нижнего
бьефа в случае скального основания:
/—местное снижение уровня воды за открЯ*
тым пролетом плотины; 2 — фильтрационный
поток (в трещинах скалы); 3 — понижение
дна нижнего бьефа; 4 — водобойная плита;
5 — анкеры.
51
Рис. 15.26. Пример крепления нижнего бьефа в случае скального основания (раз-
меры в м):
] — анкеры (в шахматном порядке).
Чтобы снизить толщину водобойной плиты, покрывающей скаль-
ное основание, эту плиту соединяют с основанием с помощью
стальных анкеров (рис. 15.25, в) диаметром 20...30 мм. Располага-
ют их в шахматном порядке на расстоянии 1,5...3,0 м друг от дру-
га. Глубина а заделки анкеров в скалу не превышает 3...5 м. Анке-
ры рассчитывают на растяжение силой Do (рис. 15.25, в). Иногда
глубину заделки анкеров в скалу назначают с расчетом, чтобы вес
водобоя и вес слоя скалы толщиной а (см. слой, заштрихованный
на рис. 15.25, в) могли противостоять (с известным коэффициен-
том запаса) дефициту давления Do.
На рис. 15.26 приведено устройство нижнего бьефа в случае
скального основания с применением водобойного колодца, в кото-
ром расположены соответствующие гасители энергии.
Устраивая анкеровку водобойной плиты, теоретически несколь-
ко снижают стоимость сооружения. Однако переходя к анкеровке,
приходится организовывать новый вид строительных работ, при-
чем в результате может и не быть ожидаемого экономического эф-
фекта. Иногда вместо анкеровки применяют дренаж водобойной
плиты, располагаемой на трещиноватой скале. В этом случае не-
посредственно под водобойной плитой устраивают сеть дренажных
канавок, заполненных гравием, причем в дне таких канавок дела-
ют вертикальные дрены; в самой же водобойной плите — дренаж-
ные отверстия. Длину водобойной плиты принимают равной длине
затопленного прыжка, отвечающего расчетным условиям сопряже-
ния бьефов (см. гл. 16).
2. Сопряжение сливной поверхности плотины с дном нижнего
бьефа с помощью высокого уступа. Высоту уступа а (см. рис.
14.1, в) в данном случае назначают несколько больше максималь-
ной глубины воды в нижнем бьефе. Когда струя воды отбрасыва-
ется с помощью высокого уступа от плотины на безопасное
расстояние, какого-либо крепления в нижнем бьефе делать не реко-
мендуют. При расходах воды весьма малых, когда силы сопротив
ления играют существенную роль, вода с носка может сливаться на
дно вблизи уступа плотины.
52
Считают, что мини-
мальное безопасное рас-
стояние / отброса струи
от плотины равно: а) в
случае прочного скаль-
ного основания — 0,4 Z;
б) в случае обычного
скального или полускаль-
ного основания—(0,5...
0,6)Z, где Z — напор на
плотине. Более совершен-
ным критерием, позволя-
ющим оценивать опас-
ность подмыва плотины
(при наличии высокого
уступа), является значе-
ние tg-Oo (рис. 15.27, а).
Этот критерий, предло-
женный X. И. Заировым,
позволяет также оцени-
вать сравнительную эф-
фективность носков раз-
личной конструкции, уст-
раиваемых на сливной
поверхности плотины (см.
§ 14.5). Вопрос о длине
I отброса струи от плоти-
ны (рис. 15.27,6) реша-
ется на основании правил
мыва воронки в скальном
пользоваться ВСН 07—65.
Рнс. 15.27. Сопряжение сливной поверхности
с дном ннжнего бьефа с помощью высокого
уступа:
1—воронка размыва; 2 — точка, определяющая по-
ложение оси воронки.
гидравлики. Что касается вопроса раз-
грунте за плотиной, то здесь следует
Глава 16. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
НИЖНЕГО БЬЕФА
§ 16.1. Общие сведения
Устройства нижнего бьефа при гладком сопряжении сливной
поверхности плотин с дном нижнего бьефа надо проектировать
так, чтобы при самых невыгодных условиях гидравлический пры-
жок был затоплен.
1. Затопленный гидравлический прыжок. Если уровень воды
в нижнем бьефе по каким-либо причинам поднимается, то валец
гидравлического прыжка начинает затапливать ниспадающую
струю, причем в результате мы получаем так называемый затоп-
ленный прыжок, который характеризуется наличием поверхностно-
го вальца, ограниченного сверху криволинейной поверхностью abc
j(pHC. 16.1) и снизу — резко расширяющейся транзитной струей.
53
Рис. 16.1. Прыжок за плотиной:
1 — затопленный прыжок; 2 — прыжок в сжатом сечении 1—/.
/ 2 3 4
Рис. 16.2. Деформация эпюры осредненных скоростей вдоль послепрыжкового
участка. г
Рис. 16.3. Схема графика пульсации продольной актуальной скорости (для дан-
ной неподвижной точки М пространства).
Обозначим через hc — глубину воды в сжатом сечении (для
случая, когда прыжок находится в сжатом сечении); через h" —
глубину, сопряженную с глубиной /гс; через h2— глубину, уста-
навливающуюся непосредственно за затопленным прыжком.
Как отмечалось выше, отношение h2lh''=A называется сте-
пенью затопления прыжка; длину 1П, измеряемую по горизонтали
от сечения 1—1, где имеется глубина hc, до сечения 2—2, наме-
ченного в конце поверхностного вальца, условно называют длиной
затопленного прыжка; отношение h2/hc=T\ (введенное Д. И. Ку-
миным) может быть названо коэффициентом вертикального расши-
рения струи.
Минимально допускаемая степень затопления прыжка Лтщ
должна получаться при наиболее невыгодных условиях сопряже-
ния бьефов. Опыты показывают, что при А« 1 поверхностный ва-
лец прыжка имеет особенно неустойчивое положение: он соверша-
ет постоянные поступательные движения то влево, то вправо, при-
чем водобойная плита испытывает переменную нагрузку. Имея в
виду это обстоятельство, а также учитывая, что значение А невы-
годно увеличивать (по экономическим соображениям), считают,
что минимально допустимое значение Лтщ доп= 1,05...1,20. Именно
на это значение А (примерно1 А= 1,3) и рассчитывают прыжок при
назначении отметки поверхности водобойной плиты.
Длину затопленного прыжка рекомендуют определять по фор-
муле /п = 6(/г2 — hc).
М. Д. Чертоусов для определения Zn дает более простую зави-
симость: 1п— (5,2...5,5) h2, где меньшее значение коэффициента в
скобках следует принимать при т]<;8 и большее — при т]>8.
2. Послепрыжковый участок. Рассчитывая турбулентный поток, оперируют
обычно продольными осредненными во времени скоростями в отдельных точках
потока. На рнс. 16.2 показаны для различных вертикальных сечений потока эпю-
ры таких продольных скоростей. Продольная осредненная во времени скорость
в данной неподвижной точке М пространства может быть пояснена с помощью
графика пульсации действительных (актуальных) продольных скоростей и3, пе-
ременных во времени. Как видно из графика (рис. 16.3), и=иа—и', где и' — так
называемая пульсационная продольная скорость, могущая иметь как положи-
тельное, так н отрицательное значение.
\ Если бы пульсации в данной точке М не было, т. е. если бы для точки М мы
имели v' = 0; v = va< то удельная кинетическая энергия (К. Э) в этой точке была
бы равна К.Эа-=0 = v2/(2g); при наличии пульсации в данной точке М удельная
кинетическая энергия оказывается равной
К-Э^о= °чУ/(2£)>
где ап — коэффициент, учитывающий интенсивность турбулентности (интенсив-
ность пульсации) в данной точке, ап>1.
Имея в виду сказанное, удельную кинетическую энергию, осредненную для
данного живого сечения, можно представить в виде
К.Э = асц2/(2я),
где v — средняя скорость в рассматриваемом живом сечении; а0 — обобщенный
корректив, учитывающий, согласно Д. И. Кумнну, два разных фактора: неравно-
мерность распределения скоростей v по живому сечению и интенсивность пуль-
сации актуальных скоростей va в отдельных точках живого сечения, ас=а+
+ ап. Значение ас изменяется по длине послепрыжкового участка, поэтому при
55
Рис. 16.4. Качественная картина гашения избыточной энергии на различных
участках потока (по Д. И. Кумину):
J— эпюра кинетической энергии, полученной из рассмотрения только осредненных ско-
ростей (с учетом их неравномерного распределения по живым сечениям); // — эпюра до-
полнительной кинетической энергии, обусловленной повышением пульсации скоростей;
И] — эпюра потерь напора.
одних н тех же средних скоростях о для разных живых сечений послепрыжково*
го участка получают неодинаковую кинетическую энергию.
Гидравлический прыжок резко изменяет структуру расположенного за ннм
потока, благодаря этому послепрыжковый участок, характеризуемый некоторой
средней скоростью, оказывается резко отличным по характеру движения воды от
равномерного потока, характеризуемого той же средней скоростью.
Непосредственно за прыжком в сечении 2—2 (см. рис. 16.2) получают сле-
дующее: а) эпюра А осредненных скоростей резко отличается по своей форме от
эпюры 5, свойственной равномерному движению (см. сечение 4—4); эпюра А ха-
рактеризуется большими придонными скоростями, поэтому при одинаковых сред-
них скоростях v размывающая способность потока в сечении 2—2 будет значи-
тельно больше, чем, например, в сечении 4—4, где имеется равномерное движение;
б) интенсивность турбулентности в сечении 2—2 будет резко увеличенной, в связи
с чем коэффициент ап, а следовательно, и коэффициент ас для данного сечения
будет особенно велик; по этой причине размывающая способность в сечении 2—2
дополнительно возрастает; в) пульсация давления как в толще потока, так и на
поверхности дна в сечении 2—2 также резко возрастает; она обусловливает коле-
бание свободной поверхности потока.
Поясненные возмущения, вызванные в сеченин 2—2 гидравлическим прыжком,
постепенно затухают, н в конце послепрыжкового участка получают эпюру осред-
ненных скоростей, пульсацию скоростей и пульсацию давлений, свойственные рав-
номерному движению. Значение коэффициента ас вдоль послепрыжкового участка
постепенно уменьшается до а=1,0...1,1. Только за сечением 4—4 можно пользо-
ваться максимально допускаемыми (неразмывающими) скоростями, поскольку они
относятся только к случаю равномерного движения.
Длина послепрыжкового участка Znn= (13...28)й2. Например, М. Д. Чертоусов
предлагает зависимость: /пп= (13,0...15,6)й2.
На рнс. 16.4 приведен несколько измененный график Д. И. Кумина, показы-
вающий качественную картину гашения избыточной энергии на различных участ-
ках потока; из этого графика видно, как вдоль потока изменяется удельная кине-
тическая энергия. После прыжка остается избыточная удельная кинетиче-
ская энергия 6 (К. Э). Это значение мало по сравнению с энергией, погашен-
ной до сечения 2—2\ однако в то же время 6 (К. Э) велика по сравнению с
кинетической энергией нижнего бьефа, равной ск>2/(2§)- Поэтому длина после-
прыжкового участка, на протяжении которого рассеивается энергия 6 (К. Э), ока-
зывается относительно большой.
56
Рис. 16.5. Кривые связи уровней
и расходов воды нижнего бьефа в
условиях установившегося движе-
ния воды:
1 — летняя; 2 — зимняя.
§ 16.2. Кривые связи уровней
и расходов воды нижнего бьефа
в условиях установившегося
движения воды
В нижнем бьефе плотины при ус-
тановившемся движении воды обыч-
но имеем естественные (бытовые)
уровни воды. Эти уровни при выпол-
нении гидравлических расчетов ус-
танавливают для различных расхо-
дов по кривой связи Q=/(VyHB),
построенной предварительно (до со-
оружения водосливной плотины)
для данного створа реки на основа-
нии гидрологических наблюдений
(рис. 16.5).
В зимних условиях благодаря ледяному покрову пропускная
способность русла уменьшается; при одном и том же уровне воды
Q3~ (0,4...0,6)<2л, где Q3 и Qn — соответственно зимний и летний
расходы. Как видно, для нижнего бьефа получают две кривые свя-
зи: летнюю и зимнюю. В связи с изменением толщины ледяного по-
крова, временным скоплением шуги и т. п. зимняя кривая связи в
течение зимы соответствующим образом деформируется. В тех слу-
чаях, когда на основании соответствующих исследований представ-
ляется возможным предвидеть образование за плотиной в зимний
период полыньи значительной протяженности, отметки УНБ опре-
деляют для зимнего периода по летней кривой связи.
При использовании этих кривых связи дополнительно необхо-
димо учитывать следующие обстоятельства. На данной реке ни-
же проектируемой плотины со временем может быть построен дру-
гой гидроузел. Тогда естественные кривые связи благодаря подпо-
ру, вызванному этим узлом, соответствующим образом изменятся.
При наличии наносов в реке, как известно, в начальный период
эксплуатации плотины в нижнем бьефе может происходить раз-
мыв русла, причем дно русла нижнего бьефа будет понижаться, в
связи с этим будут опускаться и кривые связи. В последующем,
если созданное плотиной небольшое водохранилище будет заиле-
но, в нижний бьеф начнет поступать вода, содержащая наносы,
тогда дно нижнего бьефа будет заиляться, причем кривые связи
могут повыситься.
§ 16.3. Исходные данные и основные параметры
и размеры устройств нижнего бьефа
Условия работы нижнего бьефа весьма сложны: а) величина q
может изменяться по ширине водосливного фронта (в связи с раз-
личным открытием отверстий), а также во времени; б) различны
во времени также расходы воды, пропускаемой через эксплуатаци-
57
онные отверстия; в) сброс воды в нижний бьеф может осущест-
вляться при неодинаковых WBB; г) в нижнем бьефе может быть
неустановившееся движение, при котором он будет наполняться
или опорожняться и т. п.
Расчетами охватить все многообразие возможных случаев ра-
боты нижнего бьефа нет возможности. Для установления размеров
отдельных элементов устройств нижнего бьефа принято, учитывая
поясненные выше обстоятельства, рассматривать в первом прибли-
жении, как правило, только два расчетных случая: основной и по-
верочный (см. § 16.6).
Для выполнения гидравлического расчета нижнего бьефа дол-
жны быть заданы: а) отметки НПУ и ФПУ; б) водосливной фронт
плотины; в) расходы хозяйственных и служебных водопропускных
отверстий; г) максимальный естественный расход для данного
створа плотины; д) кривые связи расходов и уровней нижнего бье-
фа в естественном состоянии реки (см. § 16.2); е) конструкции за-
творов водосливных отверстий плотины; ж) условия сброса льда
и плавающих тел в нижний бьеф; з) сведения об основании.
В результате рассмотрения указанных выше расчетных случаев
с помощью гидравлического расчета определяют (в первом при-
ближении) размеры нижнего бьефа или параметры, влияющие на
условия работы нижнего бьефа: а) отметку поверхности водобоя;
б) длину водобоя; в) длину рисбермы; г) глубину воронки размы-
ва за рисбермой; д) расчетный дефицит давления, действующего
на бетонные плиты крепления; е) размеры камней, образующих
рисберму; ж) глубину водобойного колодца или высоту водобой-
ной стенки; д) усилия, действующие на специальные гасители энер-
гии.
В случае достаточно ответственных сооружений полученные с
помощью теоретических расчетов значения всегда подвергают
уточнению на основании соответствующих экспериментальных ис-
следований.
Рассматривая различные условия работы нижнего бьефа, до-
полнительно приходится разрабатывать (в первом приближении)
так называемый эксплуатационный график маневрирования за-
творами. Этот график окончательно уточняется в процессе первых
лет эксплуатации плотины (на основании натурных наблюдений).
§ 16.4. Эксплуатационный график маневрирования затворами
Покажем поперечное сечение плотины (рис. 16.6, а) и вид ее
со стороны нижнего бьефа (рис. 16.6,6). При построении графика
маневрирования затворами будем пользоваться следующими обо-
значениями: е — открытие водосливного отверстия; q3— удельный
расход воды, пропускаемой через водосливное отверстие: g3=f(e);
q — частное значениие q3, получающееся при полном открытии во-
досливного отверстия [при е> (0,6...0,7)Я, где Н — заглубление
гребня плотины]; Ь — ширина одного отверстия; п — число отвер-
стий; В — ширина водосливного фронта; Q0K— расход воды, посту-
58
Рис. 16.6. К построению эксплуатационного графика маневри-
рования затворами.
лающей в нижний бьеф через эксплуатационные отверстия (хозяй-
ственные и служебные); /гн — глубина воды в нижнем бьефе; Qh.6—
расход воды в нижнем бьефе.
Проектируя сопряжение бьефов, необходимо получить затоп-
ленный прыжок. Этого добиться тем труднее, чем больше (или
q) и чем меньше hB. Поясним вначале некоторые общие положе-
ния, связанные с построением графика маневрирования затворами.
1. Зависимость условий сопряжения бьефов за данным отвер-
стием плотины от открытия соседних отверстий гидроузла. Усло-
вия сопряжения бьефов водосливным отверстием, через которое
пропускается расход воды Q а=РзЬ, зависят от глубины воды в
нижнем бьефе hB, которая, в свою очередь, зависит от расхода
Qh.6, a Qh.6 — от расхода Qcoc, сбрасываемого через соседние отвер-
стия (водосливные и эксплуатационные): QH.6 = Q3+Qcoc- Таким
образом, условия сопряжения бьефов за рассматриваемым отвер-
стием существенно зависят от того, насколько открыты соседние
отверстия гидроузла.
2. Зависимость условий сопряжения бьефов от времени напол-
нения нижнего бьефа. Условия сопряжения бьефов зависят также
от быстроты открытия отверстий и быстроты наполнения водой
нижнего бьефа. При поднятии уровня воды наблюдается неустано-
вившееся движение воды в нижнем бьефе. В процессе закрытия от-
верстий нижний бьеф должен опорожняться, причем уровень воды
в нем должен снижаться. В период снижения уровня воды также
имеем неустановившееся движение воды в нижнем бьефе.
Представим себе, что все водосливные отверстия закрыты. То-
гда в нижнем бьефе установится глубина ha, отвечающая (см. рис.
16.5) расходу Q3K- Допустим, что мгновенно открыли одно водо-
59
сливное отверстие. При этом сразу же через данное отверстие будет
сбрасываться в нижний бьеф удельный расход q\ однако в пер-
вое мгновение глубина воды в нижнем бьефе будет отвечать пре-
жнему расходу Q3K, только по истечении некоторого промежутка
времени, потребного для наполнения нижнего бьефа, глубина hn
нижнего бьефа увеличится и станет отвечать расходу QH.6 =
—QaK~\~qb.
Таким образом, в первое мгновение после открытия отверстий
плотины условия сопряжения бьефов будут относительно тяже-
лыми; затем по мере поднятия уровня воды в нижнем бьефе ус-
ловия сопряжения бьефов постепенно будут облегчаться. От та-
кого положения в значительной мере можно избавиться, если ус-
ловиться открывать отверстия плотины медленно, добиваясь для
любого момента времени возможно большего соответствия между
сбрасываемым расходом и глубиной воды в нижнем бьефе.
3. Зависимость мощности крепления нижнего бьефа от условий
эксплуатации плотины. По условиям эксплуатации плотины жела-
тельно иметь крепление, которое защищало бы нижний бьеф от
размыва; а) при любой самой невыгодной комбинации открытий
отверстий плотины; б) при любой быстроте открытий отверстий.
Однако такого рода крепление получается весьма мощным, а сле-
довательно, дорогостоящим; поэтому такого крепления стараются
избежать. Во многих случаях оказывается выгодным ограничивать
порядок и продолжительность времени открытия затворов в пери-
од эксплуатации плотины; при этом приходится составлять эксплу-
атационный график маневрирования затворами. В соответствии с
таким графиком и должно производиться открытие и закрытие от-
верстий плотины в процессе ее эксплуатации.
4. Примеры эксплуатационного графика маневрирования затво-
рами и отвечающие им расчетные гидравлические условия работы
нижнего бьефа. Имеются наиболее легкие условия сопряжения
бьефов, но вместе с тем наиболее тяжелые условия эксплуатации
плотины. В этом случае осуществляется одновременное медлен-
ное открытие всех отверстий с таким расчетом, чтобы нижний
бьеф успевал наполняться в соответствии со сбрасываемым с пло-
тины расходом. Такой график может быть принят, если имеются
стационарные подъемно-спускные механизмы у затворов.
Глубина воды Ан в нижнем бьефе практически будет отвечать
расходу установившегося движения воды в нижнем бьефе: QH.6 =
=n^3&+Q3K. Однако может оказаться, что некоторая часть затво-
ров находится почему-либо в неисправном состоянии. Если при-
нять, например, что 10 % затворов неисправны, то в этом случае
расчетный расход, исходя из которого следует устанавливать (по
кривым на рис. 16.5) глубину нижнего бьефа, будет равен QH.6 =
= 0,9 эк. В приведенных формулах в зависимости от откры-
тия отверстий удельный расход </3 может иметь различное значе-
ние: 0^<7з^д. В общем случае значение е и отвечающее ей значе-
ние q$, при которых наиболее трудно добиться затопления прыж-
ка, приходится определять путем подбора.
60
У затворов подъемного типа имеются подвижные подъемно-
опускные механизмы. Например, каждые семь отверстий плотины,
обслуживает один подъемный кран, который может открывать свои
семь отверстий по очереди, поднимая затворы ступенями высотой*
равной 0,5...1,0 м; после подъема одного затвора на 0,5...1,0 м его
закрепляют в поднятом положении, а кран передвигают на сосед-
ний пролет и поднимают другой затвор и т. д.
Если пренебречь временем наполнения нижнего бьефа, а так-
же временем перехода крана от одного затвора к другому, то рас-
четный эксплуатационный график получится практически такой же,
как и в предыдущем примере. Однако этим временем не всегда
представляется возможным пренебрегать. При этом условия со-
пряжения бьефов соответственно утяжеляются. Вообще при нали-
чии подвижных подъемных механизмов условия сопряжения бье-
фов получаются более тяжелыми, так как маневрирование затво-
рами в этом случае несколько затрудняется.
При расчете сопряжения бьефов в случае затворов с подвиж-
ными подъемно-опускными механизмами иногда поступают так:
рассматривают какое-либо одинаковое открытие всех водосливных
отверстий; устанавливают расход (2н.б = <7зВ и соответствующую,
ему глубину нижнего бьефа h'w (по кривым на рис. 16.5). Далее
считают, что все отверстия сразу открылись на одну ступень (на
0,5...1,0 м), причем через плотину начал мгновенно сбрасываться
новый увеличенный расход, равный (^н.б = йзВ. По этому расходу
QH.6 и ведут расчет сопряжения бьефов, принимая глубину воды в
нижнем бьефе равной ha (отвечающей прежнему расходу Он.б).
Имеются опускные автоматически действующие затворы, опус-,
кающиеся в камеру, устроенную в гребне плотины. В этом случае,
при построении графика маневрирования затворами иногда счита-
ют, что по каким-либо причинам один затвор «обогнал», например,
на 30'% открытия все остальные затворы, имеющие одинаковое от-
крытие. Тогда через данный затвор будет сбрасываться несколько
больший удельный расход, равный <?з. По этому расходу и следует
вести расчет сопряжения бьефов, определяя глубину hn нижнего
бьефа по расходу, сбрасываемому через всю плотину, равному
<2н.б=9з(В — Ь)Ч-Ь^з+Рэк, где Цз —удельный расход для отвер-
стия, имеющего нормальное открытие. '
Имеются подъемные затворы, расположенные на гребне' и не-
подтопленные со стороны нижнего бьефа. Рассмотрим два случая.
Случай, когда в верхнем бьефе имеется лед; при этом открытие
отверстия можно доводить только до е'ж (0,15...0,25) Я, после чего
отверстие плотины надлежит достаточно быстро открывать пол-
ностью. Дело в том, что при неполном открытии затвора, когда
е>е', отдельные льдины могут нырять под затвор, ударяться о не-
го, и затвор может повреждаться.
В связи с этим при построении графика маневрирования затво-
рами в случае наличия льда в верхнем бьефе поступают следую-
щим образом:
61
а) считают, что вначале были открыты все водосливные отвер-
стия на величину е'\ обозначая через q3 удельный расход q3, от-
вечающий открытию е' (рис. 16.6,6), можно показать, что q0~
~ (0,2...0,3) q, где q — удельный расход, отвечающий полному от-
крытию затвора. При принятых начальных условиях расход в ниж-
нем бьефе, по которому следует определять глубину нижнего бье-
фа Ан.расч, оказывается равным (?н.б.расч = <7о£4-Фэк= (0,2...0,3) (?В4-
-|-<2эк= (0,2...0,3)Q4-Q3K, где Q — расход, отвечающий полному от-
крытию всех водосбросных отверстий;
б) далее полагают, что одно отверстие мгновенно открывается
полностью (рис. 16.6,5). Удельный расход для этого открытого от-
верстия равен q. На этот расход в данном случае и следует вести
расчет сопряжения бьефов, принимая при этом глубину в нижнем
бьефе равной Лн.расч.
Случай, когда лед в верхнем бьефе отсутствует; при этом реко-
мендуют маневрирование затворами осуществлять так же, как и
в предыдущем случае, принимая е'= (0,45...0,50)Н. Здесь счита-
ют, что неполное открытие отверстий на значение, большее
(0,45...0,50) Я, нежелательно в связи с возможным прорывом воз-
духа под затворы, порождающим опасную вибрацию затворов. При
указанном значении е' расход, по которому следует определять
расчетную глубину нижнего бьефа, оказывается равным (?н.б.расч~
~ 0,5Q-(-Q3k.
5. Гидравлические расчеты, связанные с составлением графика
маневрирования затворами. Эти расчеты позволяют намечать наи-
более рациональную последовательность открытия отдельных от-
верстий плотины. В основу этих расчетов полагают следующие со-
ображения. Допустим, что вода может поступать в нижний бьеф
только через водосливные отверстия; отверстия ГЭС и другие экс-
плуатационные отверстия закрыты или отсутствуют. Будем счи-
тать, что в данный момент времени открывается только одно во-
досливное отверстие плотины; все остальные водосбросные ее от-
верстия закрыты. Расход воды, сбрасываемой при этом через
плотину,
<2пл = <7зЬ. (16.1)
Считаем, что открытие данного отверстия осуществляется до-
статочно медленно; при этом полагаем, что всегда
Qc.6 = Qnn. (16.2)
Покажем теперь на рис. 16.7, а истечение из-под затвора, уста-
новленного на гребне плотины, причем наметим сжатое сечение
1—1 и через й] обозначим глубину в этом сечении. Зная Е, глуби-
ну hi легко найти по обычным формулам гидравлики. Очевидно,
hi будет изменяться с изменением открытия е отверстия, так как
будет изменяться q3. Для каждой глубины hi по основному урав-
нению гидравлического прыжка можем определить вторую сопря-
женную глубину, т. е. так называемую глубину фиктивного прыжка
Ла. Легко видеть, что при £'=const (рис. 16.7, в)
62
Чз-£

ha = he, или ha = fzq3. (16.3)
Учитывая выражения (16.3) и (16.1), можно видеть, что
^а==/зСпл« (16.4)
По зависимости (16.4) на рис. 16.8, а построена кривая /'. Нане-
сем теперь на этот график кривую // связи уровней воды с расхо-
дом воды в нижнем бьефе, т. е. кривую
<2н.б = Лйа. (16.5)
при этом учитываем соотношение (16.2).
Как видно, кривые Г и II пересекаются в некоторой точке
Этой точке отвечает равенство
= (16.6)
Следовательно, точка а.\ будет отвечать случаю, когда при от-
крытии одного отверстия гидравлический прыжок устанавливается
в сжатом сечении.
Зона А открытия отверстия (см. рис. 16.8, а) отвечает условию
Аа>/1а, (16.7)
следовательно, зона А соответствует случаю, когда сопряжение
бьефов по типу затопленного прыжка.
Зоне Б отвечает условие '
hB<hK, (16.8)
следовательно, зона Б соответствует случаю, когда сопряжение
бьефов по типу отогнанного прыжка, что недопустимо.
Итак, осуществлять открытие одного рассматриваемого отвер-
стия следует только до тех пор, пока
е — elt (16.9)
63
пл
Рис. 16.8. К построению графика маневри-
рования затворами.
где 61 — открытие, соответ-
ствующее точке ai графика
(при открытии получает-
ся расход Q^n, показанный
на графике).
Дальнейшее открытие
одного отверстия недопус-
тимо, поэтому при нараста-
нии паводка приходится от-
крывать второе отверстие.
При этом можно достаточ-
но быстро открыть второе
отверстие до ei (без риска
получить в нижнем бьефе за
этим отверстием отогнан-
ный прыжок); после этого
одновременно, начиная от
точки т (рис. 16.8,6), от-
крывают оба рассматривае-
мые отверстия (см. участок
кривой та2). Такое откры-
тие двух отверстий ведут до
значения е2, при котором
прыжок оказывается в сжа-
том сечении [см. кривую 1"
на рис. 16.8,6, представля-
ющую собой зависимость
(16.4), где Qan исчисляется
не для одного, а для двух
отверстий]. Далее обраща-
ются к третьему отверстию,
которое можно вначале от-
крыть достаточно быстро до
е2. После этого ведут одно-
временное открытие трех
отверстий до значения е3
при котором снова получа-
ется прыжок в сжатом сечении) и т. д.
Планируя открытие водосливного фронта, согласно поясненной
выше схеме, не получают в нижнем бьефе отогнанного прыжка.
Значения ei, е2, ез,... можно определить графически. Рассмотрим этот вопрос
с учетом дополнительного расхода воды Qr3C, пропускаемой в нижний бьеф
через гидростанцию (см. рис. 16.17,6). При этом поступают следующим образом.
Строят кривую II связи, как показано на рис. 16.8, в. Начало этой кривой пе-
ренесено из точки О в точку 01 на расстояние, равное ОГэс =const, При этом по-
лучают, что для точки О, когда все водосливные отверстия еще закрыты, Qn.6 =
=<2ГЭС • в Дальнейшем при открытии водосливных отверстий расход QH.6 будет
нарастать и равняться Qn.6=Qrgc + Опл- Построив кривую II, задаются рядом
глубин йа (см. рис. 16.17, в), причем для каждой такой глубины определяют свой
расход q3. Имея, таким образом, зависимость q3=f(ha), строят на рис. 16.8, в (при
начале координат в точке О) следующие кривые: а) кривую Г согласно зависимо-
64
сти Qnn = l<73b = f з(М’> б) кривую /"согласно зависимости Qnn=2qsb=f 3(Ла);
1>) кривую Г" согласно зависимости Qnn=3q3b = f3 (Ла) и т. д., где 1, 2, 3,... — чи-
сло открываемых отверстий. Эти кривые (Г, /", Г",...) пересекаются с кривой
связи // в точках аь а2, аз, , которым отвечают искомые открытия отверстий
<ь е2, е3,... Кривые Г, I", I"',... представляют собой зависимости ha=f(Qan), по-
лучаемые соответственно: а) при открытии только одного отверстия; б) при од-
новременном открытии трех отверстий и т. д.
f 16.5. Особенности движения воды в нижнем бьефе
1. Пространственные условия движения воды в нижнем бьефе.
Ширина русла в нижнем бьефе обычно больше ширины водослив-
ного фронта. Такое положение обусловливает пространственную
картину движения воды в нижнем бьефе. Особенностью простран-
ственных условий движения воды является то обстоятельство, что
в пределах нижнего бьефа образуются поперечные уклоны свобод-
ной поверхности, порождающие поперечные токи воды. За отвер-
стием, пропускающим наибольший удельный расход, устанавлива-
ется более низкий уровень воды в нижнем бьефе. Поэтому попереч-
ные токи воды в области нйЖнего бьефа будут направлены к тем
местам, где имеются большие расходы. В результате расход от-'
носительно мощных струй, выходящих из отверстия, вдоль потока
будет увеличиваться. Встречаются и другие случаи пространствен-
ного движения воды, когда удельный расход относительно мощных
струй по длине потока уменьшается. «.
Необходимо'различать два вида сбойности: сбойность оси пото-
ка (в плане) и сбойность расхода, когда значение q увеличивается
вдоль оси потока (за счет притока воды с боков); сама же ось по-
тока (в плане), может и не искривляться.
Случаи, когда удельные расходы отдельных струй, выходящих
из отверстия, увеличиваются вдоль течения. В обоих случаях, по-
казанных на рис. 16.9, а и б причем струя, выходящая из
отверстия и поступающая в широкий нижний бьеф, может прижи-
маться или к правому, или к ле-
вому берегу (рис. 16.9,5). Как
видно, здесь одновременно име-
ют место обе отмеченные сбойно-
сти. Можно различать устойчи-
вую сбойность, когда картина
движения воды в нижнем бьефе
после нарушения ее какими-либо .
внешними причинами восстанав-
ливается снова в начальном ви-
де, и неустойчивую сбойность
струи потока, когда "Эта струя в
силу тех или других случайных
обстоятельств меняет (во време-
ни) свое положение (см. рис.
16.9,6).
На поведение струи, выходя-

Рис. 16.9. Случаи сбойности потока.
| Р. Р. Чугаев
65
щей из отверстия, в значительной мере может влиять крепление
нижнего бьефа, длина бычков, симметричность или несимметрич-
ность открытия отверстий и т. п. Если бы мы попытались запроек-
тировать крепление с учетом сбойностей, то это крепление могло
получаться весьма мощным, а следовательно, дорогостоящим. По-
этому часто борются с возможностью возникновения самой сбой-
ности.
Здесь намечаются следующие пути (согласно Д. И. Кумину):
а) прежде всего при составлении эксплуатационного графика ма-
неврирования затворами необходимо исключить те схемы, которые
явно могут порождать нежелательную сбойность. Если для сброса
льда надо открыть только один пролет, то следует решить, какой
именно пролет. Иногда вообще не следует допускать открытия од-
ного пролета, а открывать сразу два или три; б) если эксплуата-
ционных мер для борьбы со сбойностью недостаточно, то необхо-
димо предусматривать различные дополнительные конструктивные
меры: вытягивать быки плотины на водобой; при этом можно вы-
тягивать не каждый бык, а через один, два (и реже); устраи-

Рис. 16.10. Случаи растекания пото-
ка.
вать особые гасители, вызываю-
щие растекание потока и т. п.
Разумеется, все перечисленные
меры могут быть намечены с до-
статочной уверенностью только
на основании лабораторных опы-
тов, к которым и следует обра-
щаться в соответствующих слу-
чаях.
Таким образом, при расчетах
сопряжения бьефов резко выра-
женные сбойности учитывать не
следует. Небольшую сбойность
расхода при расчете рисбермы в
Рис. 16.11. Приведение пространственно-
го движения воды (в нижием бьефе) к
плоскому:
1 — гидравлический прыжок, затопляемый о
боков (в плайе); 2 — расчетная струя (в пла-
не).
66
некоторой мере можно учитывать путем увеличения удельного рас-
петого расхода (в пределах рисбермы), например, на 20...30 %.
Случаи, когда удельные расходы отдельных струй, выходящих
из отверстий, уменьшаются вдоль течения. Такое уменьшение
удельных расходов получается за счет растекания струй в нижнем
бьефе: растекание потока за быками на ширину быков (рис.
16.10, а); отверстия открыты через одно (рис. 16.10,6); поток за-
щищен от притока воды с боков направляющими стенками, кото-
рые при этом дают возможность потоку расширяться в плане (рис.
16.10, в).
При наличии широкого водосливного фронта уменьшение удель-
ного расхода за счет растекания потока в нижнем бьефе получа-
ется ничтожным и с ним можно не считаться. Практически расте-
кание потока имеет смысл учитывать в случае растекания его за
быками (рис. 16.10, а) при определении сжатой глубины, считая,
что удельный расход в сжатом сечении равен <7 = <Зотв/Ь2, где Ь2—
расстояние между осями быков и QOTb — расход, сбрасываемый
через одно рассматриваемое отверстие, причем Q0TB определяется
по обычной формуле водослива, подставляя в нее как ширину во-
дослива величину Ь[. Однако если работает только одно отверстие
при закрытых соседних, т. е. если мы имеем случай, когда приток
воды с боков к струе не затруднен, то при этом мы больше при-
близимся к действительности, если сжатую глубину будем опре-
делять исходя из удельного расхода g = Q0TB/bi..
2. Расчет сопряжения бьефов. Некоторая пространственность
Движения воды дополнительно обусловливается еще тем, что по-
ток обтекает специальные гасители энергии. Пренебрегая, одна-
ко, этой «местной пространственностью» движения воды, часто в
качестве расчетной схемы можно наметить плоское движение во-
ды. Действительно, при достаточно большой ширине bi всегда мо-
жем наметить по оси отверстия струю потока шириной 1 м, которую
можно рассчитывать в условиях плоской задачи (на рис. 16.11 по-
казана штриховкой). В этом случае может получиться пространст-
венный гидравлический прыжок, обусловливающий дополнитель-
ное затопление транзитной струй с ее боков. Однако этим затопле-
нием часто в запас можно пренебречь.
Полное затопление струи с боков на плоском водобое (по всей
ширине струи) достигается при глубине нижнего бьефа hH = 2/3h",
где h" — вторая'сопряженная глубина, найденная по уравнению
прыжка для плоского потока. В связи с натеканием и засасывани-
ем транзитным потоком смежных масс воды на рисберме происхо-
дит увеличение удельных осредненных расходов в 1,5...2,0 раза.
Принимая для расчета плоскую задачу, задаются исходными
условиями (для расчета движения воды в нижнем бьефе): а) от-
меткой уровня воды в верхнем бьефе (V УВБ); б) удельным рас-
ходом воды, сбрасываемой через плотину, q; в) отметкой уровня
воды в нижнем бьефе (V УНБ), во многих случаях определяемой
в соответствии с кривой связи QH.6=f (УУНБ).
5*
67
§ 16.6. Размывающая способность потока в пределах
послепрыжкового участка
Ограничимся рассмотрением нескольких практических задач,
встречающихся при проектировании устройств нижнего бьефа.
1. Подбор крупности материала, покрывающего дно горизон-
тального русла в пределах послепрыжкового участка' Крупность
материала (камня, гравия, песка) должна быть подобрана так,
чтобы он не размывался потоком и стоимость его была наимень-
шей. С помощью гидравлического расчета следует установить ми-
нимально допустимую крупность такого материала. Поскольку в
пределах послепрыжкового участка размывающая способность по-
тока по течению снижается, то, естественно, и искомая минималь-
но допустимая крупность фракций защитного материала также
должна снижаться по течению.
Рассмотрим случай, когда русло нижнего бьефа горизонтально
(ковш, т.е. вторая ступень крепления, отсутствует), причем ниже
(по течению) послепрыжкового участка размыв русла не имеет
места.
Случай, когда гасители энергии на водобое отсутствуют. Наме-
тим на рис. 16.12 два сечения: 4—4 — в пределах послепрыжкового
участка и б—6 — в пределах русла нижнего бьефа непосред-
ственно за послепрыжковым участком, где уже имеется равномер-
ное движение. Обозначим через Уо— среднюю скорость равномер-
ного движения (т. е. среднюю , скорость в сечении 6—6) и через
v — среднюю скорость для сечений, намеченных в пределах после-
прыжкового участка (см. сечение 4—4), где равномерное движение
отсутствует.
Так как глубины воды на длине русла от сечения 2—2 и до.се-
чения 6—6 (см. рис. 16.12) примерно одинаковы (в частности,
ft4»/i6), то заключаем, что и средние скорости на длине данного
русла также примерно одинаковы, т. е. v = const.
Размывающая способность потока вдоль послепрыжкового уча-
стка (по течению) снижается главным образом за счет уменьше-
ния придонных осредненных скоростей и по течению. Имея это в
виду, можно утверждать, что максимально допустимая скорость
Утах вдоль послепрыжкового участка должна по течению увеличи-
ваться — кривая vmax=f2 (*), относящаяся к некоторой опреде-
ленной крупности d защитного материала, постоянной вдоль все-
го русла (d=const).
Коэффициент размывающей способности потока
= Уотах/Ущах»
где Уотах — максимальная допустимая скорость в случае равно-
мерного движения, относящаяся к той же крупности фр акций, что и
Vmax*
Д. И. Кумин йа основании лабораторных опытов составил гра-
фик для определения коэффициента k (рис. 16.13), на котором
обозначено: h2 — глубина воды на послепрыжковом участке и за
68
Рис. 16.12. К расчету крупности фракций материала в пределах послепрыжко-
вого участка. График изменения вдоль этого участка максимально допустимой
скорости Ошах(в случае покрытия русла в пределах послепрыжкового участка
материалом одинаковой крупности: d=const вдоль потока).
Рис. 16.13. График для определения коэффициента k размывающей способно-
сти потока.
ним (A2«/i4»A6) ; х — абсцисса, определяющая положение рас-
сматриваемого живого сечения, намеченного в пределах послепрыж-
кового участка (см., например, сечение 4—4); абсцисса х измеря-
ется от сжатого сечения 1—/; т]—коэффициент вертикального рас-
ширения транзитной струи в пределах прыжка: -r\ = h2/hc.
Можно для любого сечения послепрыжкового участка опреде-
лить
x/h2).
Пользуясь этим графиком и решают поставленную задачу:
а) намечают в пределах послепрыжкового участка сечение 4—
4 (см. рис. 16.12), для которого необходимо найти предельно мини-
мальное d (диаметр камня, частиц гравия или песка);
б) устанавливают параметры ц и xlh2,
в) находят коэффициент k, которым характеризуется данное
сечение 4—4;
г) определяют среднюю скорость v в сечении 4—4; v = q/h2-,
д) полученной средней скорости приписывают значение макси-
мальной допустимой скорости, т. е. vmax=v=q/h2',
е) зная максимально допустимое значение средней скорости
Утах для послепрыжкового участка и значение k для сечения 4—
4, определяют соответствующую сечению 4—4 максимально допу-
стимую скорость равномерного движения vOmax=kvmax=kq/h2;
ж) наконец, по найденной соответствующей скорости Уотах ус-
танавливают необходимую крупность фракций в рассматриваемом
сечении 4—4.
Для решения последнего вопроса необходимо для условий рав-
номерного ДВИЖеНИЯ Иметь завИСИМОСТЬ Уотах = f3'(d), с помощью
которой в случае равномерного движения обычно определяют мак-
симально допустимую скорость Уотах в зависимости от крупности
фракций грунта, слагающего дно канала. • '
В качестве такой зависимости можно пользоваться формулой
Д. И.. Кумина yOmax=39,2 d°’3h°’2, где h=h2; Уотах — в см/с; d и
h — в см.^_
В табл. 16.1 приводятся допускаемые значения Уотах, вычислен-
ные по этой формуле.
Таблица 16.1
d, см Л/ м
1 2 4 6 8 ' 10 15 20 25 30

0,5 0,80 0,92 1,05 1,14 1,21 1,27 1,37 1,46 1,52 1,58
1 0,98 1,13 1,30 1,41 1,50 1,56 1,69 1,80 1,87 1,95
2 1,21 1,39 1,60 1,74 1,84 1,92 2,08 2,21 2,31 2,40
4 1,49 1,72 1,96 2,14 2,27 2,06 2,56 2,72 2,84 2,95
6 1,68 1,93 2,22 2,41 2,56 ' 2,66 2,90 3,06 3,20 3,33
8 1,84 2,11 . 2,42 2,63 2,79 2,91 3,16 3,35 3,49 3,63
10 1,96 2,25 2,52 2,81 2,98 3,10 3,37 3,57 3,73 3,88
70
Наряду с формулой Д. И. Кумина можно также рекомендовать формулу
Г. И. Шамова:
fomax = 4,6d1/3 ft1/6,
где drift— в м; иОтах — в'м/с. Формулу Г. И. Шамова для решения описанной
выше «обратной задачи» удобно представить в виде
J °>01и0тах 0,01 / kq \3
U Лг *** — __ I 1 ,
* - Vh Vh2\h2 !
Формула Д. И. Кумина, как и формула Г. И. Шамова, применима, строго го-
воря, только при 0,02 cM<d<10 см.
Приведенный выше расчет следует проводить для нескольких различных
уровней воды в нижнем бьефе, так как заранее нет возможности установить,
при каком именно горизонте воды в нижнем бьефе получится наибольшая круп-
ность материала, защищающего русло, т. е. та крупность, исходя из которой И
следует окончательно проектировать крепление нижнего бьефа.
Случай, когда в пределах водобоя установлены гасители энергии. Наличие
на водобое удачно запроектированных гасителей энергии уменьшает коэффици-
ент размывающей способности потока ft, найденный для данного живого сечения
4—4 в предположении отсутствия гасителей. Однако уменьшение ft можно уста-
новить только с помощью лабораторных опытов. Приведем ориентировочные ре-
комендации, которыми можно пользоваться при эскизном проектировании: а) ес-
ли отметка водобоя рассчитана с учетом установки гасителей энергии (см.
прилож. А), то значение коэффициента следует брать по графику на рис. 16.13.
Глубина hi при наличии гасителей будет несколько меньшей, чем при отсутствии
их, поэтому значение ft, найденное по графику на рис. 16.13, получи^ для рас-
сматриваемого сечения 4—4 также несколько меньшее, чем в случае отсутствия
гасителей; б) если отметка водобоя рассчитана (см. прилож. А) без учета уста-
новки гасителей (гасители поставлены только для успокоения потока и диссипа-
ции избыточной энергии), то коэффициенты, найденные по графику на рис. 16.13,
следует уменьшать на 10...20 %. Далее расчет крупности материала, образующего
дно, следует вести, как указано в предыдущем пункте.
Рис. 16.14. К расчету крупности фракций материала, слагающего дно ков
ша (случай вертикального предохранительного откоса АВ),
71
2. Определение крупности устойчивого кам-
ня для поверхности дна ковша. Глубина воронки
размыва. х
Случай вертикального предохранительного
откоса АВ. Расчет глубины воронки размыва. Об-
щий ход расчета минимального диаметра d устой;
чивого камня в случае схемы на рис. 16.14, ci
может быть намечен следующий:
а) задаемся длиной х0 крепления в пределах
1;й степени, причем для точки А, определяемой
абсциссой хо, по графику рис. 16.13 (исходя из
глубин Л2 и Лс и расстояния ха) находим k и
обозначаем ее через kA;
б) задаемся высотой уступа ,ак — глубиной
ковша (рис. 16.14, б) и по нижеследующей фор-
муле вычисляем коэффициент размывающей спо-
собности диа ковша в районе точки В:
= (’+₽)•
где дополнительный коэффициент р, учитываю-
щий повышение интенсивности турбулентности
потока, вызванное уступом АВ,
Р = 1,5 (ак//13)1,5
или по графику на рис. 14.15 в зависимости от отношения arJh^ причем здесь
_ ~ ак + h2;
в) средняя скорость в ковше будет равна
vb =
г) максимально допускаемая (неразмывающая) скорость равномерного ре-
жима (при глубине йз), соответствующая скорости vB,
vmaxs = kB vb ;
д) зная огаахв по формулам или табл'. 4.1, находим искомую величину dB
(минимальный диаметр устойчивого камня в районе точки В).
Обратимся теперь к расчету глубины воронки размыва, образующейся за
укороченным креплением, причем будем рассматривать только случай, когда ес-
itc: венное русло образовано несвязным (сыпучим) грунтом.
Необходимо подчеркнуть, что с некоторым приближением минимальную
крупность камня (пли песка, или гравия), являющегося устойчивым на дне
воронки размыва (см. рис. 14.14,6), можно определить по р'йс. 16.14, а, т. е. при
расчете полагают естественный откос АВ воронки размыва вертикальным. Опре-
делив таким образом dB (задавшись и ак, где ак — глубина воронки размыва),
можно утверждать следующее: если найденное значение dB окажется равным ди-
аметру частиц естественного песка, слагающего дно ковшар т. е. dB=deci, то на
дне ковша можно не делать крепления. В этом случае ак представляет собой
глубину воронки размыва, образующейся в конце укороченного крепления.
Случай наклонного предохранительного откоса. Для приближенного опреде-
ления диаметра устойчивого камня следует поступать точно так же, как и в слу-
чае вертикального откоса АВ (см. рис.16.14, а), с той только разницей, что ко-
эффициент р, найденный по графику на рис. 16.15, должен уменьшаться: на
20 % при т = 3; на 40 % при щ=4; на 60 % при т=5, где m=ctg,8'; О' — угол
наклона предохранительного откоса к горизонту.
72
Глава 17. ПОДЗЕМНЫЕ ЧАСТИ ПЛОТИН
НА НЕСКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
§ 17.1. Общие сведения
Подземным контуром плотины называют обычно линию, кото-
рая ограничивает снизу водонепроницаемые и маловодопроницае-
мые элементы плотины, соприкасающиеся непосредственно с грун-
том основания (см. линии 1—2—3—а—4—5—б—6 на рис. 17.1).
Под' рациональным подземным контуром плотины понимают
такой подземный контур из ряда возможных, при котором, с од-,
ной стороны, плотина и ее основание будут прочны и устойчивы, о
другой, в наиболее рациональной форме будут сочетаться следую-
щие условия: а) экономичность плотины; б) простота производства
строительных работ; в) сроки выполнения этих работ; г) возмож-
ность использования для постройки плотины местных строительных
материалов; д) удобство эксплуатации сооружения.
Необходимо учитывать, что фильтрационный поток воды, дви-
жущийся в порах грунта основания, омывает подземный контур
плотины и затем выклинивается в нижний бьеф. При этом возни-
кают следующие обстоятельства, обусловленные фильтрацией, ко-
торые необходимо учитывать при проектировании плотин: 1) филь-
трационный поток производит давление снизу на плотину. Это дав-
ление, называемое противодавлением, следует учитывать при
расчете устойчивости плотин; 2) из верхнего бьефа происходит утеч-
ка воды в нижний бьеф. Очень часто этими потерями воды можно
пренебречь. Однако в некоторых случаях они могут иметь значение,
и потому мы должны уметь их определять; 3) фильтрационный по-
ток может нарушать фильтрационную прочность грунта, при этом
под воздействием фильтрационного потока 'может происходить:
а) внешняя суффозия по линии дна нижнего бьефа 6—В (см. рис,
17.1); б) внутренняя суффозия в толще основания плотины, напри-
мер на контактах мелкозернистых и крупнозернистых грунтов; та-
УВБ
' -А
' Рис. 17.1. Бездренажный понур и тело плотины (схема 1):
А—1 и 6—В — соответственно входное и выходное живые сечения;
/ — понур; // — шпунт; /// — обратный фильтр.
73
кая суффозия может возникать также в связи с раскрытием в грун-
те сосредоточенных ходов фильтрации; в) местный фильтрацион-
ный выпор грунта в нижний бьеф в области участка б—6 подзем-
ного контура (см. рис. 17.1)'.
Выше (см. § 2.5 и 2.6) мы отмечали, что необходимо различать:
казуальную и нормальную фильтрационные прочности грунта.
Казуальная фильтрационная прочность грунта (равно как и
некоторые виды нормальной -фильтрационной прочности грунта)
Должна оцениваться и'ли-скоростью фильтрации v = ki, или (что
более удобно) градиентом напора i=A/i/A/.
При проектировании подземной части плотины необходимо пре-
жде всего наметить рациональный подземный контур ее.
В общем случае задача о выборе рационального подземного
контура плотины решается следующим образом: 1) применительно
к Данным конкретным условиям выбирают принципиальную схему
подземного контура (см. § 17.2); 2) далее с помощью расчетов на-
мечают в соответствии с данной принципиальной схемой ряд вари-
антов подземного контура, равнопрочных как в отношении устой-
чивости самой плотины" так и в отношении фильтрационной проч-
ности грунта основания. Устойчивость плотины и фильтрационную
прочность грунта оценивают расчетами (см. § 17.6, 17.7 и гл. 19);
3) получив ряд равнопрочных вариантов контура, характеризуемых
приемлемым запасом прочности, рациональный контур устанавли-
вают методом сравнения вариантов с учетом условий, перечислен-
ных в начале настоящего параграфа.
Для сокращения числа сравниваемых равнопрочных вариантов
необходимо пользоваться различными правилами, позволяющими
сразу же отбрасывать варианты, являющиеся нерациональными с
точки зрения производства работ или явно .неэкономичными. До-
полнительно при проектировании и устройстве подземного контура
необходимо пользоваться также комплексом правил, обеспечиваю-
щих получение в натуре условий, которые учитывались при стати-
ческом расчете плотины и при расчете фильтрационной прочности
ее основания.
§ 17.2. Принципиальные схемы подземного контура плотин
При проектировании подземного контура плотины надлежит раз-
личать следующие шесть принципиальных схем подземного конту-
ра.
1. Бездренажные понур и тело плотины (см. рис. 17.1). Здесь
под плотиной и понуром нет дренажа; входным живым сечением
фильтрационного потока является поверхность дна верхнего бьефа
А—/; выходным живым сечением — поверхность дна нижнего бье-
фа 6—В, как правило, прикрытая сверху креплением с обратным
фильтром. . .
2. Плотина с горизонтальным дренажем (рис. 17.2). Здесь не-
посредственно под плотиной устроен горизонтальный дренаж, за-
щищенный снизу обратным фильтром; выходным живым сечением
74
W7777777777/77/777777777777777//7777777777777777///////7777/7W^
Рис. 17.2. Плотина с горизонтальным дренажем (схема 2):
А-<-1 и 6—В — соответственно входное и выходное живые речения;
Г—понур; // — шпунт; /// — дренажная галерея; IV — дренажный
колодец высотой 1...2 м; V—обратный фильтр; VI— дренаж.
Ш
Рис. 17.3. Плотина с горизонтальным дренажем анкерного
понура (схема 3):
I — обратный фильтр; II — дренаж; III — железобетонный анкерный
понур; IV — шарнир; V — арматура.
Рис. 17.4. Плотина с дренажем верховой грани (схема 4)::
/•—понур; // — дренаж; III — обратный .фильтр.
в данном случае можно считать линию 6—В, пренебрегая при
фильтрационных расчетах низовым зубом плотины; подземным кон-
туром плотины является линия 1—2—3—а—4—5—6.
3. Плотина с горизонтальным дренажем понура (рис. 17.3).
Линия 5—6—В является выходным живым сечением, а линия 1—
2—3—4—5 — подземным контуром.
4. Плотина с дренажем верховой грани (рис. 17.4). В этом слу-
чае выходным живым сечением надлежит считать линию 5—В—С,
пренебрегая при фильтрационных расчетах верховым и низовым
зубьями плотины; йодземный контур представляет собой линию 1—
2—3—4—5. Если дренирование напорной грани производится на
небольшую высоту, понур плотины может оказаться горизонталь-
ным.
5. Плотина с вертикальным дренажем (рис. 17.5). В этом слу-
чае одна из приведенных выше схем усложняется дополнитель-
ным устройством одного или нескольких рядов глубоких дренаж-
ных колодцев; они могут располагаться или в области нижнего
бьефа, или под плотиной, или под понуром. Как видно, здесь вы-
ходное живое сечение развивается за счет устройства колодцев,
причем напор в определенной зоне основания (на боковой поверх-
ности колодцев и их дне) доводится до напора нижнего бьефа.
6. Глубинная схема подземного контура (рис. 17.6). В этом слу-
чае водопроницаемое основание на всю его глубину до водоупора
пересекается диафрагмой, выполненной или глубоким бетонным
зубом (рис. 17.6, а), или шпунтовым свайным рядом (рис. 17.6, б).
Водопроницаемое основание может пересекать одна диафрагма
или несколько. В некоторых случаях бетонный глубокий зуб заме-
няют зубом (замком), выполненным из глинистого грунта.
В настоящее время наиболее часто применяют схемы J, 2 и 6.
Из первых пяти схем схему I (см. рис. 17.1) следует использо-
вать, когда нет уверенности, что обратный фильтр будет работать
нормально (с течением времени не закольматируется), а. также
когда плотина, запроектированная по-схеме I, оказывается более
экономичной, чем плотина, запроектированная по схемам 2...5 (что
встречается относительно редко). В остальных случаях необходимо
обращаться к одной из схем, имеющих в своем составе дренаж
Рис. 17.5. Плотина с вертикальным дренажем (схема 5):
/ — ряд дренажных колодцев; // — обратный фильтр.
76
Рис 17 6. Глубинная схема подземного контура (схема 6):
/ — зуб; //-водоупор; ///-шпунт; Р-Р-Р - пьезометрическая линия.
под телом плотины или под понуром. Заиления правильно постро-
енного обратного фильтра следует опасаться при наличии несвяз-
ных мелкозернистых илистых и пылеватых грунтов, защищаемых
обратным фильтром. При таких грунтах следует применять схему
1; когда же основание плотины образовано связным грунтом, схе-
му 1 не применяют. В сомнительных случаях приходится ставить
специальные опыты в лаборатории.
Схема 2 (см. рис. 17.2) характеризуется тем, что вдоль линии
6—В, а также под подошвой низового зуба напор может быть при-
нят постоянным,-отвечающим горизонту воды нижнего бьефа. Бла-
годаря устройству под плотиной дренажа со значительной части ее
подошвы снимается избыточное противодавление, в связи с чем вес
плотины может быть уменьшен.
Схема 3 (см. рис. 17.3) обычно имеет смысл только при усло-
вии, если плотина будет привязана арматурой к понуру, т. е. понур
будет анкерным. В этом случае вес воды, лежащей над понуром,
будет прижимать его к основанию, причем устойчивость плотины
на сдвиг соответственно повысится. В *конструктивном отношении
плотина с анкерным понуром является более сложным сооружени-
ем, чем плотина, запроектированная по схеме 2: вся верховая
часть плотины с анкерным понуром должна быть соответствующим
образом армирована, поскольку эта часть работает на внецентрен-
ное растяжение, т. е. в весьма невыгодных для бетона условиях.
Конструкция самого понура, условия его статической работы в слу-
чае схемы 3 значительно более сложны, чем в случае плотины по
схеме 2.
Схема плотины с анкерным понуром может оказаться рента-
бельной в условиях низкого коэффициента трения (f<0,25), когда
повышение устойчивости плотины другими способами ведет к зна-
чительному увеличению объема работ. Рентабельность плотины с
анкерным понуром должна устанавливаться сравнением ее с вари-
антами плотины, запроектированными по другим схемам.
Схема 4 (см. рис. 17.4) позволяет снизить горизонтальное дав-
ление воды, действующее на плотину со стороны верхнего бьефа.
77
Однако э.та схема имеет существенные недостатки: во-первых, шов
ab сопряжения понура и плотины находится так же, как и в схеме
3, под действием большого напора; во-вторых, этот тип плотины
ограничивает возможность устройства глубинных и донных отвер-
стий, в частности, служащих для пропуска строительных расходов.
Схема 5 способствует перераспределению фильтрационных сил
в некоторой области основания, окружающей вертикальный дре-
наж; в частности, в этой области могут быть ликвидированы фильт-
рационные силы, направленные снизу вверх. Такие случаи могут
иметь место:
а) когда в области нижнего бьефа имеется сравнительно тон-
кий маловодопроницаемый поверхностный слой грунта основания,
который при отсутствии вертикального дренажа в нижнем бьефе
будет подвергаться выпору фильтрационным потоком; б) когда
имеем анизотропный грунт с относительно малым коэффициентом
фильтрации в вертикальном направлении; в) когда при расчете
устойчивости плотины выясняется, что возможная поверхность
сдвига в связи, например, с неоднородностью грунта основания
проходит не по подошве плотины, а на некоторой глубине,
вания проходит не по подошве плотины, а на некоторой глубине.
В последнем случае, изменяя с помощью вертикального дрена-
жа характер распределения фильтрационных'сил в области грунта,
расположенного выше возможной поверхности сдвига, можем до-
биться повышения устойчивости сооружения. Таким образом, если
грунт основания изотропный, причем в нижнем бьефе отсутствует
маловодопроницаемый поверхностный слой, и если имеется уверен-
ность в том, что поверхность возможного сдвига плотины проходит
по ее подошве, вертикальный дренаж устраивать не следует. Ис-
ключение составляет только сжимаемое маловодопроницаемое ос-
нование, когда устройство вертикального дренажа ускоряет консо-
лидацию грунта основания*.
Схему 6 (см. рис. 17.6) применяют при сравнительно неглубо-
ком залегании водоупора (до 15...20 м); эту схему следует сопо-
ставлять в технико-экономическом отношении с другими схемами
плотин. При пересечении водопроницаемой части основания бетон-
ным глубоким зубом (см. рис. 17.6, а) движение грунтовой воды
под плотиной ликвидируется, причем в области грунта перед зубом
напор отвечает уровню воды верхнего бьефа, а в области грун-
та за зубом напор всюду соответствует уровню воды нижнего
бьефа (см. пьезометрическую линию Р—Р—Р). В случае пересе-
чения водопроницаемого основания свайными шпунтовыми рядами
благодаря известной щелеватости их (образующейся в связи с на-
личием зазоров между отдельными сваями) под плотиной наблю-
дается движение грунтовой воды, в результате чего давление пе-
ред шпунтом падает, а за шпунтом возрастает.
* Вертикальный дренаж может играть также положительную роль в строи-
тельный период — он облегчает устройство котлована.
78
§ 17.3. Основные элементы подземной части плотины. Устройство
выхода фильтрационного потока в нижний бьеф
Различают следующие элементы подземного контура: 1) понур;
2) свайные шпунтовые ряды; 3) бетонные зубья (глубокие и мел-
кие) ; 4) подошву плотины или флютбета.
Подземный контур, как правило, не следует развивать за счет
водобойной плиты, устраиваемой за плотиной и отрезанной от
нее деформационным швом. Под такой плитой необходимо делать
дренаж, защищенный снизу обратным фильтром. Включение кон-
тура этой плиты в подземный контур сооружения будет способст-
вовать увеличению противодавления на плотину, что нежелательно.
Развитие подземного контура до необходимой его длины, уста-
навливаемой с учетом фильтрационной прочности (см. ниже
§ 17.6), обычно следует осуществлять за счет увеличения длины
понура и устройства шпунтов (или бетонных зубьев) перед пло-
тиной.
1. Понур. Понур делают с целью увеличения длины подземного
контура, а следовательно, уменьшения фильтрационного расхода,
противодавления (в случае схемы 1) и градиентов напора в осно-
вании. В некоторых случаях понур играет не только противофильт-
рационную роль, но и защитную, предохраняя дно верхнего бьефа
от размыва его надземным потоком, поступающим в отверстие пло-
тины.
Следует различать жесткие понуры и гибкие, деформирующие-
ся в соответствии с деформациями основания. В случае гибких по-
нурое образование щели между понуром и основанием невозмож-
но. Кроме того, следует различать: практически непроницаемые
понуры специальной конструкции, например понуры с асфальтовой
изоляцией; эти понуры могут быть как жесткими, так и гибкими;
маловодопроницаемые понуры, выполненные из глинистого грун-
та; эти понуры всегда гибкие. ♦
В случае глинистого грунта основания устройство на нем мало-
водопроницаемого понура нерационально. Такие понуры следует
делать только в случае песчаного, основания. Коэффициент фильт-
рации маловодопроницаемого понура должен быть менее коэффи-
циента фильтрации основания в 100 раз и более. Если такого соот-
ношения достигнуть не удастся, то следует переходить к понурам,
практически водонепроницаемым.
Проектируя понур того или другого вида, учитывают следую-
щие соображения; а) поверхность глинистого понура, как правило,
должна покрываться или бетонными плитами, или мостовой; по-
верхность глинистого понура должна быть покрыта слоем песка
толщиной 20 см; б) бетонные плиты или мостовую, входящие в со-
став. пбнура, нельзя укладывать непосредственно на глинистую
часть понура; под этими покрытиями должен быть предусмотрен
слой песчано-гравийной подготовки толщиной 20 см; в) асфальто-
вое покрытие, входящее в состав водонепроницаемых понурое и
располагаемое непосредственно на грунте, следует укладывать по
79
Рис. 17.7. Примеры гибких маловодопрони-
цаемых (глинистых) понуров (размеры в
м):
1 — одиночная мостовая иа слое песчаяо-гравёли-
стой подготовки толщиной 0,15 м; 2 — двойная
мостовая (на цементном растворе) на слое под-
готовки; 3 — глинистый понур; 4 — бетонные пли-
ты размером 3,0X3,0X0,5 м на гравийной подго-
товке толщиной 0,15 м; 5 — битумный мат.
сухому грунту; г) глинистое,
основание понура после
вскрытия необходимо по-
крывать материалом пону-
ра в достаточно короткий
срок; д) в процессе произ-
водства работ понур может
размываться потоком воды,
а также подвергаться иног-
да- действию «дефицита дав-
ления»; в результате может
произойти выпор части по-
нура; кроме того, в процес-
се производства работ по-
верхность понура может по-
вреждаться транспортными
средствами; е) понур (если
он не анкерный) подвергает-
ся только вертикальному
давлению воды сверху, пло-
тина же подвержена дейст-
_вию горизонтальной силы,
направленной в сторону
нижнего бьефа; под дейст-
вием этой силы будут проис-
ходить некоторые деформа-
ции .сдвига плотины в сторо-
ну нижнего бьефа, причем
шов сопряжения понура о
плотиной будет иметь тен,-
денцию раскрыться, чего нельзя допускать.
Маловодопроницаемые (глинистые) понуры проектируют сог-
ласно схемам, показанным на рис. 17.7. Минимальную толщину по-
нура в его начале принимают равной Zmin~0,5 м (рис. 17.7, а); ко-
эффициенты строительных откосов и т2 назначают в соответст-
вии со свойствами грунта основания (получить устойчивый откос
до укладки понура); толщину маловодопроницаемого понура t
(в данном вертикальном сечении) принимают еогласно зависимо-
сти (1 /10... 1 /15)/in, где hn — потеря напора от начала подзем-
ного контура (от верхнего бьефа) до рассматриваемого вертикаль-
ного сечения. Шов (или часть его) сопряжения глинистого грунта
и тела плотины делают часто наклонным с таким расчетом, чтобы
понур при осадке глинистого материала и при горизонтальном
.смещении плотины прижимался к телу плотины (рис. 17.7,6); в
некоторых случаях этот шов специально уплотняют (рис.
17.7, в).
В соответствии с исследованиями А. А. Угинчуса, длина водо-
проницаемого понура /п должна быть меньше некоторой предель-
ной длины /п.пред ; /п.пред
80

z
1п.пред — 2 1/ tTn,
V КЦ
где kQ и kn — коэффициен-
ты фильтрации основания и
понура; t — средняя толщи-
на понура; Тп—заглубле-
ние поверхности водонепро-
ницаемого слод под подо-
швой понура.
12
’’77777777777777777777777777777777777777777777777T77Z
Рис. 17.8. К пояснению предельной длины
понура.
Вопрос о предельной длине понура /п.пред можно разъяснить с
помощью схемы, показанной на рис. 17.8, где через q обозначен
фильтрационный расход под плотина^ определяющий противодав-
ление и градиенты напора в области основания плотины и равный

9 = 91+92»
где 91 — расход воды, фильтрующейся через понур длиной /п;
9г — расход воды, фильтрующейся через дно верхнего бьефа, за
пределами понура.
С увеличением /п будет увеличиваться 91, стремясь к некоторо-
му пределу 9щ>ед; значение 92 при этом будет уменьшаться, стре-
мясь к нулю; 9 тоже будет уменьшаться, стремясь . к 9Пред
А. А. Угинчусом было показано, что при
92 « 0 9 » 91 ~ 9пред«
Дальнейшее увеличение /п не имеет смысла, так как при этом
фильтрационный расход под плотиной q практически не будет
уменьшаться.
Что касается практически водонепроницаемых понурое, то
здесь мы имеем много различных конструкций подобных понурое
(рис. 17.9). Часто в этом случае гибким- йонурам отдают предпоч-
тение.
2. Шпунтовые ряды. Шпунты (см. рис. 17.1) являются гасителя-
ми напора: при устройстве шпунта напор на участке подземного
контура за шпунтом уменьшается; равным образом уменьшаются
и пьезометрические уклоны вдоль подземного контура. Кроме то-
го, шпунты: а) препятствуют развитию внутренней суффозии в
области основания; б) защищают основание плотины от подмыва
ее поверхностным потоком (низовой шпунт); в) препятствуют вы-
пору грунта из-под плотины под действием ее веса; г) позволяют
осуществить сопряжение тела плотины с водоупором и в результа-
те получить глубинную схему подземного контура (схема 6, см. рис.
17.6).
Устройство низового шпунта (5 — 6 — 6, см. рис. 17.1) вызыва-
ет увеличение противодавления на подошву плотины. Чтобы избе-
жать этого, низовой шпунт можно делать перфорированным. Пер-
форированные шпунтовые ряды при фильтрационных расчетах учи-
тывать не следует.
6 Р. Р. Чугаев
Рис. 17.9. Примеры конструктивного оформления водонепроницаемого контура
(размеры деталей в см):
а — понур гибкий из асфальтового материала, расположенный на гравийно-галечниковом
грунте; б — понур жесткий из армобетона (арматура на чертеже ие показана), располо-
женный на суглинке; / — одиночная мостовая (или бетонные плиты): 2 — слой гравия
толщиной 8... 10 см; 3 — песчаный слой толщиной 60 см; 4 — слой глины толщиной 20 см;
5—защитный песчаный слой толщиной 5 см; 6 — асфальтовые маты; 7 — подготовка из
асфальтовых материалов; 8— 1 или 2 слоя клебемассы; 9 —доска; 10— брус; 11 — войлок;
12 — анкерный болт; 13 — доска с обмазкой битумом; 14 — два слоя битумных матов;
15—арматура сечением 6 мм; 16—армированная бетонная подготовка; 17 — армобетон-
ная плита толщиной 40 см; 18 — бетонная подготовка толщиной 5 см; 19 — уплотнение
швов; 20 — береговая стенка; 2/— асфальтовая мастнка; 22— металлический лист; 23—
асфальтовые маты; 24 — цементный раствор.
В песчаных грунтах, допускающих погружение свай, в схемах
1 и 2 (см. рис. 17.1 и 17.2)'обычно предусматривают верховой под-
плотинный шпунт. Верховой понурный шпунт (или зуб) необходи-
мо устраивать в случае жесткого понура. При маловодопроницае-
мом понуре устраивать верховой понурный шпунт не следует.
В случае схемы 1 (см. рис. 17.1) низовой (неперфорированный)
подплотинный шпунт (или зуб) должен устраиваться, как правило,
на глубину зЕых— (0,05...0,10)Т, но не более sBbix= (0,05...0,10)/о>
где Т — заглубление поверхности водоупора; 10 — длина проекции
подземного контура на горизонталь*.
Если «вых задавать меньше, чем получаемое согласно приведен-
ным формулам, то выходной пьезометрический уклон i (в точке 6
на рис. 17.1) будет резко возрастать, доходя теоретически до бес-
конечности при «вых=0, что с точки зрения работы обратного
фильтра, покрывающего дно нижнего бьефа, является нежелатель-
ным. Такие условия следует считать приемлемыми только тогда,
когда шпунт (или низовой зуб) необходимой глубины будет отно-
сительно дорогим.
Идя на устройство того или иного шпунта, нельзя намечать
шпунтовый ряд слишком малой глубины (менее 2...3 м). Организа-
ция работ по забивке шпунтового ряда незначительной глубины
будет экономически невыгодной. Длину металлических шпунтовых
свай в проектах поперечных профилей плотин, включающих метал-
лические шпунтовые сваи, следует назначать в соответствии с
ГОСТом, предусматривающим изготовление свай длиной 8...22 м.
При неоднородном основании с водонепроницаемыми горизон-
тальными прослойками шпунты по возможности должны пересе-
кать их..
При расположении «висячих» шпунтов под плотиной необходи-
мо стремиться к тому, чтобы расстояние между ними было не ме-
нее 2«, где s — глубина погружения шпунта. В исключительных
случаях расстояние между «висячими» шпунтами можно допускать
и до (1,5...1,0) s.
Для однородного изотропного грунта основания, когда (0,4...
0,5) Т и «^(0,20...0,25)/0, можно считать, что 1 м длины понура эк-
вивалентен в отношении гашения напора (в области за верховым
подплотинным шпунтом) 0,5 м длины верхового подплотинного
шпунта (или верхового понурного шпунта).
Устраивая в основании плотины шпунтовые ряды, надо счи-
таться с их водопроницаемостью, обусловленной неплотностью зам-
ков шпунтовых соединений. При производстве работ по погруже-
нию шпунта в грунт необходимо принимать меры к тому, чтобы
щелеватость шпунтовых рядов была минимальной. Недопустимо
погружать сваи пакетами без предварительного уплотнения щелей
между сваями. Отсутствие грунта в • неуплотненных специально
замках шпунтового ряда резко снижает противофильтрационную
эффективность шпунтовых рядов.
* В случае" схемы 2 (см. рис. 17.2) минимально допустимое значение sBbix
следует определять также в соответствии « первой приведенной формулой.
6* 83
Рис. 17.10. Примеры сопряжения шпунта с телом бетонной плотины (размеры в
см): '
j — труба для подогрева битума; 2—-битумные маты опалубки; 3 — битумная смесь; 4 —
опалубка; 5 — бетонная подготовка; 6 — металлический шпунт; 7 — труба для наполнения
шпонки; 8 — битумные маты в шве; 9 — металлические стяжки опалубки; 10 — просмолен-
ный войлок; // — анкер (/>30 см); 12 — сварка; 13 — арматура; 14 — понур; /5 — тело пло-
тины; 16 — уплотнение шва.
При проектировании сопряжений шпунтов с бетонными частями
пиотины следует предусматривать такую конструкцию этих сопря-
жений, при которой вертикальные усилия со стороны тела плотины
не передавались бы на шпунты.
По конструкции шпунтовые ряды делят: а) на металлические в
соответствии с имеющимися сортаментами шпунтовых металличе-
ских свай; предельная длина таких шпунтовых свай 22 м; приме-
няя сварку отдельных свай между собой, глубину шпунтового ряда
при благоприятных-грунтовых условиях можно довести; например,
До 44 м; б) на деревянные длиной около 3...5 м; в) на железобетон-
ные: На рис. 17.10 приведены примеры конструирования узлов со-
пряжения металлических шпунтовых рядов с телом бетонной пло-
тины; здесь, чтобы избавиться от передачи веса плотины на шпун-
ты (что имеет место в случае рис. Г7.10,' в), предусмотрены особые
«шпонки», выполненные из эластичного материала (битума и т. п.,
см. рис. 17.10, а, б, г). На относительно короткие шпунты стремят-
ся не передавать горизонтальных усилий. В связи с этим верховой
подплотинный шпунт иногда сопрягают не с- телом плотины, а с
84
понуром (рис. 17.10, е, ж). Отметим, что в случае схемы на рис.
17.10, д шпунтовые свайные ряды могут быть использованы как
опалубка при бетонировании плотины.
3. Бетонные зубья. Неглубокие бетонные зубья устривают ' для
пресечения опасной контактной фильтрации, а глубокие — вместо
шпунтовых свайных рядов в том случае, если грунт не допускает
забивки свай или в особо ответственных сооружениях. Как прави-
ло, следует устраивать верховой подплотинный зуб (неглубокий
или глубокий). Низовой подплотинный зуб в схемах 2...5 (см. рис.
17.2...17.5) делают с целью изоляции подплотинного дренажа от
нижнего бьефа и получения возможности откачивать воду из этого
дренажа. Откачка воды из подплотинного дренажа может быть
необходима, например, в связи с контролем его работы. В случае
глубинной схемы (см. рис. 17.6, а), создаваемой верховым глубо-
ким зубом, в низовом глубоком зубе (который может быть доведен
также до водоупора) или в флютбете необходимо иметь фильтра-
ционные отверстия, с тем чтобы обеспечить напор под плотиной,
отвечающий горизонту воды нижнего бьефа.
Бетонные зубья могут выполняться: а) в открытых осушенных
котлованах; б) способом подводного бетонирования; в) путем при-
менения опускных колодцев или кессонов. Во избежание опасной
контактной фильтрации последний способ следует допускать толь-
ко при глубинной схеме (см. рис. 17.6, а), причем необходимо ка-
чественно уплотнять зазоры между отдельными опускными колод-
цами (или кессонами). Подводное бетонирование зубьев должно
осуществляться в соответствии с правилами подобного рода работ
с целью получения качественного сопряжения бетона с грунтом ос-
нования.
В открытых осушенных котлованах сооружение зубьев можно
осуществлять, в частности, по одной из следующих трех схем: 1)
котлован разрабатывают без применения креплений-с откосами,
допускаемыми для данного грунта, и полностью заполняют бетон-
ной смесью, образующей зуб. При этом боковые-поверхности зуба
получают наклон, соответствующий откосу котлована; 2) котлован
откапывают с вертикальными стенками, имеющими соответствую-
щее крепление, которое по мере бетонирования зуба удаляют (на-
чиная снизу). В этом случае боковые грани зуба получаются вер-
тикальными; 3) котлован откапывают с откосами, допустимыми
для данного грунта; ширину котлована понизу намечают несколь-
ко большей, чем толщина проектируемого зуба в нижней его части
(например, на 1 м). В котловане устанавливают'опалубку, в кото-
рой осуществляется бетонирование зуба. После снятия опалубки
оставшееся пространство котлована заполняют 'или бетонной
смесью (дающей бетон пониженной марки), или весьма плотно ут-
рамбованным глинобетоном; в случае дороговизны глинобетона
вместо него применяют глину или суглинок. Исключение здесь со-
ставляет только пазуха, располагающаяся под телом плотины, име-
ющей горизонтальный подплотинный дренаж (пазуха 5 на рис.
17.11); эту пазуху приходится заполнять плотно утрамбованным
85
1
Рис. 17.11. Сооружение зуба в котловане:
1 — зуб; 2 — глинобетон; 3 — дренаж; 4 — обрат-
ный фильтр; 5 — пазуха (заполнена весьма плот-
но утрамбованным грунтом).
грунтом, имеющим коэффи-
циент фильтрации такой же,
как и у грунта основания.
Прц проектировании зу-
ба по этой схеме надо иметь
в виду, что при недостаточ-
ном уплотнении грунта, за-
полняющего пазуху котлова-
на, произойдет осадка этого
грунта, что вызовет нежели-
тельную деформацию гори-
зонтального подплотинного
дренажа или при отсутствии
такого дренажа вдоль под-
земного контура раскроется нежелательный фильтрационный ход.
При проектировании зуба по данной схеме следует стремиться так-
же к тому, чтобы в процессе эксплуатации плотины происходило
возможно большее прижатие грунта, заполняющего пазуху, к бо-
ковым граням зуба. В большинстве случаев осадка зуба, нагру-
женного сверху весом плотины, должна быть больше, чем осадка
грунта, заполняющего пазуху, поэтому боковым граням зуба над-
лежит придавать уклон (например, 10:1) с таким расчетом, чтобы
ширина зуба книзу уменьшалась.
Что касается глубины висячих зубьев, выполненных по одной из
трех приведенных схем, то ее надо устанавливать так же, как и
глубину шпунтов, на основании расчетов фильтрационной прочно-
сти основания (см. ниже § 17.6).
4. Подошва плотины. Заглубление фундамента' плотины в
грунт необходимо устанавливать с учетом фильтрационных, а так-
же статических расчетов плотины. Для повышения устойчивости
плотины ее подошву располагают по возможности на прочном грун-
те, характеризующимся большим коэффициентом трения. В случае
бездренажной схемы плотины (рис. 17.12) при d=sBbix, установ-
ленной по формулам § 17.3, очертание дна котлована можно
проектировать по одному из двух вариантов (имеется в виду
*Рис. 17.12. К проектированию подошвы плотины:
а —плотина с неглубокими зубьями; б — плотина без зубьев; / — обратный фильтр.
86
грунт, допускающий забивку шпунтовых сваи): плотина с неглубо-
кими зубьями (рис. 17.12, а); плотина, не имеющая зубьев (рис.
17.12,6).
По экономическим соображениям надо стремиться к первому
варианту (рис. 17.12, а), назначая d' с таким расчетом, чтобы часть
подошвы плотины (участок MN) располагалась на достаточно
прочном и маловодопроницаемом грунте. Только при грунтах, в
которых разработка траншеи под зубья на дне котлована затруд-
нительна, приходится отказываться от вариантов, показанных на
рис. 17.112, а, и переходить к варианту плотины без зубьев (рис.
17.12,6).
При проектировании котлована плотины следует избегать та-
кого положения, когда грунт основания попадает в зону промерза-
ния. Однако если все же та или другая часть основания оказыва-
ется в зоне промерзания, то из этой части основания грунты, склон-
ные к пучению (глинистые грунты), должны быть удалены и
заменены глинобетоном или тощим бетоном.
5. Устройство выхода фильтрационного потока в нижний бьеф.
В области выходного живого сечения необходимо устраивать дре-
наж, защищенный снизу обратным фильтром. Этот фильтр следу-
ет проектировать в соответствии с имеющимися правилами.
Горизонтальный дренаж, устраиваемый под водобоем, плоти-
нои и понуром, надо выполнять из
Минимальную толщину такого дре-
нажа, назначаемую в соответствии
с конструктивными и производст-
венными условиями, следует счи-
тать примерно 0,2 м. Отвод воды из
дренажа, а также его пропускную
способность по возможности надо
проектировать так, чтобы потерями
напора при движении воды вдоль
дренажа можно было пренебречь.
Дренаж вместе с обратным филь-
тром должен быть прижат к грунту
весом вышележащих частей соору-
жения. Это особенно важно в слу-
чае глинистого основания, способно-
го при отсутствии нагрузки посте-
пенно терять прочность на своей по-
верхности.
Наиболее желательным выходом
фильтрационного потока в дренаж
является выход, показанный на рис.
17.13, а, когда sEbix достаточно ве-
лико; не следует допускать располо-
жения дренажа по схеме рис.
17.13,6, когда 5вых==0, так как в
этом случае в точке А мы будем по-
крупнозернистого материала.
Рис. 17.13. К проектированию вы-
хода фильтрационного потока в
нижний бьеф:
а — нормальный выход; б — нежела-
тельный выход; в — допустимый выход.

87
лучать выходной градиент, теоретически равный бесконечности,
причем работа обратного фильтра будет весьма напряженной; схе-
му расположения дренажа, приведенную на рис. 17.13, в, при до-
статочном значении t можно считать практически приемлемой.
В некоторых случаях отвод воды из подплютинного дренажа в
нижний бьеф осуществляют через специальную дренажную гале-
рею III, расположенную иногда ниже уровня нижнего бьефа (см.
рис. 17.2). В этих условиях подплотинный горизонтальный дренаж
соединяют с дренажной галереей специальными дренажными ко-
лодцами IV, заполненными камнями соответствующей крупности.
Горизонтальное сечение таких колодцев — прямоугольное, разме-
ром, например, 0,8X0,8 м, высота колодца 1...2 м и более.
§ 17.4. Подготовка поверхности основания.
Контактная фильтрация
1. Подготовка поверхности основания. Подготовку поверхности
основания напорного гидросооружения перед укладкой на нее бе-
тонной смеси надо выполнять так, чтобы между грунтом основания
и бетоном самого сооружения не возникли облегчённые пути филь-
трации. С этой точки зрения, в практике плотиностроения совер-
шенно недопустимо устраивать подготовку для бетонирования в
виде слоя щебня или гравия*. Характер подготовки поверхности
основания, обеспечивающей -плотное прилегание бетона к грунту,
следует выбирать (в соответствии с рекомендациями Г. И. Журав-
лева) в зависимости от рода грунта, наличия грунтовых вод и ус-
ловий производства работ.
В случае песчаного и супесчаного оснований, когда уровень
грунтовых вод стоит ниже дна котлована, бетонную смесь необхо-
димо укладывать непосредственно на спланированное основание
без применения, например, втрамбовки щебня в основание,- Если
уровень грунтовых вод стоит выше дна котлована, то приходится
использовать или водопонижение, или водоотлив. При искусствен-
ном водопонижении следует поступать, как рекомендовано выше —
для случая отсутствия грунтовых вод.
Устраивая водоотлив, приходится: а) при крупнозернистом пес-
ке бетонную смесь можно укладывать непосредственно на грунт
основания; б) при мелкозернистых и пылеватых песках рекомен-
дуется на поверхность грунта предварительно уложить бетонную
подготовку толщиной 8... 15 см, выполненную из бетона пониженной
марки (5 МПа), а на нее укладывают бетон плотины. Предвари-
тельное втрамбовывание щебня в грунт при этом излишне.
В случае суглинистых и глинистых оснований, когда грунтовые
воды стоят ниже дна. котлована, бетонную смесь укладывают не-
посредственно на спланированное основание. Однако если в пери-
. * Здесь не имеются в виду те случаи, когда под бетонным массивом напор'
ного сооружения укладывают горизонтальный дренаж.
88
од строительства выпадают осадки, причем на поверхности дна
котлована образуется разжиженный слой суглинка или глины, то
этот разжиженный слой грунта непосредственно перед укладкой
бетонной смеси зачищают. Так как эта зачистка ведет иногда к не-
желательному заглублению фундаментной части плотины, то в не-
которых случаях можно: а) укладывать подготовку толщиной, рав-
ной толщине зачищенного слоя грунта, выполненную из бетона по-
ниженной марки или весьма плотно утрамбованного глинобетона;
б) не прибегать к зачистке и вместо этого подготовить основание
путем втрамбовывания в него слоя щебня или гальки. Такого рода
втрамбовывание щебня следует производить до тех пор, пока по-
верхность основания не сделается плотной;
Если же поверхность грунтовых вод стоит выше дна котлована,
причем после водоотлива на дне котлована получается поверхност-
ный непрочный слой грунта, который благодаря движению в котло-'
ване людей и транспорта легко обращается в разжиженную массу,
подготовку поверхности основания надо осуществлять одним из
следующих способов: а) поверхностный разжиженный слой удаля-
ют и вместо него укладывают слой бетона пониженной марки или
плотно утрамбованного глинобетона; б) в поверхностный разжи-
женный слой втрамбовывают щебень или гравий.
Дополнительно, если при разработке котлована в некоторых его
местах окажется «перебор», то эти области необходимо заполнить
или бетоном пониженной.марки, или плотно утрамбованным грун-
том, не дающим осадки (например, глинобетоном).
2. Замечания о контактной фильтрации. Контактная фильтра-
ция может быть опасной, когда по контакту грунта и бетона ^или
металла) образуются щели или появляются области разрыхленно-
го грунта. Если грунт плотно прилегает, к поверхности бетона или
к боковой поверхности свай, следует считать, что фильтрационная
прочность контактного слоя грунта такая же, как и фильтрацион-
ная прочность слоев грунта, расположенных в толще основания.
Не следует опасаться контактной фильтрации, если бетонный мас-
сив плотины опирается на грунт всей своей подошвой и вес его
передается на грунт. Опасность контактной фильтрации в этом
случае будет такая же, как и фильтрации в толще грунта.
При строительстве водосливной плотины принимают необходи-
мые меры, предотвращающие появление по контакту грунта и
водонепроницаемых частей сооружения зон разрыхленного грунта
или щелей как в период самого строительства, так и в период экс-
плуатации сооружения. В частности, для предотвращения’опас-
ной контактной фильтрации необходимо: 1) работы, связанные с
возведением фундаментной части плотины, проводить самым тща-
тельным образом и постоянно их контролировать; 2) обращать
особое внимание, на то, .чтобы в процессе эксплуатации плотины
вдоль подземного контура не образовывались ходы сосредоточен-
ной фильтрации благодаря тем или другим возможным-деформа-
циям плотины или ее основания. Недопустимо, в частности, вес
бетонной плотины передавать на сваи, устраиваемые под. ней. Сле-
89
дует также опасаться конструкций в виде тонкого железобетонно-
го флютбета, не отрезанного от быков. Следует учитывать, что в
случае особенно рыхлого песчаного основания под подошвой пло-
тины могут произойти местные просадки грунта, причем на отдель-
ных горизонтальных участках подземного контура могут образо-
ваться щели между подошвой плотины и поверхностью основания;
3) следует заполнять грунтом замки свай, в противном случае по-
мимо резкого снижения противофильтрационной эффективности
шпунта образуются облегченные пути фильтрации вдоль шпунтов;
4) обращать особое внимание на плотность сопряжений понура и
шпунта с плотиной; 5) при конструировании постоянных сквозных
деформационных швов плотины стремиться к тому, чтобы при не-
одинаковой осадке двух соседних блоков, разделяемых деформа-
ционным швом, не возникло опасной контактной фильтрации в ме-
сте расположения шва,
В заключение отметим, что при проектировании подземных ча-
стей плотины требуется: 1) предусматривать условия, позволяю-
щие в период эксплуатации сооружения проводить ремонт отдель-
ных частей сооружения; 2) предусматривать закладку пьезомет-
ров .(датчиков) в соответствующих точках подземного контура, с
тем чтобы в процессе эксплуатации плотины в этих точках можно
было замерять действительное противодавление. Для плотин I и II
классов устройство таких пьезометров надлежит считать обяза-
тельным.
§ 17.5. Фильтрационный расчет подземного контура
при заданных отметках уровня воды в верхнем
и нижнем бьефах
1. Общие положения. Обращаясь к фильтрационному расчету
заданного подземного контура, надо выбрать поперечные сечения
плотины, которые являются наиболее опасными с точки зрения ус-
тойчивости тела плотины и фильтрационной прочности ее основа-
ния..
Рассматривая выбранное поперечное сечение плотины, необхо-
димо выработать соответствующую расчетную схему подземного
контура. Такая схема получается из действительной схемы конту-
ра путем исключения различного рода деталей, в отношении кото-
рых заранее можно утверждать, что они не могут существенно
влиять на результаты расчета. При составлении расчетной схемы
в ряде случаев с целью упрощения расчета тонкие бетонные зубья
следует заменять водонепроницаемыми шпунтами соответствую-
щей длины, мелкие зубья можно вовсе не учитывать и т. п.
Заменяя неоднородную область фильтрации основания однород-
ной изотропной средой, характеризуемой определенным коэффици-
ентом фильтрации, надо иметь в виду, что распределение напоров
в основании и значения пьезометрических уклонов в отдельных
точках основания совершенно не зависят от принятого коэффици-
ента фильтрации. От него зависит только фильтрационный расход,
90
значение которого прямо пропорционально коэффициенту фильт-
рации.
Необходимо учитывать также, что пьезометрические уклоны в
основании вовсе не зависят от отметок уровней воды в бьефах
и целиком определяются принятым напором Z на сооружении. На-
пор в отдельных точках основания зависит от отметок уровня
воды в бьефах; в связи с этим и противодавление, действующее на
подошву плотины, зависит от глубины воды в нижнем бьефе.
При фильтрационном расчете следует рассматривать 1 м длины •
плотины. Этот расчет в общем случае необходим для определения:
1) противодавления, действующего на подошву плотины и в соот-
ветствующих случаях на подошву понура; 2) напора на острие вы-
ходного шпунта (или зуба), требующегося для проверки местноД
прочности грунта на выпор в области выходного фрагмента осно-
вания; 3) пьезометрических уклонов, контролирующих казуальную
прочность основания; 4) максимального выходного пьезометричес-
кого уклона на поверхности дна нижнего бьефа; 5) фильтрацион-
ного расхода; 6) пьезометрических уклонов на контактах несвяз-
ных мелкозернистых и крупнозернистых грунтов, слагающих осно-
вание (в тех местах, где можно ожидать вынос мелкозернистого
грунта в поры крупнозернистого). •
В случае проверки устойчивости плотины на сдвиг по поверх-
ности, проходящей на некоторой глубине под подошвой плотины,
приходится с помощью фильтрационного расчета определять до-
полнительно распределение напоров вдоль этой поверхности сдвига.
Рассмотрим два способа гидравлического расчета подземного
контура: метод коэффициентов сопротивления и способ удлини-
тельной контурной линии.
Согласно методу коэффициентов сопротивления, пьезометриче-
скую кривую Р—Р для подземного контура (рис. 17.14) принимают
в виде ломаной линии, состоящей из ряда наклонных прямолиней-
ных участков и вертикальных уступов, отвечающих тем местам под-
земного контура, где фильтрационный поток на своем пути встре-
чает те или другие местные препятствия. Гидромеханическое дав-
ление в любой точке подземного контура, например, в точке т,
определяется'заглублением hp этой точки относительно пьезометри-
ческой линии Р—Р, измеренным в соответствующем месте. С неко-
торым приближением по AaHHoif пьезометрической линии можно на-
ходить также гидромеханическое давление и в толще основания
'(см. точку п и отвечающую ей пьезометрическую высоту hP).
Пользуясь методом коэффициентов сопротивления, необходимо
различать следующие задачи: 1) построение эпюры противодавле-
ния для горизонтальных элементов подземного контура, определе-
ние напора на нижнем конце низового (выходного) шпунта или зу-
ба и нахождение пьезометрического уклона. iK, контролирующего
так называемую казуальную фильтрационную прочность грунта ос-
нования; 2) определение максимального выходного пьезометриче-
ского уклона на поверхности дна нижнего бьефа; 3) определение
фильтрационного расхода.
91
Рис. 17.14. Расчетная схема при гидравлическом расчете подземного,
контура плотины по методу коэффициентов сопротивления:.
/ — понур; II—дренаж; /// — расчетная поверхность водонепроницаемого слоя;
Р—Р — пьезометрическая линия для подземного контура.
При решении перечисленных задач необходимо задаваться оп-
ределенным положением поверхности расчетного водоупора, кото-
рая в общем случае может не совпадать с поверхностью действи-
тельного водоупора. Глубина Грасч, дающая расчетное положение
поверхности водоупора, согласно методу коэффициентов сопротив-
ления, должна быть в общем случае различной для перечисленных
трех фильтрационных задач. Далее, через Грасч, Т расч и Трасч бу-
дем обозначать заглубления поверхности расчетного водоупора,
принимаемые соответственно при решении 1-й, 2-й и 3-й упомяну-
ных выше задач. Через Тя будем обозначать заглубление поверх-
ности действительного водоупора. Заметим, что Грасч и Тя надо
измерять по вертикали от поверхности водоупора до точки подзем-
ного контура, расположенной наиболее высоко.
При решении задач необходимо 1)определить положение по-
верхности расчетного водоупора; 2) исходя из найденной величины
Грасч, вычислить значения так называемых коэффициентов сопро-
тивления для отдельных элементов подземного контура, как ука-
зано выше. - -
2. Установление положения поверхности расчетных водоупоров.
При определении Т расч пользуются понятием активной зоны филь-
трации по напору, прйчем через Т акт обозначают глубину этой зо-
ны (измеряемую также от точки контура, расположенной наиболее
высоко). Смысл-понятия активной зоны фильтрации по напору в
следующем: площадь эпюры противодавления, найденная для Т<
<Т акт, отлична от площади эпюры противодавления, установлен-
ной для случая 7’=сю; площадь же эпюры противодавления, най-
денной для случая 7’=7’акт, практически уже совпадает с пло-
92
шалью эпюры противодавления, установленной для случая Т=оо.
Через /о обозначают длину проекции подземного контура на го-
ризонталь и через So — длину проекции подземного контура на вер-
тикаль. Пользуясь этими обозначениями, Т акт следует определять
по формулам:
а) для «распластанного подземного контура», когда
/0/5о>5.
= °>5/0;
б) для «промежуточной схемы», когда
.3,4 < /0/s0 5,0,
Т'акт "" 2,5s0;
(17.1)
(17.2)
(17.3)
(17.4)
в) для «заглубленного подземного контура», когда
. l,O<Jo/so<3,4, (17,5)
7’;Kt = O,8so + O,5Zo. (17.6)
Если действительное заглубление водоупора ТЯ^.Т аКТ', надлег
жит принимать Т расч = 7д; если Гд>Гакт, то принимают Т расч =
Такт-
Значение Т расч находят, пользуясь понятием так называемой
активной зоны фильтрации по выходному пьезометрическому укло-
ну (понятие, аналогичное активной зоне фильтрации по напору)'.
Глубину активной зоны по выходному уклону обозначают через
7'акт ; оказывается, что
^кт«2Г;кт, (17.7)
где Т акт находят, как указано выше.
Если заглубление действительного водоупора Гд^Гакт> то сле-
ду ет Принимать Трасч — Гд; если ТдТ акт, то Т Расч Г акт •
Значение Т раСч всегда следует принимать равным
Т" = Т, (17.8)
т. е. в данном случае в качестве расчетного водоупора всегда при-
нимают действительный' водоупор.
3. Общая идея метода коэффициентов сопротивления. При ре-
шении той или другой фильтрационной задачи, определив соответ-
ствующее расчетное положение водоупора, разбивают заданный
подземный контур на отдельные элементы следующего типа:
1) входной и выходной элементы подземного контура: иди в
виде выходного и входного шпунтов (см. рис. 17.14, элементы 1—
а—2 и 5—в—6), или при отсутствии этих шпунтов в виде входного
и выходного уступов (элементы 1—2 и 5—6), или, наконец, при
отсутствии шпунтов и уступов в виде «плоского выхода» и «плос-
кого входа»; в этом частном случае входной и выходной элементы
контура обращаются в точки 1 и 6;
93
2) внутренние шпунты; на рис. 17.14 показан только один внут-
ренний шпунт 3—6—4-, однако в общем случае таких шпунтов мо-
, жет быть несколько; если 5=0, то вместо внутреннего шпунта по-
лучают внутренний уступ 3—4;
3) горизонтальные элементы подземного контура (элементы
2—3 и 4—5).
При такой разбивке подземного контура получают только три
типовых элемента контура.
Потеря напора контура h вдоль линии каждого выделенного эле-
мента контура равна
Л = я;-Яо, (17.9)
где Но —напор в начальной точке элемента и Но —напор в ко-
нечной точке элемента. Например, для внутреннего шпунта 3—б—
4 значение h будет представлять собой разность напоров в точках
3 и 4.
В случае ламинарной фильтрации h для каждого выделенного
элемента контура можно представить зависимостью
• h=^q!k; ' (17.10)
где £—коэффициент сопротивления, зависящий от формы и разме-
ров рассматриваемого элемента контура, а также Трасч! Q—
удельный фильтрационный расход; k—коэффициент фильтрации.
Для подземного контура, показанного на рис. 5.14, определяем
суммарный коэффициент сопротивления рассматриваемого под-
земного контура:
2? = 5вх+е;+^+Е;+евых, (i7.il)'
где £вх и £вых — коэффициенты сопротивления входного и выходно-
го элементов подземного контура; £ги £г —коэффициенты сопро-
тивления соответственно для первого и второго отдельных горизон-
тальных элементов контура; £ш—коэффициент сопротивления внут-
реннего шпунта; _при s = 0 вместо £П1 получаем коэффициент соп-
ротивления внутреннего уступа £уст.
Вычисленные значения коэффициентов сопротивления не зави-
сят от направления фильтрации. В связи с этим при одинаковой
форме и одинаковых размерах входного и, выходного элементов
контура
и = £вых. (17.12)
- Зная числовые значения £, можно с помощью^весьма простых
формул решать любые фильтрационные задачи, учитывая, напри-
мер, то положение, что напор на сооружении Z должен распреде-
ляться между отдельными элементами прямо пропорционально их
числовым значениям £ и т. п. Как видно, основным здесь является
вопрос об установлении числовых значений. ,
4. Определение числовых значений коэффициентов сопротивле-
ния-. Анализируя точные гидромеханические решения фильтрации
94
под гидросооружениями, можно дать следующие упрощенные зави-
симости для коэффициентов
Коэффициент сопротивления внутреннего шпунта или уступа
Сш = + 1,5 — + 0’5-s^2- , (17.13)
. ш хЛ Т2 1—0,75s/T2
где а и s—см. на рис. 17.14; Ли Т2—заглубления расчетного водо-
упора под подошвой сооружения слева и справа от шпунта, причем
всегда под Л следует понимать большее заглубление (Л >72)*.
Когда s=0, вместо формулы (17.13) получаем
Суст = а/Л. - (17.14)
Коэффициент сопротивления, входного и выходного элементов
контура
Свх = Ux = + 0,44, (17,15)
где £тп определяется по формуле (17.13) в предположении, что дан-
ный входной или выходной шпунт является внутренним шпунтом.
В частном случае, когда s = 0,
Свх = Ux = Сует + 0,44. '(17.16)
В частном случае, когда s = 0 и а=0, входной или выходной
элементы контура, как было отмечено выше, обращаются в точку,
коэффициент сопротивления которой
£вх = Свых = 0,44. (17.17)
Коэффициент сопротивления горизонтальных элементов конту-
ра (элемент 2—3 на рис. 17.14):
а) в случае
/^О.б^-Мг) (17.18)
Cr = U-0,5(s1 + s2)]/T; (17.19)
б)’ в случае -
I < 0,5 & + з2) (17.20)
Ер = О, (17.21)
где I—длина горизонтального элемента; Si и s2—длины шпунтов,
ограничивающих данный элемент контура (в частном случае они
могут быть равны нулю); Т—заглубление водоупора под рассмат-
риваемой горизонтальной подошвой сооружения.
5. Построение эпюры противодавления, действующего на по-
дошву плотины и понура. Определив по Т расч положение расчет-
ного водоупора и найдя при таком его положении числовые значения
коэффициентов сопротивления для отдельных элементов контура,
строят пьезометрическую линию Р—Р для горизонтальных элемен-
тов контура (см. рис. 17.14), руководствуясь отмеченным выше пра-.
нилом; полный напор на сооружении Z должен распределяться меж-
* Приводимая формула относится к-случаю 0,5cTt/Ti<l,0-, 0<s/r2<0,8.
95
ду отдельными элементами контура прямо пропорционально число-
вым значениям их коэффициентов сопротивления.
Согласно этому правилу, потеря напора h на длине некоторого
n-го элемента контура
= (17.22)
где £п—коэффициент сопротивления рассматриваемого n-го элемен-
та контура.
Вычислив по формуле (17.22) потери'напора на длине каждого
элемента контура (см. потери’напора hi, hllt hllt, hrv, hv на рис.
17.14), строят пьезометрическую линию Р—Р. .Полученная площадь
(заштрихованная на рис. 17.14), лежащая между найденной лини-
ей Р—Р и самим подземным контуром 1—2—3—4—5—6, и будет
представлять собой искомую эпюру противодавления.
При выполнении такого построения следует различать особый случай, ко-
гда входной или выходной элемент контура характеризуется соотношением
(17.23)
Ti 4 \ л 3 / v
т. е. когда имеем, подземный контур с входным или выходным элементом, близ-
ким или совпадающим с плоским входом или выходом.
При наличии этого соотношения найденная выше потеря напора на входном
или выходном элементе контура (йвх или йВЫх, обозначенные на рис. 17.14 через
hi и hv) может иногда значительно отличаться от действительной потери*напора
на входном или выходном элементе, обозначаемой далее через йвх.д или /1ВЫх.д.
Расхождение в значениях hBZ и йв1Д или йВЫх и ЛВЫх.д носит местный ха-
рактер, причем им часто можно пренебречь (особенно для входного элемента,
относящегося к понуру). Однако при желании эту погрешность, возникающую
при наличии соотношения (17.23), можно легко устранить. При этом поступают
следующим образом:
а) вычисляют действительные значения потерь напора Лв^.д и йВЫх.д по фор-
мулам:
Лвх.д — бйвх и йвых.д =.6йВых> (17.24)
где при 0,7<Т2/Тг<1.0 — поправочный коэффициент (всегда меньше или равный
единице) равен
Рис. 17.15. Расчетная схема концевого
участка подземного контура при наличии
условия (17.23) (выходной элемент бли-
зок к «плоскому выходу»):
I — флютбет.
б) имея пьезометрическую линию
PN'P (рис. 17.15), построенную, как
было пояснено выше, и рассматривая,
например выходной элемент контура,
откладывают, как показано на рисун-
ке, значение йВЫх.д, при этом получа-
ем точку 2V; затем точку N соединя-
ем прямой линией с точкой М, наме-
ченной на линии PN'P на расстоянии,
равном 0,11 от конца флютбета, где
I — длина флютбета,-
Искомая уточненная пьезометри-
ческая линия окончательно будет
иметь вид прямолинейной ломаной
линии PMNP (участок при уточне-
нии пьезометрической линии отбрасы-
вают).
6. Определение напора на ниж-
нем конце выходного шпунта (или
96
1*ИС. 17.16. К определе-
нию напора на нижнем
воине выходного шпун-
та (и ючке в).
V 'I

tyfla). Напор Лостр на острие выходного шпунта (см. точку b на рис. 17.16, а)
вычисляют по формуле
Лостр = еЛвых> (17.26)
где ЛЯИх—находят при расчете эпюры противодавления (без учета поправки 6);
г. — коэффициент, для случая О^сТа/Л< 1,0 и з/Тг>0,1 определяют по прибли-
женной формуле
е« 0,8-0,35/^, (17.27)
обозначения см. на рис. 17.16, а.
Схема на рис. 17.16,6 является частным случаем схемы на рис. 17.16, а.
Однако Лостр в точке b для этой схемы следует подсчитывать не по зависимости
(17.26), а в соответствии с формулой (17.24).
7. Определение максимального выходного пьезометрического уклона на по-
верхности дна нижиего бьефа. Максимальный выходной пьезометрический уклон
1»ы1 будет иметь место в точке 6 (см. рис. 17.14). Установив по Трасч расчетное
положение водоупора н найдя при таком положении числовые значения коэффи-
циентов сопротивления для отдельных элементов контура, а также значение
суммарного коэффициента сопротивления Sg, значение /вых вычисляют по фор-
Рис. 17.17. График для определения а при вычислении максимально-
го выходного пьезометрического уклона на поверхности дна нижне-
го бьефа.
f Г Р. Чугаев
97
муле (полученной в соответствии. с особым гидромеханическим решением
С. Н. Нумерова):
‘вых — (Z/Л) (1/аЭД, (17.28)
где а—коэффициент, для случая 0,7<Т2/Т1<1,4
(17'29)
Более точные значения а могут быть найдены по графику, приведенному на
рис. 17.17.
Если действительный водоупор расположен на значительной глубине, в фор-
мулу. (17.28) следует вводить поправку: умножить правую.ее часть на коэффи-
циент 1,1.
8. Определение фильтрационного расхода. Определив по Грасч=7д коэффи-
циенты сопротивления £, удельный фильтрационный расход q находят по фор-
муле
(17.30)
В случае глубокого залегания водоупора (когда Тя значительно больше Т акт)
расход по этой формуле может быть найден только грубо приближенно.
9. Метод удлиненной контурной линии. Этот весьма простой при-
ближенный метод представляет собой графическое оформление
метода коэффициентов сопротивления, относящегося к распластан-
ной схеме подземного контура, а также к некоторым случаям про-
межуточных схем.-
Согласно данному методу при построении эпюры противодав-
ления поступают следующим образом. Определяют, как указано
-в п. 2, расчетное заглубление водоупора Грасч. Далее устанавли-
вают значение Tcv, представляющее собой среднее заглубление
водоупора под дном верхнего и нижнего бьефов, а также под от-
дельными участками подземного контура. Затем разворачивают
заданный подземный контур (рис. 17.18, а) в горизонтальную
Рис. 17Д8. Построение пьезометрической
линии Р—Р по методу удлиненной кон-
турной линии (X. — виртуальная длина
подземного контура).
Рис. 17.19. Построение линий равно-
го напора при глубоко расположен-
ном водоупоре.
. 98
I
прямую АВ, показанную на рис. 17.18, б. Длина этой линии равна
длине подземного контура L. После этого от точек Я и В получен-
ной линии влево и вправо откладывают горизонтальные отрезки,
равные
Хо = 0,44ТсР. (17.31)
При этом получают удлиненную контурную линию А'В' дли-
ной Л. Откладывая далее от точки А' по вертикали отрезок,- рав-
ный напору на сооружении Z, получают точку С'. Соединяя точку
С' с точкбй В' прямой линией, получают площади, показанные на
рис. 17.18,6 штриховкой. Эти площади представляют собой эпюры
напоров для горизонтальных элементов контура 2—3 и 4—5. При
таком построении имеют в виду, что плоскость сравнения 00, от
которой отсчитываются напоры, проведена на уровне воды нижне-
го бьефа. Получив указанные эпюры напоров, строят искомые эпю-
ры противодавления (для горизонтальных элементов контура).
С той целью к координатам найденных эпюр напора прибавляют
заглубления соответствующих точек подземного контура под уров-
нем воды нижнего бьефа.
Пользуясь методом удлиненной контурной линии, можно с неко-
торым- приближением определить также 1Вых и напор на острие вы-
ходного шпунта.
10. Построение линий равного напора для напорного фильтраци-
онного потока под плотиной (при глубоко расположенном водо-
упоре). На рис. 17.19 приведена схема подземного контура 1—2—
3—4—5—6 (со шпунтами). Для построения линий равного напора
(необходимых, например, для расчета устойчивости плотины, ког-
да поверхность сдвига является заглубленной) поступают следую-
щим образом. Строят для заданного подземного контура пьезомет-
рическую линию Р—Р, наметив предварительно плоскость сравне-
ния О'О'. Из точки О, делящей отрезок 1—6 пополам, описывают
радиусом R~ (l,5...1,O)Zo дугу окружности АС, причем длину полу-
окружности АС разбивают на 10 равных частей. После этого из
точки О проводят пунктиром 9 лучей. Наконец, в соответствии с
имеющейся пьезометрической линией Р—Р и намеченными луча-
ми проводят, как показано на рисунке, линии равного напора.
Пользуясь такими линиями равного напора, можем построить э.пю-
ру изменения напора вдоль любой поверхности, пересекающей ос-
нование (см., например, поверхность MN).
§ 17.6. Расчет казуальной фильтрационной прочности
основания плотины
1. Общие положения. Форму и окончательные размеры подземно-
го контура плотины устанавливают в большинстве случае в резуль-
тате проведения проверочных расчетов: а) расчетов фильтрацион-
ной прочности грунта основания и б) статических расчетов, служа-
щих для оценки устойчивости плотины (см. гл. 19). Поперечные
сечения плотины, которые должны быть рассчитаны, следует вы-
7* 99
бирать в соответствии с предварительно намеченной конструкцией
плотины и с учетом геологического строения основания. Расчет
фильтрационной прочности основания Плотины должен проводить-
ся в предположении, что на сооружение действует максимальный
напор Z, отвечающий нормальным условиям эксплуатации.
Следует различать два возможных вида нарушения фильтраци-
онной прочности грунта основания:
1). нарушение нормальной фильтрационной прочности, которое
может происходить в заранее известных наиболее слабых местах
рассматриваемого поперечного профиля основания при известных
расчетных условиях в этих местах, например: а) на контакте дна
нижнего бьефа и покрывающего его обратного фильтра; б) в об-
ласти выходного фрагмента основания, где может произойти вы-
пор грунта; в) на контактах крупнозернистых и мелкозернистых
грунтов, слагающих основание, и т. п.;
2) нарушение казуальной фильтрационной прочности грунта ос-
нования, которое может происходить в местах продольного профи-
ля, заранее не известных; расчетные условия для оценки такой
прочности в этих местах могут носить в некоторой мере неопреде-
ленный, случайный характер. В качестве примера нарушения такой
' прочности можно привести образование в отдельных местах про-
дольного профиля, плотины поперечных ходов сосредоточенной
фильтрации под плотиной вследствие ряда причин: а) случайной
недоброкачественности производства работ; б) неучтенной нерав-
номерной осадки плотины; в) внутренней суффозии, обусловленной
неучтенной неоднородностью грунта; г) осадки грунта под пло-
тиной в пределах горизонтальных элементов контура при отсутст-
вии осадки самой плотины и т. п. Вопрос о казуальной фильтраци-
онной прочности грунта основания непосредственно связан с
вопросом надежности сооружения.
Казуальная фильтрационная прочность основания плотины мо-
жет быть оценена только приближенно тем или другим гидродина-
мическим параметром, характеризующим весь фильтрационный
поток в целом. В качестве такого параметра следует принимать не-
который средний пьезометрический -уклон (градиент напора) iK,
который может быть назван пьезометрическим уклоном, контроли-
рующим казуальную прочность. -
Форму и размеры подземного контура надо назначать в соот-
ветствии с расчетом казуальной фильтрационной прочности. Уста-
новленный таким образом контур необходимо дополнительно про-
верять на нормальную прочность (см. § 17.7).
2. Расчет казуальной фильтрационной прочности по методу кон-
тролирующего градиента. Исходя из рассмотрения казуальной
фильтрационной прочности, размеры и форму контура в общем
‘случает следует устанавливать путем подбора, добиваясь соблюде-
ния условия
1'к ^к.доп, (17.32)
100
где /„.доп — допускаемое значение контролирующего пьезометри-
ческого уклона, равное его критическому, т. е. предельному, зна-
чению 1’к.кр, деленному па коэффициент надежности kH.
Определение контролирующего градиента iK:
а) в случае обычной схемы контура, когда
l>s, - (17.33)
i'k вычисляют по формуле
iK = Z/A = г/(т;асч2£), (17.34)
где s — длина шпунтов'и I — расстояние между ними; Z — рас-
четный напор на сооружении; Л — виртуальная длина контура;
^расч — заглубление расчетного водоупора при определении про-
тиводавления; — суммарный коэффициент сопротивления кон-
iypa, вычисляемый при расчетном водоупоре, определяемом глу-
биной Трасч.
Если /-оказывается достаточно большой
- l>(5...10)s, . (17.35)
то /к можно считать равной
(17.36)
где 1'г.к — уклон пьезометрической линии Р— Р (рис. 17.14), пост-
роенной для горизонтальных элементов контура.
Значение iK1 вычисленное по приведенным формулам, оказыва-
ется равным:
при соблюдении условия (17.35)
‘•к = = <7Л;асч « < \ (17.37)
где qr — приведенный расход для рассматриваемой схемы контура
qT = qlk = Zl^ (17.38)
и vr — приведенная скорость фильтрации для некоторого верти-
кального живого сечения (рис. 17.20);
.при условии
(5...10)s>/>s„ (17.39)
' Л^Ласч^гср. (17-40)
где щСр — средняя приведенная скорость фильтрации для живого
сечения 1—1 (рис. 17.21). -
Исходя из поясненных положений, значение iK можно находить
также, пользуясь экспериментальным методом электрогидродина-
мических аналогий;
б) в случае подземного контура в виде чистого шпунта. Здесь
«к следует принимать
/д — ^вых» , (17.41)
101
Рис. 17.20. К определению градиента напора,
контролирующего фильтрационную прочность
основания в случае распластанной схемы под-
земного контура:
/ — эпюра приведенных скоростей; 2 — расчетный
водоупор; Р—Р — пьезометрическая линяя.
Рис. 17.21. К определению гра-
диента напора, контролирую-
щего фильтрационную проч-
ность основания при наличии
условия, определяемого фор-
мулой (17.39):
/ — эпюра приведенных скоростей.
где /вых — максимальный выходной
градиент на поверхности дна нижнего
бьефа; при Тя = оо
1вых = 0.318Z/S; (17.42)
в) в случае схем подземного конту-
ра, близких к чистому шпунту, когда (рис. 17.22)
l<s/2; ' (17.43)
при оценке общей прочности основания можно в запас отбрасывать
горизонтальные элементы контура и рассчитывать заданную схему,
где чистый шпунт, т. е. определять и iK по формуле (17.41);
г) в случае промежуточных схем контура, когда
s>Z>s/2.
(17.44)
Здесь iK следует устанавливать в соответствии с данным», приве-
денными выше.
Расчетные значения критического градиента напора (к.кр следу-
ет назначать в зависимости от вида грунта оснований в соответ-
ствии с данными, табл. 17.1. Эта таблица была получена в резуль-
тате обработки статистических данных по 174 уже построенным
Рис. 17.22. Схемы подземного контура, близкие к чистому шпунту.

102
Таблица 17.1
Виды грунтов оснований Расчетный критический градиент напора iK кр
Глины ’ 1,2
Суглинки Песок: °,65
крупный 0,45
средней крупности 0,3В
мелкий 0,29
Примечание. Для плотин I и II классов капитально-
сти при специальном обосновании (наличие подробных данных
изысканий, специально проведенных исследований, при благо-
приятном геологическом строении основания и т. п.) значения
Кр можно принимать более высокими.
плотинам и откорректирована. С течением времени, по мере со-
вершенствования строительства,’ значения iK.Kp должны повышать-
ся. При расчете общей фильтрационной прочности величины ко-
эффициента надежности ka, зависящие от класса сооружений, из-
меняются от 1,25 до 1,1.
Предварительно размеры подземного контура назначают, ис-
ходя из казуальной фильтрационной прочности грунта основания.
При этом пользуются-следующими зависимостями:
а) сильно распластанная схема контура, когда 1‘к==гг.к. В этом
случае минимально допускаемая’ длина подземного контура Lmi„
оказывается равной
Tmln = Ждоп‘- 0,88Тср,. (17.45)
где Тср — средняя глубина залегания расчетного водоупора, поло-
жение которого определяется размером ТРасч' ’
Тср = (Л + Т2 + Ts + ... + Tm)/tn, . (17.46)
здесь Т\ — заглубление расчетного водоупора-под дном верхнего
бьефа; Т2 — под подошвой понура и т. д.; m— число значений Tt
введенных в формулу.
При использовании формулы (17.45), когда действительный
водоупор расположен неглубоко,
Тд<0,5/0> ' (17.47)
(/о — см. рис. 17.14), расчетный водоупор совпадает с действитель-
ным водоупором, причем Тср находится весьма просто.
При глубоком залегании водоупора, когда Тд>0,5/0, для
вместо формулы (17.45) можно дать зависимость
1В+1,51Г = 7//К.ДОП1 . (17.48)
где
LB + Lr = Lmln, (17.49)
(здесь Le и Lr — суммарные длины соответственно вертикальных
и горизонтальных элементов контура).
... ‘ ЮЗ
Разумеется, формулы (17.45) и (17.48) в некоторых случаях
приходится решать подбором в связи с отсутствием в начале рас-
чета данных о /9;
б) общий случай схемы подземного контура, отличной от чис-
того шпунта и не удовлетворяющей условию (17.35),
^ = 2/(ТрасЛ.доп). . (17.50)
При относительно неглубоком залегании действительного во-
доупора Трасч можно принять равной Тл и переписать формулу
(17.50) в виде
= Z/(TR 1„.доп). (17.51)
По этой формуле легко можно найти минимально допускаемое
значение а затем подобрать подземный контур так, чтобы сум-
марный коэффициент сопротивления его не был меньше найден-
ного. -
При относительно глубоком залегании действительного водо-
упора зависимость (17.50) приходится переписать:
/0/s0>5; _ _ (17.52)
/0SC = Z/(0,5iB.„on); (17.53)
в случае
5>/0/s0>3,4, (17.54)
s0Sg = Z/(2,5iK.„on). (17.55)
Определив по формулам (17.53) и (17.54) значение или
s0S£, подбирают контур так, чтобы он характеризовался значени-
ем или s0S£, равным найденному;
в) случай чистого симметричного шпунта при глубоком зале-
гании действительного водоупора; при (s/T) <0,4...0,5 минималь-
ную допустимую глубину забивки шпунта в соответствии с зави-
симостями (17.32) и (17.42) находят по формуле
smln — 2/(3/К1ДОП). (17.56)
§ 17.7. Проверка нормальной фильтрационной прочности
грунта основания
1. Проверка подземного контура на местный фильтрационный
выпор в области выходного фрагмента основания по способу
В. С. Баумгарта и Р. Н. Давиденкова. На рис. 17.23 показан ни-
зовой шпунт (или зуб), причем через hoz обозначен напор в точке
а (плоскость сравнения О—О проведена на уровне нижнего бьефа).
Если установить пьезометр 2, подключенный к точке а, то превы-
шение уровня воды в этом пьезометре над уровнем нижнего
бьефа будет равно h0C1 Выделим столбик грунта abed, имеющий по-
перечное горизонтальное сечение, равное 1 кв. ед. Рассмотрим ус-
ловие равновесия этого столбика. На данный столбик будут дей-
ствовать следующие вертикальные силы:
104 • '
а) сила собственного веса
столбика грунта
1 кв. ед - sBbIIyB3B, (17.57)
где увзв..— удельный вес взвешен-
ного в воде грунта;
б) вес пригрузки данного стол-
бика крупнозернистым материа-
лом (который покрывает дно
нижнего бьефа), равный
1 кв. ед-/упр, (17.58)
где t — толщина слоя крупнозер-
нистого материала (см. рис.
17.23); упр — удельный вес этого
материала, взвешенного в воде;
в) фильтрационная сила, рав-
ная
Рис. 17.23. К расчету местного фильт-
рационного выпора по способу В. С.
Баумгарта и Р. Н. Давиденкова:
1 — флютбет: 2 — воображаемый пьезо-
метр; 3 — низовой шпунт; 4 — пригрузка
дна нижнего бьефа.
1 кв. ед.-й0СуВ1 ,
(17.59)
где ув — удельный вес воды.
Так как фильтрационная сила направлена вверх, то под дей-
ствием ее. и может произойти выпор вверх столбика грунта.
Пренебрегая силами трения по боковым граням ad и Ьс стол-
бика и ограничиваясь рассмотрением только несвязного грунта ос-
нования, можем написать следующее уравнение, отвечающее мо-
менту предельного равновесия'столбика:
«выхТвзв + tynp = Йос Тв* (17.60)
Считая
Тввв —Тпр — Тв. . (17.61)
можно утверждать, что выпора грунта в нижнем бьефе не прои-
зойдет, если
Йос<(«вых + 0. (17.62)
Вводя коэффициент надежности 1,25, видим, что hoc должна
удовлетворять условию
Йос < («вых+ 0/1,25. (17.63)
Если это условие оказывается невыдержанным, то в нижнем
бьефе произойдет выпор грунта; при этом сооружение может раз-
рушиться. Такую проверку на выпор грунта в нижнем бьефе име-
ет смысл выполнять только при условии, если 1вых>0,5...0,6. При
меньших значениях гВых условие (17.63) будет всегда соблюдено.
Если, выполняя проверку на выпор грунта, условие (17.63) при
принятом подземном контуре не выдержано, то в этом случае при-
ходится увеличивать или толщину пригрузки t, или длину шпунта
$вых.
105
Рис. 17.24. Дренаж для борьбы с химичес-
кой суффозией:
1 — понур; 2— дренаж; 3 — шпунт или завеса.
Итак, при пропуске во-
ды через плотину в нижнем
бьефе в конце флютбета
уровень воды может сни-
зиться (благодаря отгону
прыжка или в связи с неус-
тановившимся режимом
движения воды). Это сни-
жение отметки УНБ долж-
но быть учтено при расчете.
2. Проверка основания
на суффозию. Суффозии
грунта обычно следует опа-
саться: на контакте грунта основания и обратного фильтра, покры-
вающего дно нижнего бьефа, и на контакте крупно- и мелкозерни-
стых грунтов, слагающих основание.
Прежде всего нужно установить действующие градиенты на-
пора /д в указанных местах. После этого устанавливают критиче-
кое значение градиентов напора iKP для указанных контактов. Зна-
чение критического градиента напора зависит: а) от грануломет-
рического состава грунтов, находящихся в контакте, а также силы
сцепления, свойственной тому грунту, который может размывать-
ся; б) угла наклона контакта к-горизонту; в) направления филь-
трации. В ответственных случаях критическое значение градиен-
тов напора приходится устанавливать на основании опытов, про-
водимых в лаборатории с образцами естественных грунтов. При
эскизном проектировании критическое значение искомых градиен-
тов напора следует устанавливать по соображению с данными, от-
носящимися к проектированию обратных фильтров.
Прочный в фильтрационном отношении подземный контур (име-
ется в виду отсутствие суффозии) должен удовлетворять условию
1д^1доп — г’кр/%, где kH— коэффициент надежности.
3. Замечания о химической суффозии. Выше мы рассматривали
вопрос о проектировании подземного контура, назначаемого из
условий отсутствия опасной механической суффозии. В случае, ес-
ли основание плотины содержит в себе те или другие растворимые
в воде включения, приходится опасаться еще так называемой хи-
мической суффозии. Борьба с возможностью возникновения опас*
ной химической суффозии затруднительна. Обычно стараются из-
бежать строительства плотины в том месте, где грунт содержит в
себе растворимые в воде включения. Если, однако, это не удается,
то прибегают к различным специальным мерам, как например:
а) устраивают длинный понур с таким расчетом, чтобы фильтру-
ющаяся из верхнего бьефа вода насыщалась до предела раство-
римыми включениями в области основания понура, при.этом хи-
мическая суффозия в области основания самой плотины будет от-
сутствовать; значительные осадки грунта благодаря химической
суффозии получаются только в пределах понура. В этом случае
понур надо устраивать особой конструкции (весьма гибким);
106
б) под понуром делают дренаж (рис, 17.24), перехватывающий
основную часть фильтрационного потока; при этом под плотиной
образуется «застойная» область фильтрационного потока, и хими-
ческая суффозия в основании самой плотины будет отсутствовать;
в) имеются попытки создавать особые водопроницаемые понуры,
выполненные из материала, растворяющегося в воде. Здесь вода,
фильтруясь через понур, насыщается до предела; при дальнейшем
своем движении в области основания плотины получившийся на-
сыщенный до предела раствор уже не способен вызывать химичес-
кую суффозию.
Глава 18. БЫКИ И УСТОИ БЕТОННЫХ ПЛОТИН.
ПОСТОЯННЫЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ
А. БЫКИ ПЛОТИН
§ 18.1. Общие сведения
Быки (рис. 18.1) разбивают весь водосливной фронт на от-
дельные отверстия.
Быки часто выполняют тройную роль: а) служат опорами для
затворов, перекрывающих отверстия плотины; б) служат опора-
ми для транзитных и. служебных мостов; в) на них располагают
стационарные подъемные механизмы затворов. -
.Высота быков должна быть достаточна, чтобы закрепить за-
твор в поднятом состоянии (в случае поднимающихся затворов)'.
Толщину и длину быков назначают из условий: а) размещения'
на них стационарных подъемных механизмов, а также опор мос-
тов; б) устройства в них пазов (ниш) для опорных частей затво-
ров; в) обеспечения-их прочности и устойчивости.
Возможные формы быков в плане показаны на рис. 18.1. Очер-,
тание быков в плане, как правило, должно быть плавным, чтобы:
а) коэффициент расхода отверстия между быками был возможно
большим; б) плавающие тела (лед и т. п.) не задерживались в от-
верстии. '
Устройство пазов (ниш) в быках осуществляют в общем случае
обычных затворов, как показано на рис. 18.2. Пазы 3 сделаны для
рабочих затворов; пазы 1—для ремонтных или аварийных за-
гражденни, под защитой кото- рых (после откачки воды из пространства А и В между указанными заграждениями) выполняют ремонт рабочих затворов и их закладных час- тей. В частном случае, когда уровень воды нижнего бьефа располагается ниже гребня плотины, пазы 1 с низовой сто- роны рабочих затворов не де- -Ж- а ? _ d , jj |_1_1 Рис. 18,1, Схемы очертания быков в плау- не. lot *
Рис. 18.2. Схема быка в плане: - ~~
/ — паз для ремонтного или аварийного затвора 2; 3 — паз для рабочего за-
твора 4.
9 •
лают. Могут встречаться частные случаи, когда не устраивают и
пазы 1 с верховой стороны рабочих затворов.
Размеры пазов (ниш) в плане (а, с, т, п) определяются разме-
рами опорных частей затворов (см. ниже гл. 21).
При эскизном проектировании эти размеры равны:
<2^с^0,5 m; л = щ/2^0,7...2,0 м; т = (1/7...1/10) 6 1...4 м,
где b — ширина отверстия в свету.
Существенным размером является размер d0 (в самом сужен-
ном месте быка). Обычно считают, что d0^ 1,0...1,5 м. При таком
d0 толщина быка d = do + 2n^2,O...6,O м.
А. Р. Березинский рекомендует принимать следующие толщины быков: при
6=10 м d= (0,20...0,25)6; при 6=20 м d= (0,12...0,16)6; при 6=30 м d=(0,10...
0,13)6. ч
Здесь нижний предел относится к напорам Н на водосливе, меньшем 3,0 м.
Как будет указано далее (см. ниже § 18.14), в соответствую-
щих случаях бык по его оси MN (см. рис. 18.2) разрезают дефор-
мационным швом на два полубыка. При наличии такого шва тол-
щину быка увеличивают на 0,5... 1,0 м.
Что касается размеров Z] и /2, то они должны обеспечивать до-
статочно удобную работу по ремонту рабочего затвора (в прост-
ранстве А и В); обычно размеры Z1 и Z2 назначают не менее
1,0...1,5 м. "
Некоторые типы затворов (например, сегментный затвор) не
требуют устройства пазов в быках (см. ниже гл. 21). В этом слу-
чае толщина быка d может быть уменьшена иногда до 1...2 м.
По виду сбоку различают следующие типы быков: бык без ус-
тупа t(pHc. 18.3, а), с одним уступом (рис. 18.3,6), с двумя усту-
пами (рис. 18.3, в), с тремя уступами (рис) 18.3, а).
108
Рис. 18.3. Вид быка сбоку:
а — быки без уступа; б —быки
бык в тремя уступами.
с одним уступом; в — бык с двумя уступами; г —
Рис. 18.5. Схема быка (вид
сбоку);
1 — паз для ремонтных затворов;
2 — служебный мост; 3 — за-
твор; 4 — верхнее колесо за-
твора; 5 — транзитный мост;
6 — временный порог; 7 — ри-
гель; 8 — паз строительного ог-
раждения; 9 — стойки; J0 — за-
граждения во время строи-
тельства; Н — напор на водо-
сливе (когда затвор поднят и
отверстие полностью открыто);
h — толщина струи воды, пере-
ливающейся через плотину прн
поднятом затворе (h«O,75/f);
а — возвышение верхнего колеса
затвора над гребнем пл'отины
(иногда д~0,66Я); di — возвы-
шение гребня затвора над
НПУ; d2 — превышение гребня
глухой части плотины над НПУ
(если транзитную дорогу рас-
полагают по гребию этой части
плотины, а не по ее берме);
d3— возвышение верха быка над
гребнем водосливной части
плотины.
Рис. 18.6. Схема бЫка,
имеющего консоль (вид
сбоку):
/ — консоль; 2 — паз для
ремонтных затворов; 3 — паз
для рабочих затворов. •
По намеченным уступам пролагают
транзитные (автодорожные и железнодо-
рожные) и служебные мосты. Эти уступы
намечают так, чтобы по возможности объ-
ем бетонной кладки, образующей бык, был
наименьшим, т. е. чтобы бетон распределял-
ся в теле быка наивыгоднейшим образом.
В связи с этим, например, железнодорож-
ный мост, как дающий сравнительно боль-
шую нагрузку, располагают ближе к сред-
ней части быка; автодорожный же мост,
Дающий меньшую нагрузку, — дальше от
средней части быка.
Отметку верха быка в случае плоских
колесных затворов на1значают такой, чтобы
при полностью открытом отверстии верхнее
колесо затвора не вышло из паза.
По отношению к гребню водосливной
плотины быки располагают так, чтобы ли-
ния опирания затворов совпадала с самим
гребнем плотины. В связи с этим иногда приходится выдвигать бык
в область верхнего бьефа, что обычно способствует увеличению ко-
эффициента расхода водослива.
Дополнительно отметим еще следующие обстоятельства:
1) наличие пазов в быках с чисто гидравлической точки зрения
является нежелательным — в этих пазах возникают водоворотные
области, причем коэффициент расхода водослива несколько сни-
жается; 2) если через плотину сбрасывается лед, то верховой
оголовок быка может быть запроектирован в виде ледореза —
ему в плане придают заостренную форму; верховое же «режущее»
ребро ab делают наклонным (рис. 18.4), чтобы льдины могли
вползать вверх по этому ребру и разламываться на нем под дей-
ствием собственного веса на две части. Однако в последнее время
пришли к заключению, что лед через отверстия сбрасывается ред-
ко и потому режущее ребро ab делают вертикальным.
Примеры быков показаны на рис. 18.5...18.7. Часто принимают
(рис. 18.5) 6?i=0; иногда ф = 0,2...0,5 м—в зависимости от высо-
ты ветровых волн в верхнем бьефе.
Ось транзитной дороги 1—1 увязывают (в плане) с гребнем
глухой плотины.
Минимально допустимое значение d3 принимают равным
d3 = h + а х 0,75Н + 0,66Д «(1,5.. .2,0) Н-,
именно при таком значении йз верхнее колесо затвора не выйдет
из паза, когда затвор полностью откроет отверстие.
Минимальная допустимая отметка верха быка
\?Гр. быка = V Гр .пл. + d3t,
где ^Гр.пл — отметка гребня водослива.
110
Рис. 18.7. Схема быка с тремя уступами (вид сбоку):
1 — рабочий затвор; 2—паз для ремонтного затвора; 3 — подкрановая балка; 4 — шандор;
5 — портальный кран; 6 — подъемный механизм; 7—схема крана в аксонометрии; 8 — рельс;
На рис. 18.5 показан временный порог, через который в период
возведения плотины пропускают строительный расход. Чтобы в
последующем забетонировать часть плотины, расположенную вы-
ше временного порога, в пазу 8 создают заграждение, состоящее
из элементов 7, 9, и 10. Ремонтный затвор подвешивают в пазах
1, чтобы он прижимался в точке b к телу плотины.
На рис. 18.6 приведен пример быка, имеющего консоль 1, а
на рис. 18.7 показан бык с тремя уступами. Здесь рабочие затво-
ры обслуживаются стационарными подъемными механизмами;
ремонтные же затворы — подвижными подъемными механизма-
ми в виде портальных или козловых кранов, причем один кран
имеет консоль. Размер do должен быть достаточным, чтобы пла-
вающие тела (лед) не ударялись о подкрановые балки.
§ 18.2. Замечания о конструкции быков
и их статическом расчете
1. Замечания о конструкции быков. Быки делают обычно из бе-
тона . или 'железобетона. Армируют часто все углы и ниши
(рис. 18.8). Ранее при наличии сильного ледохода или крупных
наносов (в большом количестве) быки полностью или частично
покрывали облицовкой из прочного отесанного камня. В настоя-
щее время углы быков иногда облицовывают фасонным железом.
В случае скального основания тело быка можно отделять от тела
водосливной части плотины вертикальными сквозными поперечны-
ми швами. При наличии таких швов быки работают независимо от
тела водосливных частей плотины. В случае нескального основания
быки от тела водосливных частей плотины отделять сквозными
111
деформационными швами нельзя, и разрезку плотины темпера-
турными и осадочными сквозными швами выполняют по осям бы-
ков (рис. 18.9). При этом некоторые быки расчленяют на полубыки.
2. Замечания о статическом расчете быков. Если бык не отре-
зан от водосливных участков плотины, то в этом случае бык (или
полубыки) рассчитывают совместно с водосливными участками
плотины. Если же бык отделен от водосливных участков плотины
двумя сквозными деформационными швами, то его подвергают
отдельному статическому расчету (на устойчивость и прочность).
При этом различают следующие расчетные случаи: 1) эксплуа-
тационный— рабочие затворы закрыты, в верхнем бьефе имеем
НПУ или ФПУ, давление воды от затворов передается на быки
(при наличии затворов соответствующей конструкции). Дополни-
тельно учитывают давление льда, действующее непосредственно
на бык. В некоторых случаях приходится учитывать еще давление
насосов. Максимальное вертикальное нормальное напряжение,
действующее на основание, при рассмотрении эксплуатационного
случая получается в низовой части быка; 2) строительный — верх-
ний бьеф еще не наполнен, на бык действуют только вертикаль-
ные силы. Максимальные нормальные напряжения в этом случае
будут в верховой части быка; 3) случай ремонта рабочего затво-
ра— считается, что один пролет плотины перекрыт ремонтными
затворами (рис. 18.10), причем из пространства 3 вода удалена;
/2
Рис. 18,9. Разрезка быка 1 сквоз-
ным деформационным швом 2.
Рис. 18.10. Расчетный случай — ре-
монт рабочего затвора и его заклад-
ных частей:
1 — бык; 2 — ремонтный затвор; 5 — про-
странство, из которого удалена вода.
112
при этом рассматриваемый бык испытывает боковое давление
воды со стороны соседнего пролета.
При статическом расчете быка необходимо учитывать проти-
водавление, действующее на подошву фундамента быка, а также
в расчетных горизонтальных швах. При рассмотрении 1-го и 3-го
расчетных случаев принимается минимальная возможная верти-
кальная нагрузка на бык.
Расчет прочности быка ведется для ряда его горизонтальных
сечений. При этом ставится условие, чтобы в этих швах отсутст-
вовали растягивающие напряжения. Впрочем, при рассмотрении
3-го расчетного случая иногда допускают раскрытие швов на не-
которую глубину.
Устойчивость быков при рассмотрении 1-го расчетного случая
проверяют только на сдвиг. Дополнительно проверяют местную
прочность быков.
Б. УСТОИ БЕТОННЫХ ПЛОТИН
§ 18.3. Общие сведения
Различают два типа устоев: 1) раздельный устой, с помощью
которого водосливная часть плотины отделяется: а) от глухой
бетонной части плотины; б) от какого-либо сооружения, напри-
мер от здания ГЭС и т. п.; 2) так называемый сопрягающий устой,
с помощью которого водосливная плотина сопрягается: а) с зем-
ляной плотиной; б) с берегом, причем в этом случае мы получаем
сопрягающий береговой устой.
Основное назначение устоев — выполнять те же функции, что
выполняют быки в отношении затворов, мостов и подъемных ме-
ханизмов; в связи с этим очертания верха устоя (в виде сбоку)
оказывается примерно таким, же, как и очертания верха быка.
'Дополнительно раздельный устой должен предохранять от под-
мыва водой, сливающейся с плотины, соседнее сооружение, а со-
прягающий устой — обеспечивать надежное сопряжение водо-
сливной плотины с берегом или земляной плотиной и защищать
от подмыва их в нижнем бьефе.
Раздельный устой представляет собой по существу полубык
Отличие раздельного устоя от полубыка заключается в следую
щем (рис. 18.11): а) низовая часть 1 устоя удлиняется (по срав
нению с быком), чтобы защитить от подмыва соседнее сооруже
ние; б) грань ab устоя всегда
должна располагаться выше сво-
бодной поверхности струи на во-
досливе (на d«l...l,5 м).
§ 18.4. Типы бетонных
сопрягающих устоев
.1. Устой с обратными стенка-
ми (с обратными крыльями).
8 Р. Р. Чугаев
Рис. 18.11. Раздельный устой.
113
1 1
I
Рис. 18.12. Сопрягающий
устой с обратными стей-
ками (схема а):
/ — плотина; 2 — обратная
стенка; 3 — пазуха устоя
(засыпка отсутствует); 4 —•
продольная стенка; 5 — за-
сыпка пазухи устоя.
Такой устой сооружают по одной из двух схем: по схеме а (рис.
18.12) обратные стенки 2 составляют (в плане) с продольной стен-
кой 4 устоя .углы а = 90°*; по схеме б (рис. 18.13) обратные стенки
2 составляют (в плане) с продольной стенкой 4 углы а>90° (при-
чем стенка 2 в некоторых случаях может быть не прямолинейна в
плане, как показано на рисунке, а криволинейна).
Как видно из рис. 18.12, длина обратной стенки в этом случае
равна ...
I — /0 + с = mH + с,
где 1й = тН—заложение откоса; т—: коэффициент откоса Н —
высота откоса; с—запас, равный 0,5...1,0 м.
Из приведенной формулы ясно, что длина обратных стенок
зависит от заложения откоса /о- Для сокращения длины обратной
стенки / до /' (рис. 18.14) иногда «вдвигают» земляной откос в
водосливной пролет (т.е..вместо откоса ab назначают откос а'Ь').
Чтобы такой «вдвинутый» откос не размывался водой, он должен
быть покрыт креплением. •
Линию абвг (см. рис. 18.12), ограничивающую устой с внут-
ренней стороны (со стороны засыпки пазухи устоя), называют
подземным контуром устоя; линию дежз, ограничивающую устой
снаружи, называют внешним контуром устоя.
Подземный контур устоя омывается безнапорным фильтра-
* В соответствующих случаях углы сопряжения продольной стенки с обрат-
ными стенками армируются.
114 .
Рис. 18.13. Сопрягающий
устой с обратными стенка-
ми (схема б):
7 —продольная стенка; 2 — об-
ратная стенка. »
Рис. 18.14. Сечение 2—2 (см. рис.’ 18.12)
сопрягающего устоя с обратной стенкой.
2
Рис. 18.15. Устой с откосными крыльями:
/ — откосное крыло; 2 — продольная стенка; 3 — пло-
тина бетонная; 4 — плотина земляйая.
ционным потоком, возникающим в береге (в обход плотины).
Внешний контур устоя омывается обычным (поверхностным) по-
током воды, протекающей через крайнее отверстие плотины.
2. Устой с откосными крыльями (в частности, с «ныряющими
крыльями», получающимися, когда их гребень уходит под йоду).
Откосные крылья в плане могут быть прямолинейными (как по-
казано на рис. 18.15) или криволинейными.
3. Устой с косыми плоскостями (часто применяемый в случае
небольших подпорных сооружений на каналах). Косой поверх-
ностью 1 (рис. 18.16) является несколько криволинейная (не пло*
ская) поверхность abed, которая строится следующим образом:
намечают два прямолинейных отрезка аЬ и de, лежащих на раз-
ной высоте; далее намечают прямую тп, лежащую в поперечной
(по отношению к каналу)
вертикальной плоскости;
прямая тп, скользя по на-
правляющим аЬ и de, опи-
сывает искомую косую
плоскость. Часто приме-
няются устои комбиниро-
ванного типа, когда, на-
пример, в верховой части
устоя имеется обратная
стенка, а в низовой,'—от-
косное крыло и тому по-
добное.
. Приведенные типы ус-
тоев (исключая устои на
рис. 18.15) относятся к
случаю сопряжения пло-
тины с берегом, образо-
8*
115
Рис. 18.16. Устой с косыми плоскостями:
1 — косая плоскость; 2 — продольная стенка
3 — затвор; MN — ось канала.
18.17 приведен пример устоя,
ну с земляной. В верховой
устря;
ванным нескальным грун-
том. В случае скальных
берегов конструкция ус-
тоя упрощается: здесь
устой обращается в вер-
тикальную (продоль-
ную) бетонную стенку с
коротким^ обратными
крыльями, врезанными в
скалу.В некоторых случа-
ях продольную стенку ук-
репляют анкерами, заде-
ланными в скальный бе-
рег.
4. Пример устоя, соп-
рягающего бетонную пло-
тину с земляной. На рис.
сопрягающего бетонную плоти-
части устоя имеется обратная
стенка; в низовой — откосное крыло. Верховой откос плотины
«вдвинут» в первый. пролет бетонной плотины. Заметим, что центр
01 должен лежать за пределами подошвы низового откоса зем-
ляной плотины. При проектировании рассматриваемого узла при-
ходится решать вопрос о сопряжении дренажной земляной пло-
тины и бетонной, а также вопрос о сопряжении противофнльтра-
ционных устройств земляной плотины с бетонным устоем. В
некоторых случаях понур 10 бетонной плотины приходится под-
водить под конус 11 земляйой плотины.
Уширенный гребень земляной плотины в месте примыкания
ее к бетонной иногда используют для хранения ремонтных за-
граждений отверстий бетонной плотины.
На рис. 18.17 показан случай, когда водосливный фронт бе-
тонной плотины расположен примерно по линии уреза воды вер-
хового откоса земляной плотины. Дорога, пролагаемая по греб-
ню земляной плотины, имеет,повороты. Иногда эту дорогу проек-
тируют прямолинейной в плане, причем бетонную часть сооружения
несколько выдвигают в область верхнего бьефа.
§ 18.5. Выбор типа устоя. Проектирование
внешнего контура устоя
Тип устоя и его основные размеры выбирают с учетом следу-
ющих главнейших факторов: 1) конфигурации грунтового -масси-
ва, к которому примыкает бетонная плотина; 2) типа и размеров
затворов плотины; 3) размещения затворов, подъемных механиз-
мов и транзитных мостов.
Условия статической работы отдельных стенок, образующих
устой, должны быть наиболее выгодными, с тем чтобы объем бе-
тона получился наименьшим. Объем бетона, потребного для
116
Рис. 18.17. Устой, сопрягающий бетонную плотину с земляной (план; безмасштаб-
ная схема):
А—А — ось земляной плотины: Б—Б — ось транзитного моста бетонной плотины; 7 — обрат-'
ная стенка; 2 — шпунтовый свайный ряд под плотиной; 3 — продольная стенка устоя с го-
ризонтальным гребнем; 4 — шахта (вход в поверну); 5 — откосное крыло; 6 — откосное кры-
ло с горизонтальным гребнем; 7 — транзитный мост; 8 — бык; 9— потерна; 10 — понур; 11 —
конус земляной плотины, «вдвинутый» в пролет;- Ьо—ширина поверху земляной плотины;
Ьм —ширина транзитного моста; b — ширина отверстия йлотнны; Уг. пов.—угол поворота;
НК —начало кривой оси плотины; г— радиусы; — глубина нижнего бьефа.
Рис. 18.18. Схема водосливной плотины (в
плане):
1, 3 — верховой и низовой открылки; 2 —продоль-
ная стенка устоя; а в —угол, определяющий на-
правление верхового открылка; — то же, ни-
зового открылка; vq — скорость подхода.
возведения устоя, получает-
ся относительно большим,
поэтому если земляная пло-
тина, сопрягающая бетон-
ную водосливную плотину с
берегом, имеет небольшую
длину, то иногда выгоднее,
с экономической точки зре-
ния, эту плотину заменить
глухой бетонной плотиной и
не устраивать сопрягающе-
го устоя большой высоты,
примыкающего к земляной
плотине.
Проектируя устой, учи-
тывают следующие гид-
равлические условия:
1) боковое сжатие пото-
ка и потери напора при
истечении через отверстия
плотины должны быть
возможно меньшими;
2) удельный расход q
должен распределяться
по ширине водосливного
фронта возможно равно-
мернее; 3) плавающие те-
ла (лед и т.п.) должны
Рис. 18.19. Учет скорости подхода при проек-
тировании верховых открылков.
свободно проходить через отверстия плотины. Имея в виду сказан-
ное, следует стремиться к тому, чтобы при подходе к отверстиям
плотины не' возникали водоворотные области, т. е. чтобы обеспечи-
валось безотрывное обтекание стенок устоев (и быков).
На рис. 18.18 дана схема водосливной плотины в плане. Удель-
ный расход,- которым задаются при проектировании водосливно-
го фронта,
Я — Срасч^>
где Срасч :— расчетный расход и В — ширина водосливного фронта.
Как видно из формулы, ширина В не зависит от коэффициен-
та расхода водослива т. От т зависит только высота затворов
(см. § 14.6). Придавая устоям обтекаемую форму, уменьшаем
только высоту затворов. Отметив это обстоятельство, рассмотрим
вопрос о проектировании верховых и низовых открылков устоев.
Верховые открылки. Здесь можно дать следующие практические
рекомендации: 1) в случае рис. 18.19, а, когда где Т —
глубина воды в верхнем бьефе и Н—напор на водосливе, ско-
рость подхода к водосливу п0 получается столь малой, что с гид-
равлической точки зрения безразлично, какое очертание (в пла-
118
Рис. 18.20; Верховые открылки:
с, б, а — нерекомендуемые; г, д, е — рекомендуемые (в определенных условиях); 1 — неза-
топляемый гребень устоя; 2 — затопляемый гребень устоя; 3 — эллиптическое очертание от-
крылка; 4 — консоль.
не) будет придано верховому открылку. При таком соотношении
вопрос об очертании верховых открылков следует решать только
на основании экономических и конструктивных соображений (без
учета гидравлических условий); 2) в случае рис. Г8.19, б, когда-
Т1Н<Ъ, необходимо учитывать гидравлические условия. Исходя
именно из этих условий, нельзя рекомендовать следующие от-
крылки: а) ныряющую откосную стенку аЬ при угле аг>=0 (рис.
18.20, а); при наличии такой стенки через нее будет переливаться
вода, причем будем иметь невыгодную гидравлическую картину;
б) открылки аЬ, показанные на рис. 18.20, б, в.
При наличии (Т/Н)<5 можно’ рекомендовать: а) открылок
эллиптического очертания в плане (с отношением полуосей f:
ех2,25; рис. 18.20, г); б) комбинированный верховой открылок
(рис. 18.20, д); в) открылок в виде обратной стенки со скруглен-
ным по возможности ребром а (рис." 18.20, е).
Конус земляной плотины, «выдвинутый» в пролет плотины,
улучшает гидравлические условия (но до известного предела).
В соответствующих случаях при малых отношениях Т/Н в про-
цессе проектирования очертание верховых открылков приходится
проверять на модели сооружения в лаборатории.
Низовые открылки. Во избежание отрыва' транзитной струи от
119
низового открылка угол ан назначают, например, из условия
tg ан^’/e и т.п. В некоторых случаях принимают ан = 90°. Во-
прос о низовых открылках связан с проектированием нижнего
бьефа (см. гл. 15 и 16). Здесь также часто приходится обращать-
ся к специально поставленным лабораторным опытам.
§ 18.6. Замечания о проектировании
внутренней поверхности устоя
При выборе типа устоя фильтрации в обход устоя играют
второстепенную роль. Эти условия надо учитывать главным об-
разом при проектировании внутренней поверхности устоя. Здесь
учитывают следующее: 1) грунт, примыкающий к устою, по воз-
можности должен быть маловодопроницаем и не изменять свое-
го объема при намокании и замерзании;^) этот грунт не должен
размываться фильтрационным потоком;* 3) давление грунтовой
воды на низовую часть устоя должно быть по возможности мень-
шим.
Как следствие этих условий, различают три вопроса, связан-
ные с проектированием внутренней поверхности устоя: 1) проек-
тирование грунтовой засыпки пазухи устоя; 2) проектирование
очертания устоя в вертикальном поперечном сечении; такое очер-
тание назначают обычно прямолинейным (см. поверхность ab на
рис. 18.21, а, б); 3) проектирование внутреннего очертания ' устоя
в плане, т. е. проектирование его подземного контура.
Остановимся на последнем вопросе. При проектировании под-
земного контура устоя сталкиваются с безнапорной фильтрацией
в обход устоя. Чтобы в нижнем бьефе не возник местный фильтра-
ционный выпор или внешняя суффозия, в низовой части устоя уст-
раивают соответствующий дренаж, защищенный обратным филь-
тром. Этот дренаж должен быть продолжением дренажа земля-
ной плотины. •
Приближая дренаж, устоя к верхнему бьефу, снижают депрес-
сионную поверхность потока и, следовательно, уменьшают дав-,
ление грунтовой воды на стенку устоя; укорачивают длину под-
земного контура устоя и, следовательно, снижают фильтрацион-
ную прочность засыпки пазухи устоя.
С целью увеличения дли-
ны подземного контура ус-
тоя устраивают иногда так
называемые длинные шпоры
(рис. 18.22). Такая шпора
должна располагаться не
ниже (по течению) линии
затворов плотины. Длину
шпоры, а также местополо-
жение дренажа устанавли-
Рис. 18.21. Очертания внутренней поверх- ваЮт„ Расчетом фильтраци-
ности ab устоя. оннои прочности засыпки па-
120
Рис. 18.22. План длинной шпоры устоя:
/ — шпора; 2 — продольная стенка; 3 — линия
затворов.
Рис. 18.23. Сопряжение шпунтового
ряда плотины с ее длинной шпорой:
1—шпунтовый ряд; 2 — гребень плотины;
3 — продольная стенка устоя; 4 — откос
берега в верхнем бьефе; 5 — берег; 6 —
шпора.
зухи устоя (см. § 18.7). Длинные шпоры можно выполнять: а) в
виде бетонной или железобетонной стенки; толщина такой стен-
ки книзу должна увеличиваться; б) в виде ядра из глинистого
грунта; в) в виде свайного шпунтового ряда. Если под плотиной
имеется шпунт, то его сопрягают со шпорой. На рис. 18.23 показа-
но несколько возможных направлений фильтрации: bp, а2 bi;
a3b3-, ctibi. Длина подземного контура сооружения для всех этих
направлений должна быть примерно одинаковой. При отсутствии
длинной шпоры шпунтовые ряды плотины должны проходить под
устоем и врезаться в берег, перекрывая пути фильтрации.
§ 18.7. Расчет фильтрации в обход устоя и казуальной
фильтрационной прочности засыпки пазухи устоя
Расчет безнапорной фильтрации в обход устоя при заданных
отметках УВБ -и УНБ, а также отметки дна русла выполняют с
целью: 1) построить опоясывающую устой кривую депрессии, необ-
ходимую для статического расчета устоя; 2) определить средний
пьезометрический уклон безнапорного фильтрационного потока
(возникающего в береге), контролирующий казуальную фильтра-
ционную прочность грунтовой засыпки пазухи устоя.
При таком фильтрационном расчете часто исходят из условий
плановой фильтрации, при наличии которой живые сечения потока
представляют собой цилиндрические поверхности с вертикальны-1
ми образующими.
1. Описание фильтрационного потока. На рис. 18.24, б входным
живым сечением является поверхность откоса и дно верхнего бье-
фа; выходным — поверхность низового откоса а дно нижнего бье-
фа. Линия 1'—2—3—4—5—6', опоясывающая устой, — кривая де-
прессии (в плане). Развернем подземный контур устоя в прямую
линию и покажем вертикальное сечение, проведенное по этой ли-
нии (рис. 18.25, а). В сечении 1—1 будем иметь картину, показан-
121
Рис. 18.24. Сопряжение с берегом устоя, имеющего обратные стенки:
Г—2—3—4—5—6' — опоясывающая устой кривая депрессии; 7 — водосливная плотина;
8 — кривая депрессии; 9 — гребень плотины;--------линии тока;------ —
гидроизогипсы (живые сечеиия).
ную на рис. 18.25, б. Чтобы определить давление грунтовой воды
на стенку устоя, требуется построить кривую депрессии 1'—2—3—
4—5—6'.
2. Расчет фильтрационного потока. Согласно Форхгеймеру:
1) живые сечения потока считаем цилиндрическими с вертикаль-
ными образующими; 2) водоупор принимаем горизонтальным;
3) промежуток высачпвания в нижнем бьефе исключаем из рас-
смотрения.
Далее поступают следующим образом:
Рис. 18.25. Опоясывающая устой кривая депрессии Г—6' (а) и поперечное се-
чение продольной стенки (6).
122
Рис. 18.26. Воображаемый флютбет:
1 — пьезометрическая линия для подземного контура флютбета.
Г) представим себе так называемый воображаемый флютбет
(рис. 18.26), имеющий тот же подземный контур 1—2—3—4—5—6„
что и заданный устой, и характеризуемый значением Т=оо. Напор
Z на воображаемом флютбете принимаем равным напору, действу-
ющему на сооружении; 2) для воображаемого флютбета по методу
ЭГДА строим линии равного напора и линии тока; 3) найденные
таким образом линии равного напора могут быть приняты за гид-
роизогипсы. Однако «наименование» таких гидроизогипс, долж-
но быть отличным от «наименования» совпадающих с ними линий
равного напора, полученных для воображаемого флютбета. Заме-
тим, что каждая линия равного напора на рис. 18.26 имеет свое
численное «наименование»: Z; 0,9 Z; 0,8 Z и т.д.; гидроизогипсы на
рис. 18.24 также имеют свое численное «наименование» (в виде
определенной отметки депрессионной поверхности). Пользуясь весь-
ма простыми зависимостями и исходя из найденного «наименова-
ния» каждой линии равного напора, легко можно найти искомое
«наименование» совпадающей с ней гидроизогипсы. Этим в основ-
ном исчерпывается поясняемая фильтрационная задача.
Развивая данный способ расчета, можно легко получить следу-
ющую формулу для определения глубины h фильтрационного пото-
’ка непосредственно за продольной стенкой устоя (в любой точке
пг; см. рис. 18.24, а):
где h-i и h2 — глубины в верхнем и нижнем бьефе; hf для данной
точки т определяют из рассмотрения воображаемого флютбета как
потерю напора от точки т до нижнего бьефа; .значение hf для
флютбета легко можно найти, например, по методу коэффициентов
сопротивления (см. § 18.5). Пользуясь приведенной формулой, мо-
жно построить кривую депрессии 1—2—3—4—5—6, опоясывающую
устой.
3. Расчет фильтрационной прочности засыпки пазухи устоя.
123
Имея поясненный выше воображаемый флютбет, рассчитывают его
основание на? фильтрационную прочность (см. § 18.6). Если это ос-
нование оказывается достаточно прочным, тозасыпка пазухи устоя
будет также достаточно прочна в фильтрационном отношении.
§ 18.8. Замечания о статическом расчете береговых устоев
Бетонные устои рассчитывают как подпорные стенки подобно
глухим бетонным плотинам. При расчете устоев различают эксплу-
атационный и строительный расчетные случаи. -
1. Эксплуатационный случай. При расчете рассматривают 1 м
продольной стенки устой (см. рис. 18.25, б) в том ее месте, где ра-
бота устоя оказывается наиболее тяжелой. В случае, когда в про-
лете плотины имеется флютбет (см. § 15.2), наиболее опасное сече-
ние продольной стенки будет часто располагаться непосредственно
за линией затворов, где уровень воды в пролете плотины достаточ-
но низкий.
На продольную стенку устоя действуют следующие силы: 1) гид-
ромеханическое давление Pi грунтовой воды; 2) давление Р? взве-
шенного грунта, расположенного ниже уровня грунтовой воды;
3) давление Рз сухого грунта, расположенного выше уровня грун-
товой воды; 4j давление Р4 воды со стороны отверстия плотины
(это давление определяется для самого низкого уровня воды);
5) противодавление W, действующее на подошву устоя; 6) собст-
венный вес G рассматриваемого 1 м бетонной стенки.
Откосные крылья устоев рассчитывают аналогично; стенки, об-
разующие косые плоскости, — как лежачие подпорные стенки. Что
касается обратной стенки, то в месте примыкания ее к продольной
стенке сечение обратной стенки назначают таким же, как и сечение
продольной стенки. В самом конце обратной стенки, где она полно-
стью врезана в грунт, сечение ее назначают минимальным допусти-
мым по конструктивным соображениям (например, толщину стен-
ки назначают 0,5... 1,0 м). Если продольная стенка коротка, причем
она достаточно жестко соединена с обратными стенками, то весь
устой рассчитывают на сдвиг как одно целое сооружение.
При наличии хорошего скального основания подпорную стенку
иногда можно не проверять на сдвиг, ограничиваясь только провер-
кой на отсутствие растягивающих напряжений в бетоне.
Если устой, отрезанный деформационным швом от бетонной во-
досливной плотины, расположен на скальном основании, то обычно
расчет устойчивости на сдвиг продольной стенки устоя выполняют
без учета реакции бетонного массива водосливной плотины. В слу-
чае наскального основания часто можно допускать небольшой
сдвиг устоя в сторону бетонной плотины (на величину ширины де-
формационного шва); при этом представляется возможным учиты-
вать упомянутую реакцию. Ширина подпорной стенки устоя понизу
получается обычно, равной (0,5...0,65) Н, где Н — высота стенки
(коэффициент 0,5 относится к случаю сухого грунта).
В случае нескальноро основания устой (так же как и бык) не
124 - • '
следует отделять деформаци-
онным швом от водосливной
части плотины (или от флют-
бета).
2. Строительный случай.
Дополнительно устои должен
быть проверен на отсутствие
растягивающих напряжений по
подошве фундахмента при ра-
Рис. 18.27. Раскрытие шва ab в процес-
се производства работ:
1 — шов в бетонном сооружении; 2 — продоль-
ная стенка устоя; 3 — пазуха устоя.
боте его* в условиях, когда па-
зуха устоя еще не заполнена
грунтом. Намечая в этом слу-
чае действующие силы, учитывают порядок производства работ
при сооружении устоя. Если устой сразу возвести на полную вы-
соту (рис. 18.27), то по линии ab может открыться'щель, причем
в последующем в этом месте может образоваться опасный филь-
трационный ход. Поэтому иногда, засыпку пазухи ведут по мере-
возведения устоя. Разумеется, при таком порядке производства ра-
бот необходимость рассмотрения строительного случая может от-
пасть. При проектировании устоя приходится учитывать соответ-
ствующие температурные деформации устоя и температурные на-
пряжения, возникающие в теле устоя.
§ 18.9. Дополнительные замечания о конструкции устоя
При расположении устоя на слабых грунтах фундаментальную
часть его приходится расширять, с тем чтобы уменьшить напряже-
ния на поверхности грунта. При этом предусматривают соответст-
вующие консоли и К.2 (см. рис. 18.21)*. Иногда отказываются
от бетонных массивных устоев и переходят к железобетонным усто-
ям. В некоторых случаях под устоями делают свайное основание,
хотя это нежелательно из-за контактной фильтрации.
Низовую часть устоя, как правило, дренируют, чтобы снизить
давление грунтовой воды на стенку. Выпуск грунтовой воды из дре-
нажа наружу при этом осуществляют через фильтрационные отвер-
стия, сделанные .в самой стенке устоя
Рис. 18.28. Выпуск грунто-
вой воды через стенку
устоя:
J — выпуск; 2 — дренаж, защи-
щенный обратным фильтром.
(рис. 18.28). В пределах устоя часто рас-
полагают вспомогательные сооружения:-
рыбоходы, спуски в потерну, служебные
лестницы, помещения для хранения ре-
монтных заграждений и т.п. Если про-,
дольная стенка устоя достаточно длин-
ная, то се приходится разрезать соответ-
ствующими поперечными деформацион-
ными швами. L
Грунт, которым заполняют пазуху
* На рис. 18.21 и 18.27 приведен случай, ког-
да на нескальном основании устой отделен де-
формационным швом от флютбета.
125.
устоя, должен быть тщательно уплотнен, иначе может возникнуть
опасная контактная фильтрация.
В. ПОСТОЯННЫЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ШВЫ ПЛОТИНЫ
§ 18.10. Общие сведения
Бетонную плотину расчленяют на Отдельные конструктивные
секции постоянными сквозными поперечными деформационными
швами (эти швы называют также конструктивными). Дополни-
тельно иногда предусматривают несквозные поперечные деформа-
ционные Швы, устраиваемые в пределах данной конструктивной
секции плотины. При наличии несквозных постоянных деформаци-
онных швов расстояние между сквозными деформационными шва-
ми увеличивают*.
Несквозные деформационные швы являются всегда только тем-
пературными швами; сквозные же деформационные швы могут
быть как температурными, так и температурно-осадочными.
Следует различать два вида температурных деформаций бетон- '
ного массива: а) деформации, обусловленные экзотермией бетона;
б) деформации, вызванные колебанием температуры среды; послед-
ние деформации распространяются только в пределах поверхност-
ного слоя бетона (на глубину, например, до 5 м) **.
Что касается усадочных деформаций бетона, то в случае плотин
с ними обычно не считаются.
При проектировании деформационных швов определяют:. 1) рас-
стояние между постоянными сквозными деформационными швами,
а также несквозными швами; 2) места расположения этих швов в
плотине; 3) ширину швов; 4) способ уплотнения поперечных швов,
чтобы в них не возникла фильтрация воды из верхнего бьефа в
нижний.
Надо подчеркнуть, что деформационные швы устраивают с це-
лью не допустить опасных растягивающих напряжений в бетоне,
вызванных упомянутыми выше деформациями. Вообще можно бы-
ло бы пойти по другому пути: не устраивать деформационных швов,
но предусмотреть установку соответствующей арматуры, которая и
восприняла бы получающиеся при этом большие растягивающие
напряжения. Однако второй вариант (армирование плотины) полу-
чается менее экономичным и менее надежным. Разрезка же плоти-
ны швами вносит определенность в ее работу, что облегчает проек-
тирование плотины.
В случае нескального основания всегда следует предусматривать
устройство деформационных швов. В случае скального основания, s
* Вместо постоянных деформационых швов (или дополнительно к ним) ино-
гда устраивают еще временные деформационные швы сквозные и Швы-надрезы,
а также рабочие швы бетонирования.
** Существует еще третий вид температурных деформаций бетонной плоти-
ны, обусловленный разницей между среднегодовой температурой сооружения и
температурой бетонной смеси при ее укладке.
126
когда не опасаются осадок, иногда не устраивает постоянных де-
формационных швов. При этом предусматривают временные попе-
речные деформационные швы, которые после окончания темпера-
турных деформаций, вызванных экзотермией-бетона, цементируют
в наиболее холодное время года. В построенной таким образом
плотине не будут возникать опасные растягивающие напряжения,
вызванные колебанием температуры среды; лишь летом будут воз-
никать повышенные сжимающие напряжения; однако сжимающие
напряжения для бетона обычно не опасны.
§ 18.11. Схемы разрезки плотины деформационными швами
Проектируя постоянные деформационные швы в теле бетонной
водосливной плотины, учитывают следующие обстоятельства:
1) намечая один, два или несколько сквозных деформационных
швов аЬ между соседними быками А и В (рис. 18.29, а, б), получа-
ют условия, когда при наличии деформации основания плотины
осадка отдельных ее частей (выделенных сквозными швами) мо-
жет оказаться различной; в связи с этим геометрическая форма
отверстия, перекрываемого затвором, может изменяться, ' причем
будет нарушаться нормальная работа затвора — уплотнения затво-
ра могут дать недопустимую течь, сам же затвор может «закли-
ниться» в отверстии;
2) намечая сквозные деформационные швы только по осям бы-
ков (рис. 18.30) и расчленяя при этом соответствующие быки на
полубыки, можно не опасаться при наличии осадок основания из-
менения геометрической формы отверстий, перекрываемых затво-
рами;
3) в случае схемы на рис. 18.29, а швов должно получиться-
больше по сравнению со схемой на рис. 18.30, а; при этом каждый
шов уплотнять несколько сложнее. Вместе с тем при наличии схе-
Рис. 18.29. Разрезка плотины постоянными деформационными швами 2 в
случае скального основания:
/ — затвор; 2 — шов; 3 — временный порог; 4— арматура.
127
Рис. 18.30. Разрезка плотины деформационными швами 2 в случае нескаль-
ного основания (схемы айв могут применяться и в случае скального осно-
вания): *.
1 — затвор; 2— деформационные швы; 3 — арматура; 4— железобетонная фундаментная
плита.
мы, показанной на рис. 18.29, а, имеются хорошие условия произ-
водства работ — в пролете между быками удобно устроить времен-
ный порог cd для пропуска строительного расхода (см. ниже гл.
27), а также вести работы по бетонированию данного пролета ме-
тодом гребенки; при наличии высоких затворов, располагаемых,
например, на флютбете, схема, согласно которой бык выделяется
сквозными швами (рис. 18.29, б), также получает преимущество;
4) в пределах-отдельных пролетов плотины прочностные (сдви-
говые) характеристики грунта основания могут быть различными:
Ф1^ф2^фз, где ф — угол трения грунта (см. рис. 18.30,г). Наме-
чая сквозные деформационные швы на относительно большом рас-
стоянии друг от друга и устраивая между этими швами армиро-
ванную бетонную фундаментную плиту толщиной d, которая долж-
на воспринимать соответствующие растягивающие напряжения,
устойчивость плотины на сдвиг в сторону нижнего бьефа рассчи-
тывают, принимая среднее значение <р (среди фц фг и фг). Вместе
с тем, отказавшись от дорогостоящего армирования бетона, выде-
ляют отдельные пролеты плотины деформационными швами, и упо-
мянутый расчет ее та сдвиг выполняют, принимая не среднее зна-
чение <p,va минимальное, при этом объем бетона плотины соответ-
ственно увеличится.
Учитывая соображения, отмеченные в пп. 1 и 2: а) в случае
нескального основания, когда можно ожидать относительно боль-
ших осадок плотины, сквозные деформационные швы, как прави-
ло, намечают только по осям всех или некоторых быков (рис.
18.30); сквозные деформационные швы между быками (см. рис.
18.29) допускают редко; б) в случае скального основания, когда
осадки основания пренебрежимо малы, часто предусматривают
128
(учитывая дополнительно соображения, отмеченные в п. 3) устрой-
ство сквозных деформационных швов между быками (рис. 18.29).
Расстояние между деформационными сквозными и несквозны-
ми швами назначают с учетом климатических и геологических ус-
ловий, высоты плотины, конструктивных ее особенностей, вида це-
мента и других факторов, определяющих температурные и осадоч-
ные деформации плотины.
Расположение деформационных швов -увязывают с намеченной
схемой пропуска строительного, расхода и схемой расположения,
различных отверстий, намеченных в теле плотины.
При наличии скального основания деформационные швы в за-
висимости от высоты плотины делают различными: а) в случае
плотины высотой до 20...50 м, как правил©, устраивают только'
сквозные деформационные швы, с расстоянием между ними 10...
20 м (см. рис. 18.29, а, б, г); б) в случае плотины высотой боЛее
20...50 м обычно помимо сквозных швов устраивают еще несквоз-
ные поперечные деформационные швы (см. рис. 18.29, в) с рассто-
янием между сквозными швами 50...60 м и между несквозными
швами 10...20 м. Указанные выше расстояния уточняют (в ответст-
венных случаях) на основе специальных термических и прочност-
ных расчетов.
При наличии нескального основания, проектируя разрезку пло-
тины согласно рис. 18.30, расстояние между сквозными швами на-
мечают до 40...60 м и несквозными — порядка 15 м. Эти размеры
уточняют, сообразуясь с возможной осадкой основания, а также с
возможными температурными деформациями.
Рис. 18.31. Расположе-
ние осадочного шва на
границе различных грун-
тов основания и в месте
перелома профиля осно-
вания:
1 — гребень плотины; 2 —
осадочный шов; 5 — осно-
вание.
Рис. 18.32. Схема располо-
жения в плане деформаци-
онных швов при наличии
устоя с обратной стенкой:
1 — деформационный шов; 2 —
бык; 3 — устой; 4 — обратная
стенка.
Рис. 18.33. Расположе-
ние деформационных
швов по отношению к
быку:
/ — затвор; 2 — деформаци-
онный шов; 3— бык.
9 Р. Р. Чугаев
129
Дополнительно, проектируя разрезку плотины, учитывают так-
же следующие соображения: а) деформационный осадочный шов
приходится намечать в месте, где располагается граница АВ (рис.
18.31, а) между различными грунтами основания плотины, харак-
теризуемыми разными деформационными свойствами; равным
образом осадочные швы намечают и в местах перелома профиля ос-
нования плотины (рис. 18.31,6); б) местоположение деформацион-
ных швов необходимо увязывать с общими геометрическими фор-
мами бетонного массива плотины (рис. 18.32); в) толщину быка
при разрезке его деформационным швом на два полубыка прихо-
дится увеличивать на 0,5...1,0 м; г) имея в виду удобство уплотне-
ния швов аЬ (рис. 18.33), отделяющих бык от водосливного проле-
та плотины, эти швы располагают на расстоянии не менее d=>
= 0,5 м от самого быка; намечать такие швы в плоскостях 1—1 до-
пустимо только в случае, если в быке предусмотрены соответству-
ющие ниши (пазы), используя которые можно вести уплотнение
данных швов; д) несквозные поперечные деформационные швы
иногда рекомендуют назначать на глубину (считая от верха пло-
тины), не меньшую половины высоты плотины; при этом под не-
сквозными швами рекомендуют устанавливать соответствующую
арматуру (см. рис. 18.29 в и 18.30, в); е) иногда приходится учиты-
вать конструкцию затвора, перекрывающего отверстие.
§ 18.12. Форма и ширина постоянных деформационных швов
В настоящее время деформационный шов делают плоским, рас-
полагая его в одной вертикальной поперечной плоскости. В срав-
нительно редких случаях деформационному температурному шву
придают соответствующий излом в плане.
В случае скального основания ширину шва (сквозного или не-
сквозного) назначают в соответствии с температурным режимом
сооружения, причем принимают ее равной 0,5... 1,0 см.
В случае скального основания при определенных температур-
ных условиях ширина шва может быть и нулевой.
В случае нескального основания ширину несквозного шва на-
значают такой же, как и в случае скального основания; что же
касается сквозного шва, то его ширину назначают в соответствии с
качеством грунта основания, температурным режимом сооружения
и его размерами, от которых, в частности, может зависеть значе-
ние перекоса отдельных конструктивных секций в процессе их
осадки. Часто при наличии нескального основания в пределах фун-
даментной части сооружения ширину шва назначают равной 1...
2 см; в пределах же остальной (верхней) части сооружения ши-
рину шва увеличивают (ступенями) до 5... 10 см и более. Устройство
и удаление опалубки заставляет иногда расширять деформацион-
ные швы примерно до 30 см и более; в этом случае применение
плит-оболочек (вместо обычной опалубки), как показал опыт
строительства, позволяет снизить ширину шва до 20 см.
130
Ц 18.13. Уплотнение постоянных деформационных швов
В состав уплотнения деформационного шва входят следующие
основные элементы: 1) собственно уплотнение в виде диафрагмы
или водонепроницаемого ядра (шпонки), перекрывающего шов; в
ответственных случаях предусматривают две диафрагмы, или два
ядра; 2) заполнение самого шва; 3) контурное уплотнение, предо-
храняющее материал, заполняющий шов, или защищающее пустой
шов от его засорения; 4) дренажное устройство (в виде дрены или
шахты) для отвода воды, профильтровавшейся через отдельные
элементы уплотнения.
В частных случаях тот или другой из перечисленных элементов
'может отсутствовать.
Водонепроницаемое ядро, равно как и дренаж, располагают за
пределами активной зоны бетона, т. е. наружной зоны, в пределах
которой в течение года температура бетонной кладки существенно
изменяется.
1. Собственно уплотнение. Его выполняют в виде: диафрагмы
из металлического листа (рис. 18.34); диафрагмы из профилирован-
ной резины (рис. 18.35) или полимерных материалов; а) асфаль-
тового ядра (шпонки).
Создавая диафрагму или ядро, перекрывающее шов, обращают
внимание на возможность выщелачивания бетона, обусловленное
фильтрацией воды через бетон в обход уплотнения, которое может
сдерживать напор воды, равный напору на плотине. Обычно счи-
тают, что допускаемые градиенты напора (безопасные в отноше-
нии выщелачивания) не должны превышать (в зависимости от
водопроницаемости бетона) 10...20.
Металлические диафрагмы (медные, латунные, из нержавею-
щей стали и т. п.) применяют главным образом в случае скального
основания. Резиновые диафрагмы делают для перекрытия швов
малой ширины. Асфальтовые ядра (шпонки), иногда в комбинации
с металлическими диафрагмами, могут быть использованы в самых
различных случаях, в частности при относительно больших дефор-
мациях смежных бетонных массивов. Ядра бывают вертикальные и
горизонтальные.
Поперечное сечение ядер, перекрывающих шов, обычно квад-
ратное размером от 15x15 до 60x60 см; иногда сечению ядер при-
дают прямоугольную форму.
Чтобы асфальтовый материал шпонки не выжимался в полость
Рис. 18.34. Схемы металлических диафрагм:
У—диафрагма (металлический лист); 1 — просмоленный войлок; 3 — возможный фильтра»
ционный поток в бетоие в обход диафрагмы. .
9*
/
131
шва, создают соответствующее ограж-
250...400
Рис. 18.35. Схема резиновой
диафрагмы.
дение шпонки, вынесенное за ее преде-
лы; это ограждение выполняют обычно
металлическими листами 4 (рис. 18.36).
Для удобства формирования в процессе
производства работ такой шпонки устра-
ивают железобетонное корыто 5. В про-
цессе эксплуатации сооружения прихо-
дится периодически подогревать асфальт,
образующий шпонку 3, и дополнять его.
Часто предусматривают в теле шпонки
соответствующие приспособления: трубу, по которой пропускают
горячую воду или пар, или соответствующие электрические устрой-
ства, с помощью которых осуществляют разогрев асфальтового
материала. Заметим, что при таком разогреве асфальта возникает
опасность его всплывания (в вертикальной шпонке).
На рис. 18.37 показана вертикальная шпонка, перекрывающая
температурно-осадочный шов большой ширины (до 20...30 см), а
на рис. 18.38 — примеры конструктивного оформления горизонталь-
ных шпонок, уплотняющих шов со стороны водопроницаемого ос-
нования.
Итак, при проектировании асфальтовых - шпонок необходимо
учитывать следующее: а) асфальтовый битумный материал, как то
отмечено выше, не должен выжиматься из шпонки наружу через
шов и т. п.; б) асфальт (битум) должен находиться в контакте с
бетоном и тампонировать возможные ходы фильтрации в бетоне в
обход металлических диафрагм и т. п.; в) шпонка должна быть
такой, чтобы ее легко можно было устроить и в соответствующих
случаях ремонтировать.
2. Заполнение шва. В случае скального основания, когда шов
имеет небольшую ширину, его заполняют путем намета на бетон-
ную поверхность соседней конструктивной секции холодной ас-
фальтовой штукатурки или путем наклейки толя; часто для запол-
нения шва увеличенной ширины применяют битумные маты.
3. Контурные уплотнения. Эти уплотнения делают в месте пере-
сечения швов с наружной поверхностью плотины. Такие уплотне-
ния (в виде пробок—деревянных, бетонных, железобетонных
и т. п.) выполняют в случае размещения их у верховой грани пло-
тины (рис. 18.39). Иногда предусматривают еще внутренние кон-
турные уплотнения, выполняемые, например, по контуру потерн и
других служебных помещений, располагаемых в теле плотины.
4. Вертикальные дренажные устройства. Эти устройства распо-
лагают с низовой стороны собственно уплотнения, например, на
расстоянии 1,5...2,0 м от него. Дрены часто делают круглые, диа-.
метром 15...20 см. Смотровые шахты, заменяющие вертикальные
дрены, устраивают сечением не менее 80X80 см.
5. Примеры уплотнения деформационного шва плотины. Уплот-
нение в горизонтальном сечении приведено на рис. 18.40, а в вер-
тикальном сечении— на рис. 18.41.
132
Рис. 18.37. Вертикальная асфальто-
вая шпонка, перекрывающая темпе-
ратурно-осадочный шов большой ши-
рины:
/ — температурно-осадочный шов; . 2 —
железобетонные шандоры; 3 — забивка
просмоленной паклей; 4 — стержни элект-
ронагрева; 5— монтажная лестница; 6 —
шпонка.
Рис. 18.36. Вертикальная асфальтовая
шпонка, перекрывающая температурный
шов (небольшой ширины):
/ — просмоленный ' войлок; 2 — стержни для
электронагрева асфальта; 3 — асфальтовая
шпонка; 4 — металлическая диафрагма, ог-
раждающая шпонку; 5 — железобетонное ко-
рыто; 6 — монтажный стержень, удерживаю-
щий корыто и удаляемый в процессе строи-
тельства.
Рис. 18.38. Примеры горизонтальных асфальтовых шпонок, уплотняющих шов
со стороны водопроницаемого основания (по подошве сооружения);
/ — битумный мат; 2 — заполнение вертикального шва; 3 — металлический лист; 4 — шпонка;
5—бетонная подготовка; 6 — анкер; 7 — два ряда досок толщиной 20 мм.
Рис. 18.39. Примеры контурного уп-
лотнения шва:
/ — верховая'грань плотины (в плане); 2 —
бетонная пробка; 3 —окраска горячим
битумом; 4 — заполнение шва; 5 — цемент-
ная пробка; J5 — просмоленный войлок.
Рис. 18.40. Примеры де-
формационного шва
(вид уплотнения в го‘-
оизонтальном сечении):
/—верховая грань плотины;
2 — контурное наружное
•уплотнение; 3—заполнение
♦шва; 4 — резиновая диаф-
рагма; 5 — дрена; 6— низо-
вая грань плотины; / — ас-
фальтовая шпонка; 8 — за-
пасная шахта; 9—потерна;
10 — контурное внутреннее
уплотнение.
Рис. 18.41. Схемы основных элементов уплотнения деформационных швов (в
вертикальном разрезе по шву):
д, б — сквозные швы (кескальное основание); в — сквозной шов (скальное основание); а —
иесквозиой шов; 1 — ядро; 2—полубык; 3 — прокладка битумными матами в два слоя; 4 —
шпунт; 5 — шпонка; 6 — шпонка нз просмоленного каната с заливкой смесью битума с пес-
ком; 7— вертикальное уплотнение в шве шириной 250 мм; <8 — битумные маты в шве шири-
ной 10 мм; 9 — вертикальное ядро (шпонка); 10 — бетонная плита (иеразрезиая); 11 — це-
ментация; 12 — затвор; 13 — железобетонная пробка; 14 — просмоленный канат (диаметром
30...50 мм); /5 —арматура; 16 — заглубление шпонки в иеразрезную часть плотины (не менее,
члм на 0,5 м).
Глава 19. ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ УСТОЙЧИВОСТИ
И ПРОЧНОСТИ ГРАВИТАЦИОННЫХ БЕТОННЫХ
ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН
§ 19.1. Общие сведения
В гл. 7 были пояснены расчеты устойчивости и прочности гра-
витационных бетонных (массивных) глухих плотин, расположен-
ных на скальном основании. В частности, были пояснены следую-
щие вопросы: а) выбор теоретического треугольного профиля бе-
тонной плотины в зависимости от коэффициента трения подошвы
плотины по основанию; б) расчеты устойчивости на сдвиг отдель-
ных частей тела плотины, а также всей плотины в целом по по-
верхности скального основания; здесь, в частности, отмечалось, что
проверку устойчивости плотины на опрокидывание выполнять не
следует; кроме того, при расчете плотины на сдвиг расчетный уро-
вень воды нижнего бьефа не обязательно следует принимать на
самых низких отметках; в) вопросы о напряженном состоянии тела
плотины и о проверке прочности бетона исходя из этого.напряжен-
ного состояния; при этом подчеркивалось, что в теле плотины, рас-
положенном на скальном основании, мы не должны допускать рас-
тягивающих напряжений.
Дополнительно в прилож. А пояснен вопрос о расчете водобой-
ных плит на всплывание; этот расчет может быть распространен и
на флютбеты.
Остановимся только на пояснении специфических особенностей
статического расчета* водосливных плотин, расположенных на не-
скальном основании.
§ 19.2. Силы, действующие на водосливную плотину,
расположенную на нескальном основании
1. Гидромеханическое давление воды на тело плотины со сторо-
ны открытого (не фильтрационного) потока воды. Для водослив-
ной плотины можем иметь два разных случая. Прилагая уравне-
ние количества движения к отсеку воды, заключенной между се-
чениями 1—1 и 2—2 (рис. 19.1,6), можно найти горизонтальную и
вертикальную составляющие гидродинамического давления, дей-
ствующего па бетонную плотину, если затворы открыты, причем
вода переливается через плотину. Сопоставление указанных со-
ставляющих с силами гидростатического давления, получающегося,
при закрытых затворах плотины, показывает, что в качестве рас-'
четного (наиболее опасного) следует принимать случай, показан-
ный на рис. 19.1, а, т. е. рассчитывать плотину на гидростатическое
давление.
В некоторых случаях при выполнении статических расчетов при-
ходится дополнительно интересоваться давлением на отдельные
конструктивные секции плотины со стороны воды, находящейся в
135
Рис. 19.1. Случаи гидростатического (а) и гидродинамического (б) еавления
на плотину.
деформационных швах. Это давление рассчитывают по о1ычным
формулам гидростатики.
2. Гидродинамическое давление воды со стороны фильтрацион-
ного потока (в частности, противодавление). По методу коэффици-
ентов сопротивления или по способу удлиненной контурно! линии
(см. § 17.5) строят пьезометрическую линию Р—Р для подомного
контура плотины 1—2—3—а—4—5—6 (рис. 19.2).
Гидродинамическое давление в любой точке подземногс конту-
ра плотины определяется заглублением этой точки под со1тветст-
вующей точкой (лежащей на одной вертикали с рассматршаемой
точкой), принадлежащей линии Р—Р. Противодавление W дейст-
вующее на подошву 4—5 плотины, выражается трапецией 4—4'—
5'—5. Учитывая сказанное о давлениях воды в точках поденного
контура, легко можно построить линию п"—3"—т", огран чиваю-
щую эпюру горизонтального давления воды на вертикальней учас-
ток п—3—т контура бетонного массива плотины (см. рис 19.2),
Аналогично может быть построена и эпюра горизонтальной давле-
Рис. 19.2. Построение эпюры I горизонтального давления воды (дейсвующего
выше и ниже поверхности земли) на верховую грань плотины:
1— эпюра; II— понур; /// — пьезометрическая линия Р—Р; IV — шпунт; У — вооражаемый
пьезометр; VI — водобой; VII — эпюра горизонтального давления воды на нкзо^ю поверх*
ность плотины.
136
пня воды, действующего на плотину со стороны нижнего бьефа (со
стороны фильтрационного потока).
Необходимо подчеркнуть, что шов, отделяющий водобойную
плиту от плотины, водопроницаем, и потому в нем действует давле-
ние открытого потока, которое считается гидростатическим.
Шпунтовые свайные ряды всегда подвержены действию гори-
зонтального давления воды, направленного в сторону ниЖнего
бьефа. Однако эти силы, возникающие в связи с разностью давле-
ний воды на шпунты с верховой и низовой их стороны, не пред-
ставляют интереса.
3. Гидромеханическое давление, учитываемое при расчете пло-
тины с железобетонным анкерным понуром. При наличии грунта
основания плотины, характеризуемого малым углом внутреннего
трения (т. е. глинистого грунта), можем повысить устойчивость
плотины на сдвиг с помощью устройства анкерного понура (см.
рис. 17.3). Идея анкерного понура, повышающего устойчивость
плотин, может быть использована и при желании повысить устой-
чивость на сдвиг и некоторых других сооружений, например под-
порных стен и т. п. Дополнительно к силам гидромеханического
давления, рассмотренных выше в пп. 1 и 2, необходимо еще учесть
силу вертикального давления воды на понур, которая выражается
(в общем случае) эпюрой IV, показанной на рис. 7.4; если под ан-
керным понуром имеется дренаж, обычно здесь предусматривае-
мый, то эпюра давления IV, имеющая вид трапеции, обращается
практически в прямоугольник.
Железобетонные анкерные понуры в случае глинистых основа-
ний являются весьма эффективным средством повышения устойчи-
вости плотины. Проектирование таких понуров (их армирование и
армирование самой подошвы плотины) основывается на использо-
вании особых расчетов.
4. Давление грунта на плотину в месте сопряжения ее с пону-
ром. Здесь можно различать два случая.
1-й случай. Понур водопроницаем (выполнен глинистым, мало-
водопроницаемым грунтом). Рассмотрим шов п—3 сопряжения
понура с плотиной (рис. 19.3). Так как вода будет фильтроваться
через глину, то напор вдоль линии п—3 будет падать от Нп до Н3
(рис. 19.3; на нем плоскость сравнения обозначена буквами 00);
Рис. 19.3. К расчету го-
ризонтального давления
Е' (глиняного понура) и
Е" (грунта, расположен-
ного ниже глиняного
понура) на плотину:
I — глиняный понур; //т-
пьезометрическая линия Р—
Р для подземного контура;
JH — воображаемый пьезо-
метр; 1—2—3—4—5—6—7 —
подземный контур плотины.
137
напор выражается возвышением напорной, в данном случае пьезо-
метрической, линии над плоскостью сравнения.
Пьезометрический (гидравлический) уклон вдоль линии п—3
in_5 = (Hn-H3yt = hn-3lt,
rjifi t — длина шва п—3 (толщина понура)'.
Вертикально направленная вниз фильтрационная сила, дейст-
вующая на 1 м3 глины, образующей понур, будет равна
f Ф Y в —з/^«
При расчете устойчивости плотины не учитывают этой фильтра-
ционной силы, но вместе с тем принимают, что удельный вес грун-
та, образующего понур, равен не уБзв, а
YnoH Ybsb 4“ Yb —з/t
Исходя из этого и строят эпюру активного давления Е' грунта
понура на участок п—3 контура плотины (см. рис. 19.3).
Что касается активного давления Е" на грань плотины 3—4,
то ее определяют, считая: а) грунт основания взвешенным в воде
(фильтрационными силами здесь обычно пренебрегают); б) по-
верхность 2—3 грунта основания пригруженной понуром, условный
удельный вес которого определяют как отмечено выше.
2-й случай. Понур водонепроницаем (рис. 19.4). Легко видеть,
что сверху понур нагружен весом столба воды 1—Pi—а—d; снизу
же на понур действует противодавление, выражаемое площадью
1—с—b—d.
Таким образом, рассматриваемый понур оказывается прижатым
к грунту основания силой, которая выражается площадью Р\—а—
b—с. Умножая каждую вертикальную ординату этой площади на
ув (удельный вес воды), получают нагрузку на доверхноеть осно-
вания, с учетом которой и определяется активное давление грунта
Е, действующее на грань 2—3 плотины. При таком расчете, как и
в 1-м случае, грунт основания считают взвешенным (фильтраци-
онными силами пренебрегают).
5. Пассивное давление грунта на плотину со стороны нижнего
бьефа. Пассивное давление грунта на плотину со стороны нижне-
го бьефа определяют в предположении, что грунт основания явля-
Рис. 19.4. К расчету го-
ризонтального давления
Е грунта основания на
грань 2—3 плотины при
наличии абсолютно не-
проницаемого понура I:
/ — понур; // — пьезометри-
ческая линия Р[—Р-1', /П —
воображаемый пьезометр;
IV — эпюра давления воды
на понур; /—2—3—4—5—6 —
подземный контур плотины.
138
ется взвешенным (фильтрационные силы не
учитывают); при этом считают, что поверх-
ность грунта пригружена водобойной плитой,
вес которой уменьшен приложенной к ней ар-
химедовой силой.
6. Давление льда на плотину. В случае во-
досливных плотин различают давление льда
динамическое и статическое. Говоря о дина-
мическом давлении льда приходится иметь в
виду давление на плотину (при открытых за-
творах) отдельных льдин, а также дрейфую-
щих ледяных полей, зажорных и заторных
масс. Что касается статического давления, то
здесь различают: а) давление на плотину при
температурном расширении ледяного покрова
в верхнем бьефе; б) нагрузку от навала ле-
дяных полей и зажорных масс.
Ниже мы ограничимся рассмотрением ста-
тического давления льда, возникающего при
расширении ледяного поля в связи с повыше-
Рис. 19.5. Схема дав-
ления .льда на пло-
тину:
/ — кромка льда* 2 —
полынья; * 3 — затвор;
4 — бык.
нием температуры воздуха.
При расширении ледяного поля статическое давление льда пе-
редается главным образом на быки, так как они являются значи-
тельно более жесткой конструкцией, чем затворы. Кроме того,
перед металлическими затворами создают утепляемые проруби
или защищают затворы от давления льда другим способом (см.
§ 10.4). Имея в виду сказанное, считают, что все статическое дав-
ление льда передается только на быки.
Расчетная схема передачи статического давления льда на пло-
тину показана на рис. 19.5. Согласно этой схеме статическое дав-
ление льда Рл, передающееся на один бык, равно Pn=Pnd, где
Рл — давление,- приходящееся на 1 м длины фронта плотины, оп-
ределяемое, как для случая глухой плотины; d — толщина быка.
Давление Р°л, разумеется, не может быть больше некоторого
предельного максимального значения Слтах, при котором происхо-
дит раздавливание самого льда; Рл^^Рлтах, з = гда
б — толщина льда, устанавливаемая на основании гидрологических
данных, относящихся к рассматриваемому району, м; Рр — предел
прочности льда на сжатие; /?Р=450 кПа.
Что касается высотного положения горизонтальной линии дей-
ствия силы Рл, то оно определяется соответствующими (зимними)'
уровнями воды.
§ 19.3. Проверка устойчивости водосливной плотины
на сдвиг ее по нескальному основанию
1. Общие положения. При проверке устойчивости водосливной
плотины на сдвиг по ее нескальному основанию прежде всего со-
ставляют упрощенную расчетную схему поперечного сечения рас-
сматриваемой плотины, отбрасывая различные детали, которые не
139
могут существенно влиять на окончательные результаты расчета.
Не учитывают влияние на устойчивость плотины свайных шпунто-
вых рядов, а также сопротивление сдвигу водобойной плиты, в ко-
торую «упирается» плотина, так как данная плита должна нахо-
диться в состоянии, достаточно близком к предельному равнове-
сию (без учета давления на нее со стороны плотины).
Обычно все силы, действующие на плотину, разлагают на гори-
зонтальные и вертикальные их составляющие, причем в дальней-
шем оперируют только двумя системами сил; горизонтальной и
вертикальной.
Выполняя расчет, различают расчетные случаи, при этом учи-
тывают нормативные значения коэффициентов надежности, усло-
вий работы, сочетаний нагрузок для различных расчетных случа-
ев, а также численные значения соответствующих характеристик,
в частности, прочностных характеристик нескального грунта.
При выполнении расчета водосливной плотины на сдвиг по не-
скальному (а также и по скальному) основанию приходится раз-
личать два случая; 1-й случай (относящийся главным образом к
скальному основанию); водосливная часть плотины отрезана де-
формационными Швами от быков. Здесь устойчивость быков на
сдвиг рассчитывают отдельно. При рассмотрении водосливной час-
ти плотины выделяют 1 м длины плотины и рассчитывают его
(рассматривают плоскую задачу). 2-й случай: водосливная часть
не отрезана от быков. Здесь выделяют конструктивную секцию
плотины, состоящую часто из двух полубыков и заключенного меж-
ду ними участка водосливной плотины, и рассчитывают ее.
При этом используют один из следующих двух способов расчета: 1) рассчи-
тывают на сдвиг данную секцию плотины в целом (рассматривают пространст-
венную задачу); 2) рассчитывают на сдвиг 1 м водосливной части плотины с
учетом сил: а) непосредственно действующих на эту часть; б) дополнительных
сил горизонтальных Рх=Р*ь1Ь0 и вертикальных Ру=Р^Ь^ где Рхв — горизон-
тальное давление на бык в основном со стороны затворов и льда; Рив— разность
весов быка (вместе с мостами и подъемными механизмами) и водосливного
участка плотины длиной, равной толщине быка; Ьа — длина выделенной секции
плотины (расстояние между осями двух смежных быков).
По второму способу расчет вести удобнее: а) условно предполагают, что
затворы передают гидростатическое давление не на быки, а на плотину, т. е. при
рассмотрении выделенного 1 м длины водосливной части плотины учитывают
весь треугольник гидростатического давления 1—2—3 (рис. 19.6), а не только
трапецию 1—4—5—3; б) давление льда
Рис. 19.6. К построению расчетной
схемы сил (для расчета устойчиво-
сти плотины на сдвиг).
иа быки равномерно распределяют по
всему фронту плотины, т. е. считают
его равным Рл (см. рис. 19.2); в) уве-
личивают вес выделенного 1 м плоти-
ны, как было отмечено выше, на значе-
ние Ру.
Рассматривая устойчивость
плотины на сдвиг в случае не-
скального основания, различают:
1) сдвиг плотины по горизонталь-
ной плоскости основания; 2) сдвиг
плотины по некоторой поверхно-
140
сти, проходящей внутри
основания, когда плотина
сдвигается вместе с неко-
торым объемом грунта
основания, то есть сдвиг
с «захватом грунта осно-
вания».
При наличии плоской
горизонтальной подошвы
плотины и однородного
нескального грунта сдвиг
плотины часто происхо-
дит по поверхности осно-
вания (без захвата грун-
та основания). В этом
случае построение расче-
та устойчивости плотины
на сдвиг.ничем не отли-.
ЧВБ
Рис. 19.7. К расчету устойчивости платины на
сдвиг по горизонтальной плоскости ВС:
/ — грунт, сдвигаемый вместе с плотиной; // — вооб-
ражаемый пьезометр.
чается от построение расчета устойчивости плотины в случае скаль-
ного основания.
Ниже рассмотрим только второй случай, когда сдвиг плотины
происходит с захватом грунта основания. Этот случай может иметь
место: а) при наличии достаточно глубокого и прочного верхового
подплотинного зуба, который при сдвиге плотины может увлечь за
собой некоторый объем грунта основания (рис. 19.7); б) при на-
личии неоднородного грунта основания, когда прочностные харак-
теристики грунта на некоторой глубине основания оказываются
меньшими, чем на его поверхности.
Применительно ко второму случаю рассмотрим два способа
расчета устойчивости плотины: 1-й способ, относящийся только к
плотине с вербовым зубом и к однородному грунту основания;
2-й способ, относящийся как'к плотине с верховым зубом (при на-
личии однородного грунта), так и к любому неоднородному осно-
ванию. Как будет видно из дальнейшего, пользуясь 1-м спосо-
бом, считают, что основной частью поверхности сдвига является
горизонтальная плоскость, проходящая на уровне подошвы зуба; в
случае же 2-го способа пользуются методом круглоцилиндрических
поверхностей сдвига грунта. 1-й способ несколько условный: одна-
ко опыт показывает, что часто результаты расчета здесь получа-
ются вполне приемлемыми.
Пользуясь 2-м способом, приходится задаваться рядом кругло-
цилиндрических поверхностей сдвига (проходящих через точку т,
показанную на рис. 19.8), причем, как и в случае расчета земля-
ных откосов, необходимо отыскать самую опасную поверхность
сдвига, характеризующуюся минимальным коэффициентом запаса
устойчивости. Именно этот минимальный коэффициент и принима-
ют как коэффициент запаса устойчивости плотины. 2-й способ бо-
лее точный; однако он имеет тот недостаток, что здесь приходится
рассматривать ряд круглоцилиндрических поверхностей сдвига.
141
Рис. 19.8. К расчету устойчивости плотины
по методу круглоцилиндрических поверхно-
стей сдвига (согласно способу весового
давления).
Существуют и другие
способы расчета устойчиво-
сти сооружений.
2. Расчет устойчивости
на сдвиг плотины, имеющей
глубокий верховой зуб (слу-
чай однородного основания).
В соответствии со сказан-
ным, поверхность возможно-
ного сдвига плотины счита-
ют образованной тремя пло-
скостями: АВ, ВС и CD (см.
рис. 19.7). Основную гори-
зонтальную часть поверхно-
сти сдвига ВС условно счи-
тают подошвой плотины,
причем грунт, лежащий вы-
ше этой поверхности (за-
штрихованный на рисунке),
присоединяют к телу плоти-
ны. В этом случае пьезо-
метрическую линию Р—Р,
определяющую противодав-
ление, можно (при отсутствии дренажа под плотиной) строить для
условного подземного контура 1—2—3—В—С—5, считая при этом
удельный вес заштрихованного грунта (расположенного выше ли-
нии ВС) равным у'==унас«20 кН/м3, где унас — удельный вес на-
сыщенного водой грунта.
При наличии дренажа под плотиной линию Р—Р приходится
строить для действительного подземного контура 1—2—3—В—4—
5, полагая удельный вес грунта, расположенного выше поверхно-
сти ВС, равным удельному весу взвешенного грунта.
Для облегчения расчета устойчивости плотины на сдвиг по
горизонтальной плоскости ВС, имеющей достаточную протяжен-
ность, проверку устойчивости по критерию СНиП П-16—76 и
П-54—77 ncNp^.^~R, где jVp— сдвигающая сила; R— предельная
«Н
сила сопротивления; пс = 0,9...1,0—коэффициент сочетаний нагру-
зок; тпл = 1,0—коэффициент условий работы плотин; kH= 1,1...
1,25 — коэффициент надежности, можно определить с помощью
зависимостей:
Мр = 2РЯ; R tg q>! ЪРу -+- ci b + тг Еп,
где SP7—сумма всех вертикальных активных сил, действующих на
бетонный массив плотины и присоединенный к нему снизу грунт
основания, расположенный выше плоскости ВС (см. § 19.1 и 19.2);
2РХ — сумма всех горизонтальных активных сил (см. § 19.1 и 19.2),
действующих на бетонный массив плотины и присоединенный к не-
му грунт, включая активное давление грунта Еа (действующее
142
слева); b — ширина подошвы плотины; Ci — расчетная удельная
сила сцепления грунта; qpi — расчетный угол внутреннего трения
1рунта; Еп — пассивное давление грунта (действующее справа);
Wj =0,7— коэффициент условий работы для Еп.
Выполняя расчет по приведенной формуле, надо иметь в виду
следующее: 1)-пассивный отпор £п можно учитывать только в том
случае, если мы допускаем некоторую (небольшую) деформацию
сдвига плотины в сторону нижнего бьефа. Иногда пассивный отпор
не учитывают, имея в виду возможность возникновения за плоти-
ной воронки размыва; 2) в расчете активного давления грунта
глинистого понура на' плотину учитывают вертикальные составля-
ющие фильтрационных сил, действующих на грунт понура. При
определении же активного и пассивного давления грунта основа-
ния на плотину фильтрационными силами пренебрегают; это допу-
щение не идет в запас; 3) при наличии наносов, отлагающихся пе-
ред плотиной, необходимо соответствующим образом учитывать их
давление на плотину.
3. Метод круглоцилиндрических поверхностей сдвига. В данном случае при-
ходится рассматривать ряд окружностей сдвига, проходящих через точку т
(см. рис. 19.8). Поясним определение момента сдвигающих сил Ур и момента
предельных сил сопротивления R для одной окружности сдвига (остальные
окружности рассчитываются аналогично). При этом, рассматривая случай одно-
родного грунта основания, имеем в виду плоскую задачу.
При а/£о<0,15...0,20 (где а и Lo — размеры иа рис. 19.8), пользуясь методом
круглоцилиндрических поверхностей, сопоставляемые величины следует опреде-
лять для данной окружности по формулам
где г — радиус намеченной дуги сдвига; 6S — элементарные участки дуги
сдвига; Ci — расчетное удельное сцепление грунта; Мсдв—момент сдвигающих
(активных) сил, действующих на отсек обрушения (образованный плотиной и
соответствующей частью грунта оснбВання); М J — момент сил треиия, действу-
ющих вдоль дуги сдвига.
Моменты Мслв и следует вычислять по формулам:
а) момент сдвигающих сил
Мсдв = МБ +Мпо + Мо + Мг +Мр,.
сдв “сух Вв Вн нас гп'
где через М обозначены моменты (относительно центра 0) сил, показанных на
рис. 19.8, а: БОух—собственного веса бетонной плотины (без учета противодав-
ления) ; В J и В J — собственных весов воды в объемах, показанных на рисунке;
ГВас — собственного веса грунта, насыщенного водой, находящегося в пределах
отсека обрушения; Рл — давления льда;
б) момент сил трения
М* = Г (БСУХ -W0 + Вв + Вн + ГВЗВ + W' ) tg Фр
где Wo — противодавление, действующее на подошву плотины (см. рис. 19.8,6);
Во и Вя — вертикальные давления воды, действующие на бетон плотины в верх-
нем и нижием бьефах; Гввв — собственный вес взвешенного грунта, находящегося
в пределах отсека обрушения; W'—сила прижатия водой понура к грунту ос-
нования (разность давлений воды на понур сверху и снизу); этой силой в боль-
шинстве случаев можно пренебречь; cpi — расчетный угол внутреннего трения
грунта.
143
Как видно, многие силы, которые мы рассмотрели в § 19.2, в методе кругло-
цилиндрических поверхностей сдвига не используются. Здесь в расчет входят
иные силы. Моменты сил В °, В®, Гнас, FB3B приходится подсчитывать, разбивая
соответствующие площади, показанные на рисунке, на отдельные элементарные
фигуры (вертикальные полоски небольшой ширины и т. п.)
Приведенная выше формула для сдвигающего момента Мсдв является точ-
ной (она получена без использования каких-либо допущений). Что касается
формулы для момента сил трения М®, то эта формула без учета фильтрационных
сил в области отсека обрушения (фильтрационные силы почти не влияют на
значение они существенно влияют на Мсдв). При выводе формулы для Af°
был использован метод весового давления, давлением льда мы пренебрегали.
§ 19.4. Общие сведения об армировании водосливных
бетонных массивных плотин
1. Возможные напряженные состояния массивных бетонных
плотин. Рассматривая такие плотины (водосливные или глухие, на
скальном или нескальном основании), приходится различать:
1) местные напряжения в бетоне, возникающие в районах: пазов
(устраиваемых для затворов), швов-надрезов и углов галерей, на
гранях быков и устоев (они носят чисто случайный характер);
2) напряжения общего характера, которые обычно представля-
ют в виде: а) напряжений в плоских вертикальных поперечных се-
чениях плотины и б) напряжений в плоских вертикальных про-
дольных сечениях плотины, т. е. в сечениях, направленных поперек
водного потока, преграждаемого плотиной; 3) напряжения общего
характера в особых местах плотины. В качестве таких мест можно
назвать: а) консоль 1 (рис. 19.9), если она выходит за границы
теоретического треугольного профиля) *; б) подошву плотины, ког-
да ее ширина более 15...20 м, в связи с чем здесь могут возникать
растягивающие температурные напряжения; в) армированные уча-
стки водобойных плнт и т. п.
Напряжения общего харак-
тера, так же как и напряже-
ния других отмеченных выше
видов, могут быть вызваны:
1) воздействием на соответст-
вующий бетонный массив пло-
тины внешних сил, приложен-
ных к этому массиву; 2) осад-
ками нескального основания;
3) изменением температуры бе-
тона: в начальный период его
Рис. 19.9. Плотина с удлиненной кон-
солью А (пунктиром показан теорети-
ческий треугольный профиль).
твердения и охлаждения и в
последующий в связи с коле-
банием температуры среды.
В случае длинной консоли / при рассмотрении строительного расчетного
случая (когда воды в верхнем бьефе нет) в точке m мы должны получать рас-
тягивающие напряжения, причем в этом месте произойдет нежелательный отрыв
подошвы плотины от основания. •
144
Температурные напряжения в начальный период существенно
зависят от принятой системы разрезки бетонной плотины на блоки
бетонирования и от их размеров, а также от очередности бетони-
рования этих блоков. Равным образом напряжениям бетонной пло-
тине зависят еще и от принятой последовательности бетонирова-
ния отдельных выделенных частей плотины—«конструктивных сек-
ций».
Дополнительно при рассмотрении напряженного состояния пло-
тины приходится различать разные положения уровней воды в
бьефах, а также так называемый «строительный случай».
Мы не имеем возможности точно оценить расчетное напряжен-
ное состояние плотины с учетом всех перечисленных выше факто-
ров. Поэтому здесь приходится идти по пути использования весьма
упрощенных расчетных схем (расчетных моделей), прилагая к ним
известные методы строительной механики и теории упругости. По-
лученные таким образом приближенные решения могут корректи-
роваться с помощью тех или других коэффициентов запаса, уста-
навливаемых на основании данных практики или путем более уг-
лубленных теоретических исследований, а иногда и эксперимен-
тальных.
2. Некоторые сведения об арматуре. Напряженные состояния
бетонного массива плотины могут характеризоваться наличием в
отдельных его местах растягивающих напряжений, которые в ряде
случаев считаются недопустимыми для бетонного тела плотины, ха-
рактеризуемого наличием рабочих швов бетонирования и т. п. С
целью восприятия таких растягивающих напряжений в теле пло-
тины предусматривают арматуру в виде стальных стержней. Раз-
личают арматуру расчетную и конструктивную (т. е. устанавлива-
емую без расчета), а также монтажную. Кроме того, надо разли-
чать арматуру, воспринимающую местные растягивающие
напряжения, и рабочую арматуру, воспринимающую растягиваю-
щие напряжения общего характера (дополняемую распределитель-
ной арматурой и т.п.).
Проектирование арматуры должно осуществляться в соответст-
вии с правилами, освещаемыми в курсе «Железобетонные конст-
рукции», а также с учетом напряженных состояний. Дополнитель-
но необходимо соблюдать правила, указанные в соответствующих
действующих в настоящее время нормативных документах.
3. Простейший пример, поясняющий зависимость системы ар-
мирования плотины от очередности бетонирования отдельных ее
конструктивных частей. На рис. 19.10 представлен один и тот же
продольный вертикальный разрез одной и той же плотины (с низ-
ким порогом); но при этом на отдельных схемах этого рисунка изо-
бражены различные системы бетонирования данной плотины: схе-
ма а—вначале бетонируется фундаментная плита плотины, а за-
тем на этой плите возводятся быки; схема б — возводятся быки,
расположенные на поверхности грунта основания плотины, а затем
между ними сооружается фундаментная плита (водосливная часть
плотины); схема в — сооружаются собственно водосливные части
Ю Р. Р. Чугаев
145
Рис. 19.10. Зависимость системы армирова-
ния платины от очередности бетонирова-
ния отдельных ее частей:
1, II — очереди строительства.
моноличиваются (во вторую очередь)
плотины, а затем в проме-
жутках между этими ча-
стями непосредственно на
поверхности грунта осно-
вания возводятся быки;
схема г — возводятся . од-
новременно (в первую
очередь) и быки и собст-
венно водосливные участ-
ки плотины; при этом
между этими частями пло-
тины и быками оставля-
ются промежутки, кото-
рые после окончания со-
ответствующих осадок по-
верхности основания за-
(II— блоки омоноличива-
ния). ' .
Рассматривая поясненные четыре схемы (вообще говоря, здесь
могут быть намечены и другие дополнительные схемы), можно ви-
деть следующее: схема а — рабочая арматура должна распола-
гаться в верхней зоне водосливной части и в нижней зоне части,
относящейся к быкам; с точки зрения строительства такая схема
бетонирования удобна; эта схема также сравнительно легко подда-
ется приближенному расчету; схема б—рабочая арматура плит
должна располагаться внизу водосливных частей, где располага-
ется и рабочая арматура, получающаяся при рассмотрении работы
плотины в продольном направлении; в данном случае получаем
два яруса пересекающейся ,(в плане) рабочей арматуры (при от-
сутствии распределительной арматуры); условия армирования и
условия бетонирования здесь достаточно удобны; схема в — рабо-
чая арматура располагается вверху водосливных частей; рабочая
же арматура, полученная из рассмотрения продольных сечений
плотины, находится (как и в схеме б) внизу; таким образом здесь
получаем два яруса арматуры и рабочей и распределительной; поэ-
тому здесь возникают и перерасход арматуры и некоторые неудоб-
ства производства работ; схема г — несущественно, в какой после-
довательности бетонируются быки и тело водосливной части
плотины; в этом случае дополнительные расчеты, относящиеся к
строительному (начальному) периоду работы сооружения, не вно-
сят существенных изменений в расчеты, относящиеся к периоду
эксплуатации сооружения.
Приведенные схемы показывают, что, принимая ту или другую
схему последовательности возведения отдельных частей плотины,
получаем возможность соответствующим образом изменять (регу-
лировать) напряженное состояние всей плотины в целом. Кроме
этого, проектируя водосливную плотину на нескальном основании,
приходится различать два разных расчетных случая:.!) относя-
щийся к начальному периоду эксплуатации, когда происходят от-
146
УВБ
Рис. 19.11. К расчету армирования подошвы плотины, расположенной на не-
скальном основании (эпюры внешних вертикальных сил, действующих на «рас-
четную плиту» ABCD, показаны не в масштабе):
ABCD— расчетная плита; /—5—4—2—3—1 — расчетная вертикальная нагрузка на плиту сни-
зу. д—д—б—7—8—10—в—д _ расчетная вертикальная нагрузка на плнту сверху; /—/ — нейт-
ральная ось плиты; // и /// — эпюры горизонтального гидростатического давления на пло-
тину.
носительно существенные деформации основания; 2) относящийся
к эксплуатационному периоду, когда начальные деформации по-
верхности основания закончились.
4. Возможный вариант приближенного расчета поперечно-на-
правленной рабочей арматуры, располагаемой у подошвы бетон-
ной плотины на нескальном основании. Принято считать, что по-
дошву бетонной плотины, расположенной на нескальном основании,
необходимо армировать, в частности, поперечно-направленной
рабочей арматурой (рис. 19.11).
Такое армирование осуществляется для восприятия растягива-
ющих усилий и помогает избежать появления трещин типа, пока-
занного на рис. 19.12,6 (см. трещину а—
Ь), которая нарушает монолитность по-
дошвы плотины, причем эпюра верти-
кальных напряжений ау, действующих на
поверхность основания, резко ухудшает-
ся по сравнению с эпюрой на рис. 19.12, а.
Как видно, эпюра на рис. 19.12,6 полу-
чается существенно неравномерной, кро-
ме того, возникают растягивающие на-
пряжения.
Общий подход к решению указанного
вопроса может быть намечен (для плос-
кой задачи) следующий:
1) -предварительно, несколько упрос-
тив поперечное сечение плотины (см. рис.
19.11), выделяют горизонтальной плоско-
Рис. 19.12. Отрицательный
эффект при появлении тре-
щины а—Ь
10*
147
стью АВ фрагмент ABCD. Эта часть плотины является горизон-
тальной плитой. Толщину d плиты принимают, сообразуясь с кон-
струкцией плотины;
2) выделенную расчетную плиту при наличии плоской задачи
можно рассматривать как балку (шириной 1 м и высотой d), на-
груженную различными внешними силами, под действием которых
она должна находиться в равновесии;
3) полагают, что данная армйрованная плита является абсо-
лютно водонепроницаемой; вместе с тем считают, что по линии
а—b фильтрационное давление воды падает по линейному закону.
Считают, что на подошву плотины действует соответствующее про-
тиводавление (в данном примере выражаемое трапецией
1— 2—4—5);
4) исходя из принятых предпосылок, можно легко установить
(с некоторым приближением) значение всех внешних сил, дейст-
вующих на рассматриваемую плиту. Основные из этих сил следу-
ющие: а) вертикальная составляющая реакции грунта основания
(см. эпюру 1—2—3) и противодавление (/—2—4—5); эпюру
1—3—2—4—5—1 строят по правилам внецентренного сжатия; эпю-
ру же противодавления 1—2—4—5—в соответствии с § 17.5;
б) вертикальная составляющая давления (на поверхность а—b
балки) образована также двумя эпюрами: эпюрой давления, пере-
даваемого через скелет бетона (6—7—8), и эпюрой давления во-
ды в воображаемой трещине (а.—6—8—Ь); что касается всей эпюры
а—6—7—8—b—а, то она также строится по правилам внецент-
ренного сжатия, полагая, что в точке а напряжение в скелете бе-
тона равно, например, нулю (или некоторому небольшому
значению, которое можно установить расчетом); в) вертикальное
давление воды на поверхность А—а и Ь—В плиты (см. эпюру
А—а—6—9—А и эпюру В—b—8—10—В)-, г) реактивное горизон-
тальное усилие Rcd со стороны основания, равное сумме всех сил
трения т, приложенных со стороны скелета грунта основания к бе-
тону плотины; значение Rcd равно сумме всех горизонтальных сил,
действующих на плотину выше сечения DC; д) касательное гори-
зонтальное усилие Таъ, действующее по поверхности аЬ и равное
сумме всех внешних горизонтальных сил, приложенных к плотине
выше сечения а—Ь; распределение этой силы по поверхности а—Ь,
а также силы Rcd по поверхности DC, с некоторым приближением
можно установить, в соответствии с данными, приведенными в
[40; § 7.17, рис. 7.54], а также учитывая имеющиеся эпюры нор-
мальных напряжений в скелете грунта и бетона в сечениях DC и
а—Ь; е) собственный вес G рабочей части плотины (т. е. плиты
ABCD); ж) горизонтальное давление воды и грунта на торцы AD
и СВ «рабочей части» (эпюры давления грунта на эти торцы на
рисунке не показаны);
5) исходя из рассмотренных выше внешних сил, действующих
на расчетную плиту, строят: а) эпюру вертикальных перерезываю-
щих (поперечных) сил Q; б) эпюру нормальных горизонтальных
сил N и в) эпюру изгибающих моментов М. Изгибающие моменты
148
УВБ
Рис. 19.13. К условному расчету армирования
подошвы плотины, расположенной на нескаль-
ном основании:
j — эпюра изгибающих моментов М для расчетной-
плиты; abcde — линия, на которой лежат центры
тяжести эпюр сжимающих напряжений для разных
вертикальных срченнй плотины.
определяют относительно
центров расчетных сече-
ний плиты, которые ле-
жат на линии a'b'c'd'e'.
Результаты такого по-
строения представлены
схемой на рис. 19.13 (где
показана только эпюра
изгибающих моментов);
6) на рис. 19.13 нане-
сена линия, ограничиваю-
щая расчетную высоту
сечения условной фунда-
ментной плиты abode.
Высота сечений плиты по
высоте может быть пере-
менной. Особенно резкое
изменение сечения имеет
место, где примыкает
массивная водосливная
часть плотины. Ее верхо-
вая грань чаще всего
примыкает к плите под углом 90°. Массивный водослив не может
воспринимать усилия от изгиба всем сечением по высоте. Для рас-
чета выделяют активную (рабочую) высоту сечения. На рис. 19.13
эта высота расчетного сечения ограничена линиями, идущими в
пределах водослива под углом 30...45 ° к горизонтали;
7) обозначают через йа высоту сечений условной плиты, шири-
на которой равна 1 м. По своему характеру напряженного состоя-
ния фундаментная плита относится к тем сооружениям, деформи-
рованное состояние которых можно приближенно описать с по-
мощью гипотезы плоских сечений. Эта гипотеза справедлива для
конструкций, толщина которых в 3...4 раза меньше длины.
Расчет прочности такой условной плиты выполняют по стадии
предельного равновесия. За критерий несущей способности прини-
мают главное усилие для конструкций подобного типа — изгибаю-
щий момент.
Условие прочности можно записать в следующем виде: .
ku ftc Л4 Мпред,
где ka — коэффициент надежности, принимают для I класса —
1,25; для II—1,2; для III—1,15; для IV—1,1; пс — коэффициент
сочетания нагрузок; для основных сочетаний пс = 1, а для особых
ис=0,90; М — известный изгибающий момент в данном вертикаль-
ном сечении.
Считая, что в сжатой зоне рассматриваемых сечений арматура
отсутствует, а в растянутой не работает бетон, предельное значе-
ние изгибающего момента можно вычислить по формуле
Мцред — тл R* Fс г
149
где тл— коэффициент условия работы арматуры, ma==l,l; Ra—
расчетное сопротивление арматуры дляпредельных состояний, для
стержневой арматуры A-I Ra = 240 М1Ъ, для А-П—Ra = 260 МПа;
для А-Ш—Ra=340 МПа; Fa — необходимая площадь поперечного
сечения арматуры; za — плечо равнодеютвующей внутренних сил.
Для практических расчетов можно принимать za=0,9 /га. Не-
обходимая площадь поперечного сечешя арматуры на 1 м пло-
тины
Еа = К nc Ml(ma Ra 0,9/га).
5. Заключительные замечания. Пршеденный в п. 4 расчет на
общий изгиб приближенный, причем oi относится к определению
только размеров рабочей арматуры гоперечного направления и
только к условиям полностью наполненюго водохранилища.
При выполнении этого расчета вовсе не учитывали осадок ос-
нования (упругих и пластических) и других обстоятельств, отме-
ченных в п. 3 (в частности, температуршх деформаций бетона),;
вводили в окончательную формулу, ссужащую для определения
Fa приближенное значение Za. Не учитьвали влияния быков на об-
щую жесткость плотины в продольном направлении. Считали, что
их влияние невелико из-за относительно малой толщины быков.
Поэтому результаты расчета нельзя счггать окончательными.
Дополнительно приходится рассматшвать еще другие расчет-
ные схемы (расчетные модели), также приближенные, но освеща-
ющие рассматриваемый вопрос с нескосько других позиций. Если,
например, отношение расстояния междг быками к длине консоль-
ной части плиты аЬ менее 1,5, то последняя рассчитывается как
плиГа, работающая в двух направлешях, упруго или жестко за-
щемленная в водосливе и быках.
Окончательное решение рассматрившмого вопроса вынуждены
принимать на основании творческого обобщения результатов раз-
личных проделанных расчетов, относяпцхся к различным моделям.
Такого рода «расчетные прикидки» (тх сочетание) дают только
нежадную информацию для принятия оюнчательного решения.
Именно как бы в изобретении отмененных выше расчетных мо-
делей и в указанном выше обобщении результатов расчета этих
моделей и заключается, в частности, так называемая творческая
производственно-исследовательская деятельность инженеров.
Раздел V. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ПЛОТИН
Глава 20. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
§ 20.1. Основные задачи инженера-гидротехника
при проектировании механического оборудования плотин
Механическое оборудование плотин служит для открытия и за-
крытия водопропускных отверстий, устраиваемых в плотинах. Рас-
смотрим основные типы применяемых механических устройств,
принципы их действия, эксплуатационные качества и области
применения. Как правило, инженер-гидротехник, проектирующий
плотину, должен уметь: 1) правильно выбрать тип механического
оборудования для данных конкретных условий; 2) установить
габариты этого оборудования и другие главнейшие, его пара-
метры.
Что касается составления технического и рабочего проектов са-
мих металлических конструкций, то обычно такие проекты состав-
ляют по заданию инженера-гидротехника конструкторы-металли-
сты* *.
Различают следующие основные виды механического оборудо-
вания плотин: 1) затворы, служащие непосредственно для закры-
тия и открытия водопропускных отверстий плотин; 2) закладные
части затворов, т. е. неподвижные металлические устройства, заде-
лываемые в бетонное тело плотины и обеспечивающие нормальную
работу затворов; 3) подъемно-опускные механизмы — лебедки, кра-
ны, гидроприводы, с помощью которых осуществляется поднятие
или опускание затвора. При использовании затворов гидравличес-
кого действия вместо подъемно-Опускных механизмов применяют
особые регулирующие устройства — водоводы с задвижками, ба-
лансиры и т. п.; 4) служебные мосты, на которых располагаются
стационарные подъемные механизмы или по которым перемеща-
ются подъемные краны.
Наибольший интерес представляют затворы. В данном разделе
будем рассматривать только водосливные (поверхностные) затво-
।
* В настоящее время механическое оборудование проектируют по двухста-
дийной схеме: проектное задание и рабочие чертежи. Технический проект вы-
полняют в исключительных случаях.
151
ры, служащие для закрытия водосливных отверстий. Гребень этих
затворов при закрытом отверстии не затапливается водой верхнего
бьефа.
§ 20.2. Схемы водосливных затворов
Различают несколько десятков различных видов водосливных
затворов:
плоский затвор .(рис. 20.1,а), при закрытии или открытии от-
верстия затвор 1 перемещается в вертикальных пазах 2, выпол-
ненных в быках или устоях;
шандоры (рис. 20.1,6)—шандорная стенка, образованная от-
дельными горизонтальными балками 1 — шандорами;
сегментный затвор 1 (рис. 20.1, в), вращающийся относитель-
но горизонтальной оси 2;
вальцовый (или цилиндрический) затвор 1 (рис. 20.1, г), выка-
тывающийся по наклонным зубчатым рейкам 2, заделанным в па-
зах;
секторный затвор с низовой осью вращения (рис. 20.1,6) при
открытии отверстия затвор 1, вращаясь относительно оси 2, опус-
кается в камеру 3;
секторный затвор с верховой осью вращения (рис. 20.1,е); при
открытии отверстия затвор 1, вращаясь относительно оси 2, опус-
кается в камеру 6;
крышевидный затвор (Дахвер) (рис. 20.1,ж), в области 5 соз-
дается повышенное гидростатическое давление, причем части за-
твора 1 и 2, вращаясь относительно осей 3 и 4, поднимаются и за-
крывают отверстие;
плавучий затвор 1 (батопорт) (рис. 20.1, з) имеет вид метал-
лического судна (прямоугольного понтона); этот затвор доставля-
ют наплаву к месту установки; выдвижные оси 2 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 прижима-
ется давлением воды верхнего бьефа к контуру 4 отверстия, закры-
вая его; 7
затвор с поворотными фермами (Поаре) (рис. 20.1, и) состоит
из ряда плоских вертикальных ферм 1, установленных поперек ре-
ки; эти фермы могут вращаться в подшипниках 2 относительно го-
ризонтальных осей; пролеты между фермами 1 (равные 1,0...1,5 м)
перекрывают либо деревянными щитами 3, либо спицами (деревян-
ными брусьями), либо особыми шторами; поверх ферм монтируют
мост 4, удерживающий фермы в вертикальномположении; к фермам
(поверх их) прикрепляют тягу (цепь), конец которой соединяют с
лебедкой, установленной на устое; после разборки моста 4 лебед-
кой травят цепь, причем фермы, вращаясь в подшипниках 2, ло-
жатся на флютбет и отверстие открывается; для закрытия отвер-
стия включают лебедку, которая с помощью цепи поднимает фер-
мы и устанавливает их вертикально; .после этого снова монтируют
152
•aodoaiae xiaHaairootfoa хнсГоюяэн ииэхэ ’poj aaj
мост, а пролеты между фермами соответствующим образом пере-
крывают;
клапанный подкосный затвор (Шаноана) (рис. 20.1, к) образо-
ван рядом щитов 1, вращающихся относительно осей 2 и 5; для
открытия отверстия подкос 3 выбивают из коробки 4 и щит 1 ло-
жится на флютбет.
Два последних затвора (Поаре и Шаноана) ранее устраивали
на судоходных реках, образуя так называемые разборчатые пло-
тины; такие плотины служили для временного поднятия уровня во-
ды в реке (в межень) в целях улучшения условий судоходства.
Существуют и другие типы подобных разборчатых плотин. В на-
стоящее время фермы Поаре могут использоваться, например, в
качестве ремонтных заграждений.
§ 20.3. Классификация водосливных затворов
Водосливные затворы принято классифицировать по различным
признакам.
1. По способу передачи давления воды на плотину различают
затворы, передающие давление воды: а) только на быки или устои,
причем эти затворы работают на изгиб как балка на двух опорах;
б) только на флютбет (или гребень плотины), причем эти затворы
работают как консольные балки; в) как на быки (или устои), так
и на флютбет- (или гребень плотины).
2. По способу движения различают затворы: а) движущиеся по-
ступательно (подъемные, опускные и подъемно-опускные); б) вра-
щающиеся в отношении той или другой оси; в) перекатываемые;
г) свободно плавающие; д) смешанного действия.
3. По назначению различают затворы: а) рабочие, которые по-
стоянно работают при эксплуатации плотины; с помощью этих за-
творов регулируют расход воды, сбрасываемой в нижний бьеф, а
также поддерживают в случае необходимости соответствующий
уровень воды в верхнем бьефе; б) ремонтные, которыми закрыва-
ют донное отверстие на период запланированного ремонта рабо-
чего затвора; маневрирование ремонтными затворами осуществ-
ляют в покоящейся воде; определенное число ремонтных затворов
сохраняют обычно в специальных затворохранилищах и доставля-
ют их к месту установки с помощью кранов; в) аварийные, кото-
рыми закрывают отверстие в случае какой-либо аварии; эти за-
творы должны опускаться в текущую воду; иногда требуют, чтобы
аварийные затворы были быстродействующими; г) аварийно-ре-
монтные, выполняющие функции как аварийных, так и ремонтных
затворов; д) строительные, которые используют в период строи-
тельства плотины, эти затворы по окончании строительства жела-
тельно использовать как затворы рабочие или ремонтные.
§ 20.4. Общие условия работы водосливных рабочих затворов
' Через отверстия, перекрываемые затворами, в общем случае
пропускают из верхнего бьефа в нижний воду, лед и другие плава-
ющие тела, наносы.
154
Рис. 20.2. Опускной затвор кла-
панного типа.
1. Пропуск воды. При пропуске
воды через отверстие плотины * ис-
пользуют два вида затворов: 1) за-
творы, которые могут только или
полностью открыть, или полностью
закрыть отверстие; 2) затворы, ко-
торые позволяют не только полно-
стью открыть или_ закрыть отвер-
стие, но и осуществить его любое
частичное открытие.
Рассматривая последний тип за-
твора, различают: а) подъемные
затворы, при частичном открытии
которых получают истечение из-
под затвора; б) опускные затворы,
при частичном открытии которых
получают перелив воды через затвор (явление водослива (см.
рис. 20.2, где показан клапанный затвор); опускные затворы позво-
ляют более точно регулировать уровень верхнего бьефа. С целью
улучшения условий эксплуатации затворов делают иногда состав-
ные 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.
2. Пропуск льда и плавающих тел. Сброс льда и других плава-
ющих тел удобней осуществлять при наличии опускных затворов.
Для сброса плавающих тел в случае подъемных затворов отвер-
стия приходится открывать полностью, что влечет за собой сброс
в нижний бьеф излишне больших расходов воды. Именно поэтому
подъемные затворы иногда снабжают сверху особым ледосбросным
клапаном. ' '
3. Пропуск наносов. При необходимости пропускать через отвер-
стие наносы, движущиеся по дну, предпочтительнее подъемный за-
твор. В случае затворов, опускающихся в особую камеру, устро-
енную в теле плотины, возникает опасность заполнения этой камеры
наносами; такие затворы устраивают только на гребне доста-'
точно высоких плотин. Наносы,, отлагаясь перед затвором, произ-
водят на него давление и потому подъемное усилие затвора может
увеличиться. В таких условиях выгодно иметь затворы, поверх-
ность которых при подъеме затвора отходит от отложившихся на-
носов.
4. Дополнительные замечания. Часто верх затвора располагают
на уровне НПУ. При этом волны, возникшие в верхнем бьефе, мо-
гут обусловливать перелив воды через гребень затвора. При низ-
ких температурах такой перелив может вызвать обмерзание затво-
ра со стороны нижнего бьефа. Имея это в виду, иногда превыше-
ние верха затвора над НПУ задают равным 0,2...0,5 м.
155
Рис. 20.3. Эпюра 1
гидродинамического
давления на плоский
затвор.
§ 20.5. Силы, действующие на затвор
Различают следующие основные силы, дей-
ствующие на затвор.
1. Гидростатическое давление воды и дав-
ление наносов; эти силы учитывают так же,
как и при расчете плотины.
2. Статическое давление льда; эту силу
при расчете затворов не учитывают, имея в
виду, что в процессе эксплуатации затворов
предусматривают соответствующие меры по
снижению 'значений этой силы. Динамическое
давление льда иногда учитывает.
3. Собственный вес затвора; вес затвора в
первом приближении устанавливают (в зави-
симости от ширины отверстия и высоты затво-
ра) по имеющимся эмпирическим формулам
и графикам для различных видов затвора; окончательное значе-
ние веса затвора находят ио соответствующей спецификации, со-
ставленной после разработки проекта металлической конструкции
затвора.
4. Температурные усилия, давление ветра (при поднятом затво-
ре), волновое давление, сейсмическое давление воды учитывают
не всегда.
5. Иногда приходится анализировать силы гидродинамического давления на
затвор при различных степенях открытия отверстия. В отношении этих сил мож-
но сказать следующее: а) гидродинамическое давление, действующее на частич-
но поднятый плоский затвор (рис. 20.3), всегда меньше, чем гидростатическое
давление, выражаемое гидростатическим треугольником abc. Упомянутое гидро-
динамическое давление может быть найдено с помощью гидравлического урав-
нения изменения количества движения (гидростатическое давление превышает
гидродинамическое не более чем на 12...13 %); б) при переливе воды через верх
затвора под стурей воды может возникнуть вакуум, что нежелательно. Чтобы
избавиться от вакуума, верх затвора делают обтекаемой формы. При переливе
воды иногда приходится учитывать вес переливающейся воды; в) при истечении
из-под затвора (когда низ затвора имеет необтекаемую форму) под затвором
также может возникнуть вакуум.
§ 20.6. Дополнительные сведения
1. Материал, применяемый для затворов. Несущую часть затво-
ров, как правило, изготовляют из металла. Только небольшие за-
творы с напором на них до 2...3 м. (при малых пролетах) делают в
виде деревянных щитов. При небольших напорах из дерева выпол-
няют также шандоры. Что касается обшивки затворов, которая
располагается на несущей части затвора и обеспечивает его герме-
тичность, то ее выполняют из стальных листов. В настоящее вре-
мя для уплотнения водсливных затворов применяют в основном
резину, металл, дерево. В практике весьма редко встречались слу-
чаи использования железобетона для изготовления затворов.
156
2. Стандартные размеры отверстий, перекрываемых затворами.
II настоящее время имеются общесоюзные строительные нормы.
(С.ПиП П-50—74), в которых устанавливают стандартные размеры
прямоугольных отверстий (в свету), ^перекрываемых затворами.
II этих СНиПах даются: стандартные ширины отверстий в свету и
стандартные их высоты. Именно эти размеры отверстий и следует,
как правило, назначать при проектировании плотин. Иногда основ-
ные параметры затвора записывают в виде, например, 20—10—50
(где 20 — пролет в свету, 10 — высота затвора и 50 —напор, дей-
ствующий на затворе водоспускного, глубинного типа, м).
Глава 21. ВОДОСЛИВНЫЕ ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ
ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ НА БЫКИ ИЛИ УСТОИ
§ 21.1. Обычный плоский металлический затвор
1. Простейшая схема затвора. Обычный плоский металлический-
затвор представляет собой металлическую несущую конструкцию^
покрытую с верховой стороны
водонепроницаемой обшивкой,
выполненной из листовой ста-
ли, арктилита или дерева.
В простейшем случае ме-
таллическая несущая конструк-
ция представляет собой балоч-
ную клетку, состоящую (рис.
21.1): а) из горизонтальных
балок 1—ригелей; б) из вер-
тикальных балок 4 — стоек.
Ригели и стойки пересека-
ются, причем все стойки, кро-
ме крайних 2, называемых
опорными, разрезаются ри-
гелями на отдельные части;
эти части располагаются меж-
ду ригелями; сами же ригели
представляют собой неразрез-
ную конструкцию.
Из рис. 21.1 видно, что по
контуру затвора устраивают
уплотнения 6 и 7, перекрываю-
щие зазоры,' образующиеся ме-
жду затвором и бетонными ча-
стями сооружения. Подъемные
усилия прилагаются к опор-
ным стойкам 3, на которые
давление воды передается от
ригелей. При поднятии затвора
Рис. 21.1. Простейшая схема обычного-
плоского металлического многоригельно-
го затвора:
/ — ригель; 2— опорная стойка; 3 — подъем-
ное усилие; 4 — стойка; 5 — обшивка; 6 — дон-
ное уплотнение; 7 — боковое уплотнение; 8 —
деревянный брус или стальная полоса дли-
ной Н (прТткрепленная к опорной стойке); 9 —
закладная часть (стальной неподвижный-
рельс).
157'
опорные стойки его перемещаются по специальным неподвижным
рельсам 9, заделанным в пазах. Во избежание перекоса и боко-
вых перемещений затвора у опорных стЪек иногда предусматрива-
ют вспомогательные опорные устройства в виДе обратных и боко-
вых направляющих колес-роликов.
Чтобы обеспечить передачу собственного веса затвора на опор-
ные стойки, а также получить достаточно жесткую конструкцию,
устраивают особые связи. Ригели часто располагают на разном
расстоянии друг от друга (книзу на меньшем расстоянии), чтобы
получить их равнонагружецными гидростатическим давлением, ко-
торое увеличивается книзу. Равным образом, стремясь получить по
расчету толщину стальной обшивки вверху и внизу затвора при-
мерно одинаковой, размеры клеток несущей части затвора кверху
увеличивают. При больших ширинах отверстий ригели выполняют
в виде сквозных ферм.
На рис. 21.1 показана упрощенная схема так называемого мно-
горигельного затвора, применяемого теперь редко; эти затворы ока-
зываются экономически выгодными только при относительно малых
отношениях Ь/И. В настоящее время при обычно встречающихся
отношениях Ъ/Н применяют почти исключительно так называемые
двухригельные плоские затворы.
2. Несущая часть и обшивка двухригельного плоского затвора.
Несущая конструкция двухригельного затвора, состоящая из раз-
личных горизонтальных и вертикальных элементов, а также из со-
ответствующих наклонных связей, представляет собой пространст-
•венную ферму, работающую в сложных условиях и не поддающую-
ся точному статическому расчету. Имеется много различных типов
таких пространственных ферм (используемых при различных b и
Н). Общая схема двухригельного затвора показана на рис.
21.2.
Ригели. Чтобы получить ригели 2 равнонагруженными гидро-
статическим давлением, а следовательно, одинаковой конструкции
и размеров, их часто располагают на одинаковом расстоянии от
линии действия силы Р гидростатического давления, действующе-
го на обшивку (на рисунке размер ai=a2)-
В местах примыкания ригелей к опорным стойкам 3 обычно
располагают опорно-ходовые части 1 затвора. Чтобы обеспечить
большую устойчивость затвора, располагаемого на четырех опорно-
ходовых устройствах, расстояние a=ai+a2 между ригелями стре-
мятся назначить возможно большим. При увеличении размера а
уменьшается высота z с консольной части затвора, которую не ре-
комендуют назначать более (0,4...0,45) Н. Вообще говоря, разме-
ры а, и а2 уточняют с учетом: а) вида опорно-ходовых частей;
б) ширины листов стали, применяемых для образования обшивки;
в) разбивки металлической конструкции затвора на монтажные
единицы.
Назначая размер а2, выдерживают условие в отношении рас-
стояния d: это расстояние должно быть достаточно большим, что-
бы при поднятии затвора вода, вытекающая из-под затвора, не
158
Рис. 21.2. Схема обычного двухригельного плоского затвора:
J — опорно-ходовая часть; 2 — главный ригель; 3 — опорная стойка; 4—подъемное усилие;
5 — вспомогательная стойка; 6 — поперечная вертикальная ферма; .7 — вспомогательный ри-
гель; 8 — подъемная ферма; 9 — донное уплотнение; 10 — обшивка; 11 — боковое уплотнение.
ударялась (при расширении струи) о нижний ригель и не создава-
ла под ним вакуум; требуют, например, чтобы угол <р, показанный
на рисунке, был не менее 30°, или считают, что размер d должен
быть не менее (0,12...0,15) Н.
Ригели делают: а) в случае отверстий шириной 6^ 10...15 м —
в виде сплошных балок (например, двутаврового сечения, швелле-
ров и т.п.) высотой в середине пролета (1/6...1/8)/; б) в слу-
чае отверстий большей ширины — в виде сквозных ферм, причем
нысоту ферм в середине пролета принимают h= (1/7...1/9)/. Вы-
соту ригелей на опорах снижают до (0,40...0,65) h. Число панелей
в сквозной ферме назначают четным. При проектировании интере-
суются не только прочностью затвора/но и возможными его де-
формациями. Считают, что жесткость ригелей должна быть
достаточно велика, чтобы прогиб затвора был менее (1/750...
1 /500) /.
Поперечные вертикальные фермы выполняют сквозными (см.
рис. 21.2) или сплошными. При наличии сквозных ригелей попереч-
ные вертикальные фермы располагают в вертикальных плоскостях,
проходящих через каждый узел фермы ригеля.
К опорным стойкам 3 (см. рис. 21.2) прикрепляют опорно-ходо-
вые части затвора. Концы ригелей закрепяют в опорных стойках,
причем в этих точках гидростатическое давление от ригелей пере-
дается опорным стойкам. Длина опорных стоек равна высоте за-
1вора. Различают опорные стойки: одностеночные (рис. 21.3, а) и
двухстеночные (рис. 21.3,6) с расстоянием между стенками не ме-
нее 0,5 м. Высота опорных стоек должна равняться высоте конце-
вой части главного ригеля 1 (рис. 21.3).
159
Рис. 21.3. Схемы горизонтального попереч-
ного сечения опорной стойки:
J — главный ригель; 2— одцостеночная стойка;
3 — двухстеночная стойка.
Вспомогательные ригели 7 (см.
рис. 21.2) в отличие от главных
эигелей располагают между по-
геречными вертикальными ферма-
ии 6. Образуют их, - например,
швеллерами.
Вспомогательные стойки 5 (см.
эис. 21.2) предусматривают не
всегда. При наличии вспомога-,
-ельных стоек части их распола-
гают между вспомогательными
ригелями 7. Образуют их, напри-
пер, швеллерами, уголками и т. п.
Обшивка 10 (см. рис. 21.2) перекрывает вспомогательные ри-
гели и стойки, образующие балочную клетку. При отсутствии
вспомогательных стоек балочная клетса образуется поперечными
вертикальными фермами и вспомогательными ригелями. Обшивку
делают из отдельных стальных листое, редко арктилитовой или
деревянной. Толщину стальной обшив:<и, опирающейся на балоч-
ную клетку и непосредственно восприиимающей гидростатическое
давление, устанавливают расчетом, причем полученную толщину
несколько увеличивают (например, на 1 мм), учитывая возмож-
ность ее ржавления. Чтобы затвор пслучился жестким, обшивку
делают не менее 8... 10 мм. Обычно толщина стальной обшивки по-
лучается равной 8...20 мм.
Размеры (пролеты) балочной клетки к низу затвора иногда
уменьшают, чтобы расчетная толщина стальной обшивки по высо-
те затвора получалась одинаковой.
Дополнительные связи предусматривают для увеличения жест-
кости металлической конструкции, а также с целью обеспечить
лучшую передачу собственного веса затвора опорным стойкам, ко-
торые воспринимают подъемные усилия.
Соединение металли-
ческих элементов затвора
в настоящее время осуще-
ствляется с помощью
сварки.
Условия работы эле-
ментов затвора. Гидро-
статическое давление
о) 1
действует со стороны
верхнего бьефа непосред-
ственно на обшивку. От
обшивки это давление пе-
редается на балочную
клетку (рис. 21.4), кото-
Рис. 21.4. Распределение гидростатического
давления между элементами балочной клетки:
рая оказывается образо-
ванной только поперечны-
ми вертикальными фер-
мами 1 и вспомогатель-
ными ригелями 2. При
/ — поперечная вертикальная ферма; 2 — вспомога-
тельный ригел»; 3 — главный ригель; 4 — эпюра на-
грузки; 5 — сосредоточенная сила.
160
Рис. 21.5. Затворы сколь-
аящсго трения:
I иыровненная бетонная
поверхность; 2— деревян-
цдя опорно-ходовая часть;
J одностеночная опорная
4 — ригель; 5 — об:
)импк<>; 6 — вспомогательная
«нюрио-ходовая часть; 7 —
металлическая полоса (или
рельс); 8 — металлическая
опорно-ходовая часть.
этодо гидростатическое давление между вспомогательными ригеля-
ми и поперечными вертикальными фермами распределяется, как
показано на рис. 21.4. Например, на вспомогательный ригель аЬ
гидростатическое давление передается с площади обшивки, пока-
занной вертикальной штриховкой (рис. 21.4, а); поэтому данный
ригель будет загружен неравномерно распределенной нагрузкой
(рис. 21.4, б).
Наряду с этим поперечная вертикальная ферма cd (рис. 21.4, в)
будет воспринимать со стороны обшивки гидростатическое давле-
ние с площади обшивки, показанной горизонтальной штриховкой
(см. рис. 21.4, а); кроме того, на эту ферму будут действовать со-
средоточенные силы 5 в местах присоединения к ней вспомогатель-
ных ригелей (см. рис. 21.4, в). В соответствии со схемой усилий,
передающихся от одного элемента затвора к другому, нужно вы-
явить загруженность гидростатическим давлёнием всех элементов,
подлежащих расчету (в том числе й главных ригелей). Дополни-
тельно учитывают собственный.вес затвора, передающийся также
на опорные стойки.
3. Опорно-ходовые части обычных плоских затворов. В зависи-
мости от конструкции опорно-ходовых частей различают металли-
ческие плоские затворы скользящего трения, колесные, катковые.
Затворы скользящего трения имеют опорно-ходовую часть из
дерева (рис. 21.5, fl), металла (рис. 21.5,6) или древесно-сТюисто-
го пластика (ДСП) (рис. 21.6).-
В случае небольших затворов (см. рис. 21.5, а) деревянный брус устраивают
по всей высоте опорной стойки, причем он может выполнять роль бокового уплот-
нения. ДСП изготовляют в виде плит, набранных из березовых пластин (рис.
21,6, а), пропитанных особыми смолами и склеенных при их термической обра-
ботке под высоким давлением. Поверхность трения ДСП должна быть образо-
Рнс. 21.6. Затвор скользя-
щей трения с опорно-ходо-'
пой частью в виде полозов
in ДСП (размеры в м):
« — общий вид полоза; б — вид
плоского затвора с нижнего
бьефа; 1 — затвор; 2-г люфт;
.1 —.болт, стягивающий пласти-
ны ДСП; 4 — опорно-ходовая
член»; 5 — рельс; 6 — нержаве-
ющая сталь; 7 — ось рельса.'
161
fl Р. Р. Чугаев
вана торцами волокон древесины. Как видно из рис. 21.6,6, устраивают четыре
отдельных полоза, опирающихся на неподвижную закладную часть в виде рель-
са, покрытого полосой из нержавеющей стали.
При скольжении опорно-ходовых частей по неподвижным рель-
сам — закладным частям — возникает сила трения Т—fP, где f—ко-
эффициент трения скольжения опорно-ходовой части по рельсу;
Р — полное гидростатическое давление на затвор. От значения ко-
эффициента f зависит мощность подъемных механизмов. Различа-
ют коэффициент f покоя (в момент трогания) и при движении. Для
скольжения стали по стали: в случае покоя f»0,5; в случае дви-
жения /ж 0,15. При использовании ДСП f снижается до 0,04.
В случае водосливных затворов ДСП применять не следует,
так как в надводном состоянии этот материал может распрессб-
ваться и разрушаться.
Колесные затворы применяют с целью уменьшения мощности
подъемных механизмов. Для этого к опорным стойкам прикрепля-
ют колеса или колесные тележки, которые должны катиться по
рельсу. В случае колесного затвора сопротивление движению сла-
гается: а) из трения качения колеса по рельсу и б) из трения сколь-
жения между колесом и его осью; чтобы уменьшить трение сколь-
жения, устраивают роликовые подшипники. Зная размеры колеса
и соответствующие коэффициенты трения (качения и скольжения)',
находят силу Т сопротивления движению: T=fP (как и в случае
затвора скользящего трения), где f=0,1, откуда виДно, что
в случае колесных затворов Т уменьщается примерно в 5 раз. При
использовании роликовых подшипников Т можно снизить еще
больше. Именно в снижении Т и заключается преимущество колес-
ных затворов.
Число колес или колесных тележек назначают четыре. Колеса
(или тележки) располагают на опорных стойках так, чтобы они
были по возможности равнонагруженными гидростатическим дав-
лением. Часто их укрепляют в случае двухригельных затворов у
концов ригелей.
Колеса по отношению к двухстеночной опорной стойке часто
располагают или на консоли, или в промежутке между стенками
опорной стойки (рис. 21.7). Расчетом можно установить усилие,
передающееся на одно колесо. Исходя из этого усилия, устанав-
ливают радиус колеса и ширину его обода. Диаметр колеса обычно
равен 0,3... 1,0 м. Колеса почти всегда имеют реборды. Колесные
тележки проектируют так, что между опорной стойкой и соответ-
ствующей тележкой имеется шарнир, через который от затвора пе-
редаётся усилие на два колеса (рис. 21.8). Ширина пазов при на-
личии колес доходит до 3...4 м.
Катковые затворы (щиты Стонея) имеют опорные стойки, опи-
рающиеся в пазах на ролики (катки), соединенные рамой (рис.
21.9).
4. Вспомогательные опорно-ходовые части обычных плоских затворов. Во
избежание перекоса затвора, смещения его вбок, а также схода с рельс устраи-
вают вспомогательные опорно-ходовые части: скользящие — в виде различных
162
Рис. 21.7. Расположение колеса 1 по отноше-
нию к двухстеночнон опорной стойке 2:
а — колесо на консолн; б — колесо в промежутке
между стенками опорной стойки: / — колесо; 2—
опорная стойка; 3 — ось колеса в виде консоли; 4 —
ось колеса, расположенного между стенками опор-
ной стойки. •
Рис. 21.8. Опорно-ходовые части в виде колес-
ных тележек:
/ — главный ригель; 2 — обшивка затвора; 3 — рельс
(в пазу); 4— колесная тележка.
Рис. 21.9. Схема опор-
но-ходовой части
«щита Стонея> (кат-
кового затвора):
/ — затвор; 2 — подъем-
ное усилие; 3 — трос;
4 — ролик; 5 — катковая
рама; 6 — бетонная стен-
ка в пазу устоя.
уголков, ограничивающих боковые смещения затвора; колесные — в виде направ-
ляющих боковых роликов (см. рис. 21.5,6) и обратных колес, прикрепленных к
затвору с верховой его стороны.
5. Уплотнение затворов. Зазоры между затвором и бетонной
конструкцией не должны пропускать воду. Чтобы обеспечить гер-
метичность этих зазоров, на краях затвора, а в некоторых случаях
и на бетонной конструкции устраивают уплотнения. При поднятии
или опускании затвора некоторые уплотнения должны переме-
щаться (скользить) или по сглаженной поверхности бетона, или
чаще всего по забетонированным стальным полосам. Уплотнения
для обеспечения герметичности должны быть прижаты к соответ-
ствующим поверхностям давлением воды, предварительно дефор-
мированной резины или пружинящей стали.
В настоящее время уплотнения затворов должны изготовляться
из резины, а также пружинящей стали; только для малоответствен-
И* 163
Рис. 21.10. Виды уплот-
нений:
а — отрывающееся уплот-
нение (дойное); б—уплот-
нение продольного сколь-
жения (боковое^; в—уплот-
няя (донное); / — уплотне-
ние; 2 — закладная часть,
некие поперечного скольже-
3 — направление движения
уплотнения; АВ — линия
уплотнения.
ных объектов считают возможным использование дерева. Резина
уплотнений должна удовлетворять определенным техническим тре-
бованиям; для защиты резины от истирания и для уменьшения сил
трения поверхность скольжения резины иногда покрывают метал-
лической планкой. ' .
Уплотнение подвержено износу, поэтому его следует проектиро-
вать сменного типа (на болтах). Различают два вида уплотнения:
1) уплотнения, отрывающиеся от поверхности плотины при движе-
ния затвора (рис. 21.10, а); 2) уплотнения при движении затвора,
скользящие по поверхности плотины (например, боковые уплотне-
ния плоского затвора).
Скользящие уплотнения встречаются двух, типов: скользящие вдоль линии
АВ уплотнения (рис. 21.10,6); скользящие поперек линии АВ уплотнения (рис.
21.10, в). Конструирование уплотнения поперечного скольжения — наиболее слож-
ная задача, так как в этом случае силы трения направлены поперек линии АВ
уплотнения, причем они могут выворачивать и срывать уплотнения. Однако в
случае обычных плоских затворов часто сталкиваемся только с уплотнениями
отрывающимися (донными) и продольного скольжения (боковыми).
На рис. 21.11 и 21.12 показаны схемы уплотнений отрывающего-
Рис. •21.11. Схема' донного уплотнения
затвора:
/ — обшнвка затвора; 2— деревянный брус
уплотнения; 3 — закладная часть; 4 — фильт-
рационный поток в бетоне в обход закладной
части; abc — эпюра противодавления.
Рис. ?1.12. Схема бокового уплотне-
ния:
/ — ’закладная часть; 2 — деревянный
брус; 3 — стальной лист; 4 —давление
воды; 5 — обшнвка затвора.
164
ся и продольного скольжения; на рис. 21.13 и 21.14 — возможное
конструктивное оформление этих уплотнений. Сопряжение донно-
ю уплотнения с боковым требует специальной конструктивной раз-
работки, обеспечивающей герметичность затвора в этом месте.
Итак, в бетоне в. обход закладных частей, к которым примыка-
ет уплотнение, возникает фильтрационный поток (см. рис. 21.11),
причем в районе закладной части может произойти выщелачивание
бетона (при наличии больших пьезометрических уклонов и бетона
нсудовлеворительного качества). В точке а (см. рис. 21.11) гидро-
статическое давление соответствует глубине воды в верхнем бье-
фе; в т. b это давление равно нулю (при отсутствии воды в нижнем
бьефе). Фильтрация воды вдоль щели аЬ обусловит пр'отиводав-
ление W, действующее на уплотнение, затвора снизу и выражаемое
треугольной эпюрой abc. Усилие опускания (посадки) затвора дол-
жно преодолеть, в частности, силу W.
6. Масса обычного плоского металлического затвора. Масса рас-
сматриваемого затвора (подвижной его части) может быть при-
ближенно определена по эмпирической формуле А. Р. Березин-
ского
m = 0,055F]/F, - (21.1)
где F — площадь отверстия в свету (F = bH), перекрываемая за-
твором, м2. Значение т уточняют по спецификации после состав-
ления проекта металлической конструкции Затвора.
7. Усилия подъема и опускания обычного плоского затвора. Не-
обходимо различать поднятие и опускание затвора: а) в покоящей-
ся воде (при выровненных бьефах) и б) в текущей воде.
При поднятии затвора в покоящейся воде усилие
St = rtiGi (21.2)
где G — вес затвора (вместе с тяговыми элементами); щ— коэф-
фициент запаса, учитывающий неточность определения силы G,
«1 = 1,1. При определении Sf архимедову силу взвешивания затво-
ра учитывать не следует.
П-ри поднятии и опускании затвора в текущей воде .различают:
а) усилие подъема затвора Sf; б) усилие опускания (посадки) за-
твора Sj. При определении’усилия Sf подъема затвора помимо
веса затвора G в воздухе необходимо учитывать: силу сопротивле-
ния Т движению, обусловленную трением в опорно-ходовых час-
тях; силу трения Тупл в уплотнениях; вертикальное давление Go
воды на затвор сверху (если таковое имеется); подсос РВак (дей-
ствующий снизу на затвор), обусловленный вакуумом, образую-
щимся под донным уплотнением.
При этом значение
S\^n1G + n2(T + T^1I) + G0 + PBaKt - (21.3)
где п2 — коэффициент запаса, учитывающий неточность вычисле-
ния сил Т и ТуцЛ; этот коэффициент учитывает также трение в бо-
165
340
Рис. 21.13. Донные уплотнения:
f — обшивка затвора; 2 — деревянный брус; 3 —порог водослива; 4 — резина; 5 — заполне-
ние мягким сплавом; 6 — стальная отливка (стрелка показывает направление течения).
Рис.'21.14. Боковое уплотнение:
1 — закладная часть в быке; 2 — резина; 3 — дерево; 4 — пружинящий стальной лист; 5 —
обшивка затвора: 6 — прокладка из резины; 7 — регулировочный винт (стрелка показывает
иаправлеиие течения).
копых опорно-ходовых частях (и в направляющих роликах),
о
Определяют силы 7’уПл и РВак:
Тулл = /РУпл; (21.4)
^вак = РвакА (21.5)
где f — соответствующий -коэффициент трения; Руйл — сила при-
жатия бокового уплотнения к поверхности скольжения; А — пло-
щадь горизонтальной проекции нижней поверхности затвора .(об-
текаемой водой), на которой может возникнуть вакуум; ралк — ва-
куум на этой поверхности, рВак = 0,05...0,06 МПа.
При расчете Sf дополнительно учитывают: возможность воз-
никновения наледей на затворе, которые увеличивают его вес; воз-
можность примерзания затвора к поверхности плотины; возмож-
ность влияния на Sf наносов, отложившихся у затвора. Имея в
виду перечисленные обстоятельства, а также приближенность фор-
мулы (21.3), иногда Sf находят в первом приближении по упро-
щенной формуле
Sf«H,5G. (21.6)
Усилие S | опускания затвора
SJ = [n2 (Т+ ?>) + №]-nJ G, (21.7)
где п 1 — коэффициент запаса, учитывающий неточность определе-
ния силы G (веса заТвора в воздухе), принимаемый здесь меньше
единицы (ш «0,9); W — вертикальная составляющая давления во-
ды на затвор в опущенном состоянии с учетом противодавления,
действующего на поверхность примыкания донного уплотнения к
плотине. Если сила W оказывается направленной вниз, то в фор-
мулу (21.7) ее следует вводить со знаком минус.
Если сила S|, вычисленная по формуле (21.7), оказывается от-
рицательной, тб это указывает на то, что затвор- не требует прину-
дительной посадки. Иногда для уменьшения усилия Sf устраива-
ют соответствующие противовесы, а для уменьшения усилия Sf
предусматривают балласт, увеличивающий вес затвора. Эти обсто-
ятельства необходимо учитывать при определении указанных уси-
лий. В некоторых случаях приходится еще интересоваться усили-
ем удержания затвора в покое при определенной степени его от-
крытия.
8. Дополнительные сведения об обычных плоских металлических
затворах. Эти затворы можно устанавливать на гребне водослив-
ной плотины любого поперечного очертания; при этом они требуют
устройства на гребне плотины горизонтальной площадки неболь-
шой ширины Ьо (рис. 21.15). В некоторых случаях такие затворы
можно подвешивать и сопрягать с плотиной донным уплотнением -
(рис. 21.15) поперечного скольжения. Обычные плоские затворы
ле требуют уширения гребня плотины. Плоский затвор легко мо-
167
Рис. 21.15. Схема расположе-
ния плоских затворов на греб-
не плотины:
/ — паз для затвора; 2— горизон-
тальная площадка; 3 — уплотне-
ние «поперечного ' скольжения»;
4 — подвешенный затвор.
жет быть вынут из пазов и доставлен
подъемным краном в затворохранили-
ще для ремонта в достаточно удобных
условиях.- В случае сжатых сроков,
строительства монтаж плоских затво-
ров можно вести на берегу и уже в
смонтированном виде опускать в пазы.
9. Недостатки обычных плоских за-
творов: 1) они позволяют сбрасывать
лёд в нижний бьеф только при пол-
ном открытии отверстия, что связано
с лишними потерями воды верхнего
бьефа; 2) при наличии льда в верхнем
бьефе приходится открывать отверстие
до (0,15...0,25) Н, а затем резко пере-
ходить к полному открытию. Такие ус-
ловия работы обусловливают удорожа-
ние устройств нижнего бьефа; 3) в ус-
ловиях сурового зимнего климата экс-
плуатация плоских затворов несколько затрудняется; 4) подъемное
усилие Sf в случае плоского затвора получается большим, в свя-
зи с чем стоимость подъемных механизмов оказывается высокой;-
5) быки при наличии плоских затворов получаются высокими (см.
§ 18.1); иногда также утяжеляются служебные мосты. Некоторые
перечисленные выше недостатки обычного плоского затвора могут
быть смягчены путем устройства плоского затвора особого типа.
§ 21.2. Плоские металлические затворы особого типа
Различают следующие плоские затворы особого типа.
1. Сдвоенный затвор. Этот затвор (подъемно-опускной) состоит
из двух независимых частей. При опускании верхней части затво-
ра получают возможность сбрасыЯать плавающие тела (лед и
т.п.); при подъеме нижней части затвора — промывать'наносы, от-
ложившиеся перед затвором; при обтекании затвора сверху и сни-
зу (рис. 21.16, в) получают относительно хорошие условия для га-
шения энергии потока. Кроме того, устройство сдвоенного затвора
позволяет снизить высоту быков. Имеется много различных типов
сдвоенных затворов. Проектируя такие затворы, учитывают следу-
ющее: а) обшивка их не должна работать на отрыв от балочной
клетки, причем несущая конструкция затвора должна находиться
с низовой стороны обшивки; б) диапазон относительного переме-
щения верхней и нижней частей затвора должен быть достаточно
большим.
На рис. 21.17 показана эволюция в области конструирования
сдвоенных затворов. Плотины (рис. 21.17, а, б, в), построенные в
Швейцарии, ФРГ и Франции, требуют разных подъемных механиз-
мов, а также устройства с одной стороны двух разных пазов и двух
разных рельсов в пазах. На рис. 21.17, г показан щит фирмы
168
Рис. 21.16. Схема сдвоенного затвора Г-образного типа:
в — отверстие закрыто; б — верхняя секция затвора опущена; в — обтекание затвора Г, 2—-
•атвор поднят. ‘
«MAN» (ФРГ). Для практического применения следует рекомендо-
вать' Г-образную конструкцию сдвоенного затвора (рис. 21.17,6).,
Наряду с отмеченными выше достоинствами сдвоенных затво-
ров эти затворы (рис. 21.17,6) имеют следующие недостатки:
а) конструкция и монтаж их достаточно сложны — в пазах прихо-
дится создавать относительно сложные тяговые устройства и опор-
но-ходовые части верхней и нижней секций затвора; необходимо
создавать специальное горизонтальное уплотнение между верхней
и нижней секциями затвора и т.п.; б) пазы сдвоенных затворов по-
лучаются иногда широкие; в) в зимних условиях при переливе во--
ды через затвор на несущей конструкции нижней секции затвора
могут образовываться наледи.
Сдвоенные затворы требуют стационарных - подъемно-опускных
механизмов. При маневрировании затворами приходится учитывать
вес переливающейся через-з-атвор воды, а также возможность воз-
никновения вакуума под струей. Сдвоенные затворы можно устраи-
вать в условиях, когда Н>7...8 м и &>15...2О м. Пролеты, пере-
Рис. 21.17. Эволюция в области конструирования сдвоенных затворов (по
Гартингу).
169
Рйс. 21.18. Конструктивная схема
Г-образного затвора:
1 — лист, закрывающий паз; 2 — верхнее
колесо верхней секции; 3 — рельс в пазу;
4 — обшивка верхней секции; 5 — колесная'
тележка нижней секции; 6 — рельс на об-
шивке нижней секции; 7 -“-обшивка ниж-
ней секции; 8 — нижнее колесо верхней-
секции; 9 — уплотнение между верхней и
нижней секциями.
Рис. 21.19. Затвор с водо-. и
ледосбросным клапаном:
/ — трехпоясная ферма; 2— об-
шивка; 3—шарнир (с уплотнени-
ем): 4 —клапан; 5* — рельс в пазу;
б — клапен в опущенном положе-
нии; 7 — колесная тележка (в пазу).
крываемые этими затворами, доходят до 30 м при Н до 2Ь м, ши-
рина цазов в случае сдвоенных затворов — до 5 м.
На рис. 21.18 для примера показана конструктивная схема сдво-
енного Г-образного затвора.
2. Затвор с водо- и ледосбросным клапаном. Используют его при
малых высотах Н (когда Н^.7...8 м), т. е. когда сдвоенные затво^
ры устраивать нецелесообразно. Такой затвор (рис. 21.19) в верх-
ней части имеет клапан 4, вращающийся относительно оси 3 и от-
крывающий верхнюю часть отверстия. При открытии вода, напри-
мер,’ с лцдинами должна переливаться через затвор. Вместе с тем
можно поднять затвор, и обеспечить истечение воды из-под него.
В настоящее время затворы с клапаном в связи с удобством, их
эксплуатации находят широкое применение (особенно в Западной
Европе); в зимних условиях эти затворы лучше работают, чем
Г-образные. Пролеты, перекрываемые таким затвором, доходят до
30...40 м.'
3. Затворы опускные (рис. 21.20) и затворы секционные (или разъемные).
По' своей высоте они состоят из двух или нескольких секций, перемещение кото-
рых может осуществляться или раздельно, или совместно — «в сцепе». Опускные
170
Рис. 21.20. Опускной за-
твор:
/ — обшивка затвора; 2—
паз.
Рис. 21.21. График (3. Ф. Ничипуренко) перекрыва-
ющей способности затворов механического действия:
1 — плоские затворы одиночные многоригельные; 2 — плос-
кие затворы одиночные двухригельные; 3— плоские затворы
с клапаном (многоригельные — в левой части, двухригель-
ные— в средней части, трехпоясные и одноригельные — в
правой части); 4 — плоские затворы сдвоенные; 5 —сегмент-
ные затворы; 6—вальцовые затворы.
затворы имеют- ряд недостатков и применяют их редко. Секционные затворы ис-
пользуют главным образом в качестве аварийных и ремонтных.
4. Область применения плоских затворов различного типа. Эти
затворы наиболее распространены. Их пролет достигает 40 м, а вы-
сота—16 м. Площадь отверстия, перекрываемая таким затвором,
иногда достигает 350 м2. Из графика 3. Ф. Ничипуренко (рис.
21.21) видна связь высоты плоского затвора Н от его пролета b
(для различных типов плоского затвора). За контуром замкнутой
линии, отвечающей данному типу затвора, будем иметь неэконо-
мичные решения.
§ 21.3. Шандоры
Шандорную стенку (см. рис. 20.1,6) можно рассматривать как
плоский секционный затвор, который используют в качестве ава-
рийного или ремонтного затвора. Только на небольших плотинах
шандоры (деревянные) иногда применяют в качестве рабочих за-
творов.
При ширине отверстия до 8 м используют шандоры, показанные
на рис. 21.22. Такие шандоры с трудом опускаются в текущую во-
ду (вес их часто оказывается недостаточным, чтрбы преодолеть
силу трения, возникающую в пазах и обусловленную гидродинами-
ческим давлением, действующим на опускающийся шандор); поэто-
му их применяют только в качестве ремонтных затворов. При про-
летах больше 8 м переходят к металлическим шандорам, образую-
щим металлический секционный плоский затвор (рис. 21.23).
171
Рис. 21.22. Стальные шандоры с t
деревянным уплотнением:
/—стальные балки; 2 — дерево.
Рис. 21.23. Металлические колес-
ные шандоры (секционной метал-
лический затвор):
/ — металлическая обшивка; 2 — уп-
лотнение (дерево).
Несущая конструкция отдельных шандор образуется с помощью
сплошных балок или сквозных ферм.
Показанные на рис. 21.23 шандоры (секции плоского затвора)
могут иметь независимые подъемные тяги (каждая секция на две
тяги); причем эти секции могут обслуживаться, например, пор-
тальным краном. Подъем й опускание таких шандор (секций за-
твора) осуществляется захватной балкой, которая движется в па-
зах как шандор; при соприкасании с верхним шандором она ав-
томатически с ним сцепляется особыми крюками. При закрытии
отверстия захватная балка, опустив шандор на место, автоматичес-
ки от него отделяется. Иногда шандоры могут подниматься или
опускаться целыми группами (секциями).
Отдельные шандоры (секции затвора) могут иметь опорно-хо-
довые части скользящего трения или колесные. Высота отдельных
секций затвора (см. рис. 21.23) —2...3 м. Между отдельными сек-
циями предусматривают соответствующее уплотнение (деревянное
или. резиновое); боковое уплотнение иногда делают резиновое;
Шандорные стенки устанавливают в соответствующих пазах. Од-
нако встречаются случаи, когда такие стенки получаются просто
путем прислонения шандор к несколько наклоненным поверхно-
стям быка. Отдельные секции ремонтно-аварийного затвора часто
хранят в пазах, подняв их выше уровня воды. Иногда секции ре-
монтных затворов перевозят краном на берег и хранят на площад-
ке, устроенной на устое. Долго не работавшие уплотнения секций
затвора после установки затвора могут давать течь, поэтому обыч-
но прибегают к дополнительному уплотнению затворов.
172
f 21.4. Сегментный металлический затвор
В практике широкое применение находят сегментные аатворы,
которые позволяют снизить подъемное усилие.
1. Общая схема обычного сегментного затвора и основные силы,
действующие на него. Обычный сегментный затвор (рис. 21.24)
имеет следующие основные элементы:
обшивку 1, изогнутую по дуге окружности радиусом
7? == (1,0...2,5) Я; (2'1.8)
Рис. 21.24. Схема обычного сегментно-
го затвора:
/ — обшивка; 2 — пространственная несущая
конструкция; 3 — опорная нога; 4 — опорный
шарнир; 5 — короткая консоль; 6—уплотне-
ние.
пространственную несущую конструкцию 2, на которую опира-
ется обшивка; эта конструкция в виде пространственной фермы
имеет примерно такой же вид, как и в случае плоского затвора, но
она как бы изогнута по дуге радиусом R; *
опорные ноги 3, с помощью которых гидростатическое давление
передается на опорные шарниры 4;
короткие железобетонные (или металлические) консоли 5, вы-
пущенные из стен быков или устоев, на этих консолях располага-
ются опорные шарниры 4. Устройство коротких консолей позволя-
ет избавиться от пазов в быках (или устоях). При этом, несколько
снижая расчетный пролет
затвора, также уменьшаем
толщину быков. Прилагая
к затвору усилие подъема
можно вращать затвор
относительно оси опорных
шарниров 4 и открывать от-
верстие.
Масса металлического
сегментного затвора может
быть в первом приближении
определена либо по специ-
альным графикам, либо по
эмпирической формуле. Со-
гласно А. Р. Березинскому,
4 _ *
М = 0,15/VF, - (21.9)
где F—площадь отверстия,
перекрываемая затвором,
м2.
Вертикальная линия дей-
ствия собственного веса G
расположена от центра
опорного шарнира 4 на рас-
стоянии
0^0,8/?. (21.10)
Чтобы определить подъ-
емное усилие Sf, необходи-
173
мо составить уравнение 'мо-
ментов всех сил, действующих
на затвор относительно оси
опорных шарниров 4. Основ-
ные из этих сил: 1) подъемное
усилие Sf; 2) собственный вес
затвора G; 3) сила трения
Тупл в боковых уплотнениях 6
затв’ора; 4) сила подсоса Рвак,
действующая снизу на затвор;
5) сила трения в опорных шар-
нирах, зависящая от гидростатического давления; плечо этой
силы равно радису г шарнира; в связи с небольшим значением г
моментом этой силы часто можно пренебречь.
Линия действия гидростатического давления Р на обшивку за-
твора должна проходить через ось опорных шарниров, поэтому мо-
мент силы Р относительно упомянутой оси должен равняться нулю.
Анализируя отмеченное выше уравнение моментов, в случае сег-
ментного затвора подъемное усилие
Sf « 0,80, (21.11)
т. е. оно почти в 2 раза меньше, чем в случае плоского затвора.
Подъемное усилие S) по формуле (21.11) отвечает полному откры-
тию отверстия; начальное Sf (без учета примерзания затвора) мо-
жет составлять 0,5G.
Существуют особые виды сегментных затворов: с расположени-
ем опорных ног затвора в области верхнего бьефа; затворы, преду-
сматривающие не только истечение из-под щита, но и через его гре-
бень и т. п.
2. Схема конструкции обычного сегментного затвора. Основны-
ми элементами сегментного затвора данного типа (рис. 21.25) яв-
ляются две (а иногда три) прямоугольные рамы abed (по возмож-
ности равнонагруженные гидростатическим давлением), опираю-
щиеся на шарниры а и d. Вначале эти рамы соединяли связями,
причем несущую часть затвора (пролетное строение и опорные но-
ги) получали в виде жесткой решетчатой конструкции (рис.
21.26, а). В такой конструкции (в ригелях и других элементах) воз-
Рис. 21.26. Схемы конструкций несущей части затвора и его опорных
ног.
174
Рис. 21.27. Две системы балоч-
ной клетки сегментного затво-
ра:
а — балочная клетка расположена
между ригелями; б — то же, между
обшивкой н ригелями; 1 — обшивка;
2 — главный рнгель; 3 —балочная
клетка.
никали сравнительно большие изгибающие моменты. Чтобы сни-
зить эти моменты, стали применять затворы с относительно гибкими »
(деформирующимися) опорными ногами (рис. 21.26,6), а в слу-
чае сравнительно, малых затворов (6^10... 12 м; Н^.7.,.8 м) —
устройство вертикальных шарниров 1 (рис. 21.26, в) в месте соеди-
нения затвора с его опорными ногами.
В последнее время используют затворы с наклонными опорны-
ми ногами (рис. 21.26,г). При наличии таких ног значительно сни-
жаются изгибающие моменты в ригелях затвора; в опорных же но-
гах эти моменты доводятся почти до нуля (при большом наклоне
ног). ,
Металлическая конструкция затвора образуется либо в виде ре-
шетчатой системы, либо из балок того или другого профиля. Для
примера на рис. 21.27 показаны две различные системы балочной
клетки сегментного затвора; на рис. 21 28...21.31 — различные ва-
рианты его конструктивного оформления.
3. Опорные шарниры. Опорные шарниры затвора должны быть
расположены так, чтобы они не затапливались (не омывались) во-
дой и о них не ударялись льдины, сбрасываемые в нижний бьеф.
Существуют две схемы расположения опорного шарнира: а) об-
шивка затвора находится левее вертикали, проведенной через
донное уплотнение затвора (рис 21.28) и б) правее упомянутой вер-
тикали (рис. 21.29). Последняя схема применяется чаще. Местопо-
ложение опорных шарниров выбирают также с учетом расположе-
ния служебных мостов и подъемно-опускных механизмов. Имеют
в виду, что при открытом отверстии затвор может подниматься вы-
ше гребня быков.
В связи с наличием у сегментного затвора опорных ног длина
быков получается относительно большой. Чтобы сократить эту дли-
ну, опорные шарниры располагают в самом конце быка (рис. 21.29
и 21.30), закрепляя их на быке (с низовой его стороны) с помощью
арматуры, работающей в основном на растяжение.
Опорные шарниры бывают шаровые, цилиндрические,, коничес-
кие. Шаровые шарниры, позволяющие деформироваться («вра-
щаться») опорным ногам затвора во всех направлениях, являются
весьма сложными в изготовлении, поэтом'у они не получили широ-
кого распространения. Цилиндрические шарниры могут иметь не-
подвижную цилиндрическую ось вращения (для одной опорной но-
ги) трех различных видов: а) в виде балки на двух опорах (рис.
175
Рис. 21.28. Упрощенная конструк-
тивная схема сегментного затво-
ра с наклонными опорными нога-
ми (см. рис. 21.26, г):
1 — обшивка; 2 — место расположения
подъемного механизма на быке; 3 —
грузовая звездочка; 4 — помещение
для укладки цепи Галля (при подня-
тии затвора); 5 — одна из двух цепей
Галля — расположена вблизи боковой
грани быка в пространстве А (см. рис.
21.26, г); 6 — короткая консоль; 7 —
опорный шарнир; 8 — точка закрепле-
ния цепи Галля.
Рис. 21.29. Упрощенная конструктивная
схема сегментного затвора- с наклонными
опорными ногами:
1— мост; 2 —вал, синхронизирующий механиз-
мы, расположенные на соседних быках; 3 — мес-
то расположения подъемного механизма; 4—по-
мещение для укладки цепи Галля (при поднятии
затвора); 5 — одна из двух цепей Галля — распо-
ложена вблизи боковой грани быка в простран-
стве А (см. рис. 21.26, г); 6 — опорный шарнир;
7 — место захвата затвора цепью Галля; 8 — за-
крепление анкерной арматуры опорного шарнира
В быке; 9 — обшивка; 10 — место прикрепления
цепи Галля к быку.
1-1
р
1 в 74 6
13
Рис. 21.30. Упрощенная конструктивная
схема сегментного затвора:
а — поперечный разрез; б — вид с верхнего,
бьефа; 1.— верховая обшивка затвора; 2 —г
цепь Галля или трос; 3 — лебедка; 4 — низо-
вая обшивка; 5 — перила мостика иа затво-
ре; 6 — опорный шарнир; 7 — вертикальные
анкеры опорного шарнира; 8 — опорная нога; 9 —место закрепления гибкой тяги; /0 —вал;
// — двигатель; 12— гребень затвора; 13 —- деформационный шов в быке; 14—горизонталь-
ные акеры опорного шарнира; 15— ригель.
176
т
1’нс. 21.31. Упрощенная конст-
руктивная схема жесткого сег-
ментного затвора (с односто-
ронним подъемом):
I обшивка С верховой стороны;
/ • п<м для ремонтного затвора;
J . помещение (в быке) для подъ-
емною механизма; 4 — шестерня;
Л - цепочная (пальчатая) или зуб-
ЧАП1Н рейка; 6 — опорный шарнир;
/ опорная нога; 8 — обшивка с
низовой стороны.
Рис. 21.32. Безмасштабные схемы опорных шарниров:
/ опорная нога; 2— неподвижная цилиндрическая ось; 3 — неподвижная стальная часть
шарнира; 4 — выравнивающий слой , цементного раствора; 5 — трубка; 6 — железобетонная
консоль; 7—‘анкерный болт (диаметром 40 мм), пропущенный в трубу 5; 8 — стальиЬй лист
• олщиной 14...20 мм); 9 — бык; 10 — анкеры (арматурные пучки); // — неподвижная сталь-
i> <,| отливка конического шарнира. . -
21.32, а); б) двухконсольной системы балок (рис. 21.32,6)'; в) кон-
сольной балки для данной опорной ноги (рис. 21.32, в). В случае-
цилиндрических шарниров предусматривают устройство особого
шарового вкладыша, позволяющего опорной ноге несколько пово-
рачиваться в горизонтальной плоскости (рис. 21.33). Конические
шарниры устраивают консольного типа (рис. 21.32, г). Шарниры
располагают на коротких железобетонных (или металлических)
консолях, выпущенных из стен быков (или устоев), либо прианке-
ривают к быку с низовой (тыловой) его стороны. При расположе-
нии шарнира на консоли под ним предусматривают устройство вы-
равнивающего слоя толщиной ~ 50 мм из цементного раствора.
Вес элементы шарнира подвергают соответствующему статическо-
му расчету (с учетом всех передающихся на него сил).
На рис. 21.33 для примера показана схема конструктивного
|2 Р. Р. Чугаев 177
Рис. 21.33. Конструктивная схема ци-
линдрического шарнира с шаровым
вкладышем:
/ — стальная отлнвка; 2— верхняя поло-
вина втулки; 3 — шаровой вкладыш; 4 —
неподвижна» ось; 5 — ннжняя половина
втулки; б — болты, пропущенные через
стальные трубы 8, предварительно забе-
тонированные в консоли; 7 — слой вырав-
нивающего цементного раствора; 9—сто-
порный винт.
Рис. 21.34. Упрощенная конструктивная
схема затвора с водосбросным клапа-
ном:
1 — обшнвка затвора; 2 — водосбросной кла-
пан; 3— паз для ремонтного затвора; "~4 —
рельс; 5 — направляющая (закладная) часть;
6 — металлические «-щеки»; 7 — прикрепление
домкрата к быку; 8 — гидравлический дом-
крат; 9 — опорный шарнир.
оформления опорного шарнира цилиндрического типа с шаровым
вкладышем.
4. Крепление подъемных тяг к затвору. Маневрирование сег-
ментными затворами осуществляют, как правило, стационарными
подъемно-опускными механизмами, причем эти затворы поднима-
ют почти всегда двумя тягами, расположенными с двух сторон за-
твора; при этом работа подъемных механизмов должна быть соот-
ветствующим образом синхронизирована (во избежание перекоса
затвора при его подъеме). Только в редких случаях, когда затвор
сконструирован так, что он сопротивляется скручиванию, может
применяться односторонний подъем сегментного затвора (см. рис.
21.31).
Подъемные тяги выполняют в виде цепей Галля, канатов или
цепочных (пальчатых) зубчатых реек, а также в виде штоков гид-
равлических домкратов (подъемников). Место крепления гибких
тяг (цепей, канатов) к затвору может быть различно и распола-
гаться как с верховой (при отсутствии суровых зимних условий),
так и с низовой стороны затвора. Разумеется, это место должно
быть увязано с расположением подъемно-опускных механизмов.
Чтобы затвор поднимался возможно выше над быком, гибкую
тягу крепят у нижнего ригеля с верховой стороны затвора (см.
рис. 21.31) или к затвору (см. рис. 21.28 и 21.29) .‘На рис. 21.31
приведена схема затвора, поднимающегося с помощью цепочной
(пальчатой) рейки и неподвижного зубчатого колеса — шестерни,
а на рис. 21.34 — схема зат-вора, маневрирование которым осуще-
178
Рис. 21.36. Упрощенная конструктив-
ная схема сегментного затвора с
плоской обшивкой и опорными но-
гами, расположенными в верхнем
бьефе:
/ — опорный шарнир; 2— опорная нога?
3 — водосбросной клапан; 4 — подъемно-
опускной механизм; 5 — трос; 6 — шарнир
водосбросного клапана; 7 — точка при-
крепления троса к затвору; 8 — обшивка.
Рис. 21.35. Боковое уплотнение сегмент-
ного затвора:
/ — штрабной бетон; 2 — направляющая (за-
кладная) часть; 3 — уплотнение (резина); 4 —
<ибойный элемент; 5 — обшивка затвора с ни-
зовой стороны; 6—обшивка затвора с верхо-
вой стороны.
ствляется с помощью гидравлических домкратов и штоков, при-
крепленных «сверху к опорным ногам затвора.
5. Уплотнение затвора. Конструкция уплотнений сегментного за-
твора не отличается от конструкции уплотнения плоского затвора.
Для примера на рис. 21.35 показана одна из возможных конструк-
тивных схем бокового уплотнения сегментного затвора.
6. Особые виды сегментных затворов. Сегментный затвор иногда проектиру-
ют со сбросом воды через его верх. Различают следующие виды таких затворов:
I) поднимающиеся сдвоенные сегментные затворы, состоящие из двух независи-
мых сегментов, расположенных один над другим; 2) опускающиеся сегментные
затворы; 3) сегментные затворы с водо- и ледосбросным клапаном. В настоящее
время применяют в основном последний вид затвора — с клапаном (см. рис.
21.35), который можно приводить в движение, например, гидравлическим дом-
кратом, расположенным на металлической конструкции самого затвора.
Существуют также сегментные затворы (Н до 8,25 м и 6 до 24,0 м) с опор-
ными ногами, расположенными в верхнем бьефе (рис. 21.36). При эксплуатации
такие затворы дали положительные результаты.
7. Перекрывающая способность сегментных затворов. В, послед-
нее время размеры перекрывающей способности сегментных затво-
ров значительно возросли. Имеются сегментные затворы с Я=14
и Ь = 40 м (Вилюйская плотина). В настоящее время Н доходит до
20 м, причем отмечается рост отношения Н/Ь.
8. Сравнение сегментного затвора с плоским. В отношении пере-
крывающей способности плоский и сегментный затворы примерно
12*
179
равноценны. Веса плоского и сегментного затворов также пример-
но одинаковы. Сегментный затвор по сравнению с плоским имеет
следующие положительные качества: 1) подъемное усилие Sf в
случае сегментного затвора получается значительно м&ньше; оно
легко может быть снижено путем устройства противовеса, стои-
мость подъемно-опускных механизмов сегментного затвора будет
относительно небольшой; 2) сегментный затвор лучше работает
зимой, так как опорные шарниры расположены, над водой; 3) сег-
ментный затвор позволяет относительно быстро.открывать отвер-
стие; 4) в случае сегментного затвора высота и толщина быков
получается меньше; 5) сегментные затворы обеспечивают лучшее
обтекание их водой и потому не подвергаются вибрации в такой
мере, как плоские затворы; 6) смещая несколько (например, на
50 мм) центр вращения сегментного затвора по отношению к цент-
ру общивки, можно получить условия, при которых во время подъ-
ема затвора обшивка несколько отходит в сторону от отложивших-
ся перед затвором наносов, а также от ледяного поля верхнего
бьефа; такое смещение центра вращения также позволяет снизить
подъемное усилие; 7) сегментный затвор легко может быть обра-
щен в затвор автоматического действия.
Недостатки сегментных затворов: 1) их нельзя переставлять
из одного пролета в другой;- 2) они не могут быть использованы
как строительные затворы; 3) длина быков в случае сегментных
затворов получается большой; 4) наличие бокового распора, дейст-
вующего со стороны опорных шарниров затвора на быки, иногда
может влиять на боковую устойчивость быков.
§ 21.5. Вальцовый затвор „ ’
1. Общие сведения. Вальцовый, или цилиндрический, затвор
представляет собой трубу большого диаметра, перекрывающую
водосливное отверстие. Эта труба может выкатываться по наклон-
ным зубчатым рельсам, укрепленным в пазах быков (см. рис.
20.1, г) :
В настоящее время можно различать три схемы поперечного
сечения обычного вальцового затвора: а) в виде круглоцилиндри-
ческой трубы (рис. 21.37, а); б) трубы с нижним щитком (рис.
21.37, в). В последнем случае гидростатическое давление непосред
ственно воспринимает обшивка 1 переднего козырька 6; сама же
труба, образованная обшивкой 5, играет роль несущей конструк-
ции. .
На концах затвора укреплены бандажи 3 с зубчатым зацепле-
нием (рис. 21.38,а, б), в пазах быков (или устоев) укреплены
рельсы 4, наклоненные к горизонту под углом 0 = 55...70° (эти
рельсы имеют зубчатую рейку). Один конец' затвора охватывает
рабочая цепь (или трос) 1 (рис. 21.39), нижний конец этой гибкой,
тяги прикреплен к затвору, а верхний идет к лебедке; другой конец,
затвора охватывает холостая тяга 2, причем верхний конец этой
тяги.наглухо-прикреплен к бетонной конструкции, а нижний — к
180
Рис, 21.37. Схемы поперечного сечения обычного вальцового затвора:
/ — обшивка, непосредственно воспринимающая гидростатическое давление; 2 — гибкая
tur.i: 3 — рельс (в пазу) с зубчатой рейкой; 4 — нижний щиток; 5 — обшивка' б— '
передний козырек.
Рис. 21.38. Схема опорных частей вальцового затвора:
/ — затвор; 2 — гибкая тяга; 3 — бандаж (с зубчатым зацеплением) На конце затвора;
4 рельс (в пазу) с зубчатой рейкой; 5 — точка прикрепления гибкой тяги к затвору;
6 — уплотнение; а — угол охвата затвора зубчатым зацеплением.
Рис. 21.40.' Горионтальное Рх и
вертикальное Ру гидростатические
давления на обшивку АВ затво-
ра:'
1 — центр тяжести тела давления АВС;
О — мгновенный центр качения затво-
ра.
Рис. 21.39. Рабочая 1 и холостая 2
тяги вальцового затвора (схема).
181
затвору. Хвостовая тяга намотана на затвор в противоположном
направлении по сравнению с рабочей тягой.
Подъемное усилие Sf, приложенное к рабочей тяге (рис.
21.38, а), заставляет катиться затвор по рельсам. При этом рабо-
чая тяга сматывается с затвора, а холостая наматывается на него.
Вальцовые затворы обслуживаются только стационарными лебед-
ками.
2. Основные силы, действующие на затвор. Гидростатическое
давление определяется по известным правилам гидростатики. На-
личие вертикальной составляющей Ру (рис. 21.40) гидростатичес-
кого давления, направленной вверх (и выражаемой площадью
АВС — телом давления), уменьшает подъемное усилие Sf. Иногда
момент силы Ру относительно мгновенного центра качения О мо-
жет оказаться даже больше момента собственного веса затвора
относительно упомянутой точки О, причем затвор автоматически
будет выкатываться из воды (при Sf = O). Чтобы добиться авто-
матического открытия отверстия, необходимо: а) подобрать соот-
ветствующее очертание обшивки переднего козырька и зубчатой
рейки; б) выбрать определенное положение точки А; в) назначить
угол Ф наклона рельсов к горизонту. .
Массу затвора т (в т) в первом приближении можно опреде-
лять, например, по эмпирической формуле А. Р. Березинского
т = 0,5/7+0,02/:' у' F, где F— площадь отверстия, перекрываемого
затвором, м2. • ’
Трение в боковых уплотнениях затвора (см. рис. 21.38,6) рас-
считывают так же, как и в случае плоских и сегментных затворов.
Подъемное усилие Sf определяют из уравнения моментов всех
сил, действующих на затвор, составленного относительно точки
О—центра качения затвора (рис. 21.40).
3. Замечания о конструкции обычных вальцовых затворов.
Вальцовые затворы изготовляют из металла; дерево применяют
только для их уплотнёния.
Рис. 21.41. Конструктивная схема несущей части пролетного стро-
ения вальцового затвора (размеры в м):
/ — обшивка; 2 — поперечная диафрагма; 3—продольные горизонтальные
балки (обрешетины); 4 — опорные диафрагмы.
182
Пролетное строение затвора.
Несущую часть затвора в виде тру- •
бы конструируют следующим обра-“
,юм: поперек трубы на расстоянии
друг от друга, например, 1,5...2,0 м
располагают поперечные диафраг-
мы 2'(рис. 21.41); вдоль затвора по
верху диафрагм пролагают горизон-
тальные балки 3, называемые иног-
да обрешетинами; по внешнему кон-
туру трубы располагают обшивку
1, выполненную из стальных листов
(толщиной 10...15 мм). Конструк-
ция диафрагм может быть самая
различная (рис. 21.41 и 21.42).
Передний козырек и нижний щи-
ток показаны на рис. 21.42 и 21.43.
Рис. 21.42. Конструктивная схема
вальцового затвора с нижним
щитком (дополнительно см. рис.
21.45):
/ — бандаж с зубчатым зацеплением;
2 — зубчатый рельс; 3 — нижний щи-
ток; 4 — поперечная диафрагма.
Очертание обшивки переднего ко-
зырька часто проектируют так, что-
бы при открытии отверстия (при
поднятии затвора) она отходила от
наносов, отложившихся перед затвором, или от ледяного поля, об-
разовавшегося в верхнем бьефе.
Опорные диафрагмы. Концы затвора опираются на рельсы, рас-
положенные в пазах быков (или устоев). Опорные поперечные
диафрагмы 4 (см. рис. 21.41), устраиваемые в этих местах, усили-
вают, причем в конце затвора располагают рядом, например, две
диафрагмы.
Опорные части. Ходовые (движущиеся) опорные части, укреп-
ленные снаружи на концах круглоцилиндрической поверхности
затвора, представляют собой ободы (бандажи); эти ободы снаб-
жены зубчатым зацеплением (см. поз. 1 на рис. 21.42). Неподвиж-
ная опорная часть одного конца затвора представляет собой на-
клонный рельс, сбоку которого устроена зубчатая рейка,,представ-
ляющая собой одно целое с рельсом (см. поз. 2 на рис. 21.42). На
рис. 21.44 показана схема поперечного сечения опорных частей за-
твора: рельс 7 (неподвижный) и бандаж 3 (подвижный). При
маневрировании затвором гладкая поверхность а бандажа катит-
ся по гладкой поверхности b рельса, причем происходит зацепле-
ние зубьев бандажа и рельса. '
Крепление гибких тяг к затвору. К затвору прикрепляют две
гибкие тяги в виде, например, цепей Галля (см. рис. 21.39) — ра-
бочую и холостую. Концы этих тяг укрепляют на поверхности об-
шивки затвора (рис. 21.38, а и 21.42). Взаимное расположение тяг
и бандажей на концах затвора показано на рис. 21.44.
Уплотнение затвора. Конструкция уплотнений вальцовых затво-
ров не отличается от конструкции уплотнений плоских и сегмент-
ных затворов. При конструировании боковых уплотнений прихо-
дится предусматривать устройство боковых пружинящих стальных
183
Рис. 21.43. Конструктивная схе-
ма вальцового затвора с пере-
дним козырьком:
1 — обшивка, непосредственно вос-
принимающая гидростатическое
давление; 2—обшивка несущей
части затвора
Рис. 21.44. Схема опорных час-
тей затвора:
/ — паз быка; 2 — гибкая тяга; 3 —:
бандаж; 4 — зубья баидажа; 5 —
несущая круглоцилиидрическая
часть затвора; 6 — зубья рельса;
7 — неподвижный рельс.
Рис. 21.45. Обычный вальцовый
затвор с нижним щитком (схе-
ма) :
/ — щиток; 2 —граница деревян-
ного уплотнения; 3 — тяга; 4—
металлический лист («щека>),' за*
крывающий нишу; 5 — граница па-
за (ниши) в быке; 6 — рельс в па-
зу; 7 — бандаж; 8 — уплотнение.
листов, закрывающих пазы со стороны верхнего бьефа (см. поз. 5
на рис. 21.45); к этим листам и прикрепляют деревянное или рези-
новое уплотнение.
4. Условия работы вальцового затвора и замечания о его расчете.
Несущая часть вальцового затвора в виде круглоцилиндрической
трубы работает как балка на двух опорах. Напряжение на изгиб
воспринимается гроизонтальными балками (обрешетинами) и об-
шивкой трубы. В тех местах, где эта обшивка непосредственно
соприкасается с водой, она воспринимает еще дополнительные мест-
184
Hue напряжения, обусловленные местным гидростатическим давле-
нием. В связи с подъемом затвора за один конец вся конструкция
затвора подвергается также скручиванию.
При различных открытиях отверстия на затвор действуют раз-
ные силы. Например, в самом начале открытия отверстия (когда
оно еще практически закрыто) на затвор действует относительно
большая сила Ру гидростатического взвешивания и относительно
малая сила Sf; при полном' же открытии отверстия на затвор дей-
ствует большая сила 5|,'сила же Ру — 0. Поэтому при расчете эле-
ментов затвора приходится рассматривать различные его высотные
положения.
Иногда в первом приближении диаметр D круглоцилиндричес-
кой трубы, образующей несущую часть затвора, задают равным
/)=1/8&, где b — ширина отверстия. В случае затвора с передним
козырьком можно рассматривать ряд вариантов диаметра трубы:
/?!, Z?2, причем среди этих диаметров выбираем экономически
наивыгоднейший, учитывая следующее: при малом диаметре D
трубы, воспринимающей заданную нагрузку, получаем‘согласно
расчету трубчатой балки на изгиб большую- толщину б ее стенок;
при большом же диаметре D трубы получаем (при той же нагруз-
ке, действующей на трубу) малую толщину б ее стенок. Поскольку
пес 1 м длины трубы равен умбл£) (где ум— удельный вес метал-
ла), то существует некоторый экономически наивыгоднейший диа-
метр D, при котором значение ум6л'Д и, следовательно, стоимость
трубчатой балки приобретают минимальное значение.
5. Основные размеры вальцового затвора. Диаметр D кр’угло-
цилиндрической части затвора редко бывает более 5,0 м. Пролеты,
перекрываемые вальцовым затвором, доходят до 45...60 м. Высота
же И затвора достигает 9...13 м. Высота нижнего щитка затвора
равна обычно (0,4...0,5) Н. При больших Н, как правило, делают
затвор с передним козырьком. Поскольку концы затвора должны
входить в пазы быков, то эти пазы в быках получаются относи-
тельно широкими и имеют большую глубину (до 1,0...2,0 м); общая
длина затвора получается на 1...3 м больше, чем пролет отверстия
в свету. Разумеется, быки в случае вальцовых затворов получают-
ся относительно большей толщины — не менее, например, 5...6 м.
6. Пример обычного вальцового затвора. На рис. 21.45 для при-
мера показана конструктивная схема вальцового затвора с ниж-
ним щитком.
7. Особые конструкции вальцовых затворов. Помимо описанно-
го выше обычного вальцового затвора встречаются еще вальцовые
затворы особого типа: а) опускающиеся (рис. 21.46, а); б) с верх-
ним водосбросным клапаном (рис. 21.46, б); в) с пролетной несущей
частью в виде трубы, отличной от круглоцилиндрической, имеющей
в поперечном сечении вид чечевицы или вид, показанный на рис.
21.46, в, эти затворы обладают большей жесткостью; на опорах
таким затворам (их опорным диафрагмам) придают круглоци-
линдрическую форму, чтобы они могли катиться, по прямолинейно-
му рельсу, заделанному в пазу; г) автоматического действия
185
5) УВ
С
б)
Рис. 21.46. Схемы особых типов вальцового затвора:
] _ второе уплотнение (при опущенном затворе); 2—рельс в пазу; 3 — ниж-
ний щиток; 4 — первое уплотнение (основное): 5 —клапан; 6 — шток гидрав-
лического домкрата; 7 —обшивка (в пролете); 8 — круглоцилиндрическая
часть в пазу.
(предложенного В. Г. Гебелем); обшивке переднего козырька это-
го затвора и зубчатой рейке придают такое очертание, при кото-
ром в случае поднятия уровня воды верхнего бьефа выше опреде-
ленной отметки затвор начинает «всплывать» и выкатываться по
рельсам.
8. Общая характеристика вальцовых затворов. Площадь F, пе-
рекатываемая этим затвором (см. рис. 21.21), достигает 300...
450 м2, т. е. больше, чем в случае плоских и сегментных затворов.
Преимущества вальцовых затворов: 1) простота опорных час-
тей; 2) недорогие подъемно-опускные механизмы, так как подъем-
ные усилия 5| в случае вальцового затвора получаются сравни-
тельно малые: начальное Sf^O.SG; конечное Sf«0,5G; проме-
жуточное Sf« 0,8 G; 3) весьма большая жесткость затвора, в связи
с чем эти затворы могут не только воспринимать удары и навалы
льда и других плавающих тел, но и без повреждений отрываться
(в случае необходимости) от порога плотины, к которому они
примерзли; 4) вальцовые затворы не требуют устройства служеб-
ных мостов; служебное сообщение можно осуществлять по самому
затвору; подъемные же механизмы располагают на быках, причем-
один бык используют для размещения лебедок, обслуживающих
два соседних пролета.
Недостатки вальцовых затворов: 1) высокая стоимость * (они
имеют большой вес); 2) сложный монтаж затворов; 3) быки полу-
чаются толще, чем в случае плоских и сегментных затворов; высо-
та и длина быков также получается относительно большой; 4) в
случае обычных вальцовых затворов сброс шуги и льда в нижний
бьеф оказывается затруднительным; 5) уровень верхнего бьефа в
случае обычного вальцового затвора относительно трудно регули-
ровать.
В случае самовыкатывающихся (автоматически действующих)
затворов и при наличии льда в верхнем бьефе переход «скачком»
от открытия затвора, равного (0,15...0;25)Н, к полному открытию
186
отерстия (во избежание подныривания льда под затвор) осущест-
вляется механическим способом — с помощью лебедок.
Вальцовые затворы просты и удобны в эксплуатации. Считают,
что эти затворы особенно удобны в условиях суровой зимы и
обильных наносов. Однако в связи с большой их стоимостью в по-
следнее время они используются весьма редко. В СССР вальцовые
затворы нашли лишь единичное применение.
| 21.6. Подъемно-опускные устройства затворов.
Служебные мосты
Различают затворы: 1) гидравлического действия, приводимые
в движение давлением воды, поступающей из верхнего бьефа в
особые камеры и 2) механического действия, которые поднимаются
и опускаются с помощью тех или других механических устройств.
Затворы механического действия могут обслуживаться меха-
низмами: а) стационарными (индивидуальными); б) подвижными;
в последнем случае каждый отдельный подвижный механизм
(в виде, например, портального крана, перемещающегося по рель-
сам) обслуживает несколько затворов. Стационарные механизмы
имеют ряд преимуществ: 1) они позволяют быстро открывать от-
верстия, что важно, например, в случае быстронарастающих па-
водков; 2) при наличии этих механизмов относительно легко
осуществлять дистанционное управление затворами; 3) в случае
затворов, требующих принудительную посадку, стационарные ме-
ханизмы позволяют относительно просто осуществлять ее; 4) эти
механизмы облегчают маневрирование затворами, что важно в
случае размываемого (нескального) основания плотины.
Однако при большом числе отверстий (более 7... 10) стационар-
ные механизмы обычно оказываются дороже, чем подвижные. Кро-
ме того, подвижные механизмы позволяют: 1) переставлять плос-
кие затворы из одного пролета в другой; 2) транспортировать
вдоль плотины аварийно-ремонтные затворы; 3) подъемные краны
могут быть использованы на ГЭС, а также-в период строительства
плотины.
Затворы, обслуживаемые как стационарными, так и подвижны-
ми Механизмами, приводятся в движение посредством так называе-
мых тяг.
1. Виды тяг. Гибкие тяги выполняют в виде обычных цепей
(в случае малых затворов) или чаще всего в виде стальных тросов
или цепей Галля (пластинчатых цепей). Присоединение гибкой
тяги к затвору осуществляют, как показано на рис. 21.47; с по-
мощью гибкой тяги нельзя осуществлять принудительную посадку
затвора. Жесткие тяги выполняют в виде: а) штанг (штоков) с
пинтовой нарезкой (в случае малых затворов); б) штанг без на-
резки; в) прямых цевочных (пальчатых) реек (в случае малых за-
творов); г) дугообразных пальчатых реек (в случае сегментных
затворов; см. рис. 21.31).
2. Стационарные подъемно-опускные механизмы. В качестве ста-
187
Рис. 21.47. Присоединение гибкой тяги к одиночному плоскому затвору — «под-
вес затвора»:
1—стенка опорной стойки; 2 — ось; 3 — тяга; 4 — звездочка; 5 —балансир; 6 —затвор. .
ционарных подъемно-опускных механизмов применяют: а) винто-
вые механизмы (рис. 21.48) и им подобные для малых затворов;
б) лебедки, имеющие соответствующий барабан или грузовую звез-
дочку (в случае цепи Галля); лебедки могут приводиться в движе-
ние либо электродвигателем, либо вручную; в) гидравлические
домкраты (гидроподъемники).
Лебедки, приводимые в действие электродвигателями. В случае
обычных плоских затворов различают четыре схемы расположения
лебедок и электродвигателей (рис. 21.49).
Схема 1. Электродвигатель 8 расположен на служебном мосту
5 посередине пролета, причем он приводит во вращение стальной
вал 7-, который в свою очередь приводит в действие лебедки с гру-
зовыми звездочками (или барабанами) 2. Гибкие тяги 6, сходящие
со звездочек (или барабанов), находятся в пазах 1 (см. 1—2); сни-
зу эти тяги присоединяются к затвору (см. рис. 21.47).
Схема 2. В этом случае, электродвигатель 8 располагается на
одном быке, стальной вал здесь переброшен через пролет; служеб-
ный мост может быть узким или вовсе отсутствовать.
Схема 3. Эта схема отличается от предыдущей тем, что сталь-
ной вал 7 (переброшенный через пролет) приводится во вращение
двумя электродвигателями, расположенными
на соседних быках. Поскольку обе лебедки
приводятся в движение одним и тем же ва-
лом, то перекоса затвора, поднимаемого дву-
мя тягами, быть не может.
Схема 4. Имеется два отдельных подъем-
ных механизма с двумя разными электродви-*
гателями. Чтобы добиться необходимой синх-
ронной работы обоих подъемных механизмов,
создают особое электрическое устройство 9.
Каждая из описанных схем имеет свою об-
ласть применения. Например, схема 1 может
применяться, когда мы имеем достаточно ши-
рокий служебный мост. Схемы 3 и 4 использу-
Рис. 21.48. Винтовой
механизм:
1 — впит; 2 — вращающа-
яся часть; 3— затвор.
188 .
Схема 1
Рис. 21.49. Схемы расположения стационарных подъемных
механизмов (в случае обычного плоского затвора):
i — паз в быке; 2 — грузовая звездочка или барабан; 3 — зубча-
тая 'передача; 4 — консоль; 5 — мост; 6 —- гибкая тяга; 7 — сталь-
ной вал; 8 — электродвигатель; 9 — электрический вал.
ют, когда требуется большая мощность подъемных механизмов.
Зубчатые (или червячные) передачи механизмов рассчитывают
на подъемное усилие Sf, учитывая требуемые скорости поднятия и
опускания затвора. Обычно скорость поднятия плоского затвора,
приводимого в движение электродвигателем, не превышает
2 м/мин. Мощность двигателя, рассчитываемая с учетом установ-
ленного подъемного усилия Sf, редко превышает 100 кВт.
Для приближенного определения собственного веса подъемных
механизмов имеются эмпирические формулы, согласно которым
вес механизма зависит: а) от подъемного усилия Sf; б) скорости
движения затвора при его подъеме; в) типа затвора. Наименьший
вес механизмов получается в случае сегментного и вальцового за-
творов. Вес подъемных механизмов сдвоенных затворов и с клапа-
ном оказывается примерно на 15...20 % больше, чем вес подъемных
механизмов обычных затворов.
Помимо электрического привода при затворах предусматрива-
ют дополнительный ручной привод, который позволяет открыть
отверстие (с относительно малой скоростью), когда по каким-либо
причинам подача электроэнергии прекратилась. После полного
открытия затвора в большинстве случаев его подвешивают на осо-
бые крюки.
Подъемные механизмы или закрывают соответствующими
стальными колпаками, или помещают в специальные будки. При
подъеме затвора, подвешенного на гибких тягах, возникает вопрос
об уборке свободных концов этих тяг. Тросы навиваются на'рабо-
чий барабан. Что касается цепей Галля, то здесь обычно создают
особые устройства для отвода от грузовой звездочки освободивше-
гося конца цепи и подвешивания ее в специальном «магазине».
Двусторонний подъем обычных сегментных затворов осуществляет-
ся стационарными подъемными механизмами (см. рис. 21.28...
21.31). Односторонний подъем и опускание вальцовых затворов
стационарными механизмами показаны на рис. 21.50'.
Рис. 21.51. Схема горизонтального
расположения гидроподъемника с
гибкой тягой:
/ — точка закрепления гибкой тяги; 2, 3 —
неподвижный блок; 4 — подвижный блок
5 — шток гидроподъемника; 6 — непод-
вижно укрепленный цилиндр гидроподъ-
емника.
Рис. 21.50. Схема расположения подъем-
ного механизма вальцового затвора 1:
/—затвор; 2 — подвес цепи Галля; 3 — гру-
зовая звездочка* 4 — станина подъемного ме-
ханизма (расположена над-пазом); 5 — гибкая
тяга в пазу.
190
Гидравлические домкраты (гидроподъемники). Основными эле-
ментами гидроподъемника являются; а) цилиндр с поршнем, име-
ющим шток; б) специальный насос, который подает масло в ци-
линдр. Насос приводится в действие электродвигателем. В состав
гидроподъемника могут входить два или несколько рабочих ци-
линдров (с поршнями и штоками),' которые соединены маслопро-
водами с одним насосом.
Существуют так называемые телескопические гидроподъемники,
обеспечивающие подъем затвора на большую высоту (до 19 м).
Эти подъемники образуются, например, двумя цилиндрами: наруж-
ным и внутренним; длина каждого цилиндра доходит до 10 м. Диа-
метр наружного цилиндра доходит, например, до 0,5 м. Грузоподъ-
емность одного цилиндра с поршнем может достигать 600 т. С по-
мощью гидроподъемника легко можно осуществлять быстрое опу-
скание затвора (путем выпуска масла из цилиндра).
Возможны следующие варианты установки гидроподъемника:
а) цилиндр установлен неподвижно; поршень прикреплен к затво-
ру, причем, двигаясь, он поднимает затвор; б) гидроподъемник
шарнирно прикреплен к затвору и к своей опоре (см. рис. 21.35);
в) цилиндр гидроподъемника укреплен неподвижно; усилие от
штока передается затвору с помощью гибкой тяги (рис. 21.51).
Гидроподъемники широко применяют в связи со следующими
положительными их качествами: а) при малых размерах, являясь
весьма компактными, они развивают большую мощность; б) управ-
ление ими весьма простое; в) гидроподъемниках отсутствуют зуб-
чатые (или червячные) передачи, требующие специального ухода;
г) они обеспечивают плавное движение затвора.
Основной недостаток гидроподъемника заключается в возмож-
ности утечки рабочей жидкости из его цилиндра. .
Управление стационарными подъемными механизмами: а) ме-
стное управление, расположенное непосредственно у электродвига-
теля; б) дистанционное управление — с помощью подачи соответ-
ствующих сигналов по электрической сети с известного расстояния.
Если такое расстояние велико (более 1 км), то переходят к ди-
станционному управлению с использованием средств телемеханики.
Следует еще различать автоматическое регулирование, с помощью
которого автоматически поддерживаются или устанавливаются
либо заданные параметры движения, либо открытия затворов. Ис-
пользуя средства дистанционного и автоматического управления
затворами, мы удешевляем эксплуатацию затворов, а также дела-
ем их работу более надежной.
3. Подвижные подъемные механизмы. В случае малых затворов
для их подъема применяют часто лебедки, перемещаемые от одно-
го пролета к другому, а также»тельферы. При наличии достаточно
больших затворов (плоских, иногда сегментных) для маневриро-
вания ими используют подъемные краны, движущиеся по рельсо-
вым путям; на кранах устанавливают лебедки, которые могут пе-
ремещаться обычно в пределах пролетного строения крана.
Различают следующие виды кранов: мостовые, портальные,
191
Рис. 21.53. . Безмасштабная схема-
портального крана (/(>/г):
1—портальный (или козловой) кран;
2 — перемещающаяся по нему лебедка;
3— подкрановая балка; 4 — паз рабо-
чих затворов; 5 — паз ремонтных за-
творов.
Рис. 21.52. Безмасштабная схема
мостового крана (/]>/2):
1 — мостовой кран; 2 перемещающая-
ся по нему лебедка; 3 — подкрановая
балка; 4 — колонна; 5 — паз рабочих
затворов; 6 — паз ремонтных затворов.
полупортальные и козловые. К кранам предъявляют следующие
требования: а) высотное положение пролетного строения крана
должно позволять полностью открывать отверстие и вынимать
плоский затвор из пазов; б) данный кран за счет горизонтального-
перемещения по нему лебедки и иногда за счет устройства специ-
альных консолей должен обслуживать'соответствующие линии ра-
бочих и ремонтно-аварийных затворов.
Мостовые краны (рис. 21.52) на плотинах устраивают редко.
Хотя эти краны и дешевле портальных (рис. 21.53), но они требу-
ют сооружения колонн. Пролеты и грузоподъемность кранов уста-
новлены нормами. Портальные краны грузоподъемностью более
100 т кроме главного подъемного крюка имеют вспомогательный
подъемный крюк. Скорость перемещения кранов изменяется от 0,5
до 3,0 см/с. Чтобы снизить высотное положение пролетного строе-
ния крана (высоту портального крана), иногда ремонтно-аварий-.
ные затворы расчленяют на секции по их высоте. Дистанционное
управление кранами затруднительно. .
Площадку гребня земляной плотины, примыкающую к устою
бетонной водосливной плотины, часто используют для монтажа
затворов, склада ремюнтных заграждений и т. д., поэтому подъем-
ный кран должен иметь возможность выезжать на такую площад-
ку. С учетом этих соображений следует назначать размеры пло-
щадки.
Используя подвижные подъемные механизмы, мы должны иметь
. возможнфсть закрепить затвор в соответствующем промежуточном
положении после того, как подъемный кран поднимет его на опре-
деленную высоту. Для закрепления затвора в промежуточном его
192
положении применяют так называемые подхваты, имеющие.самую
различную конструкцию. Их располагают по высоте . пазов
(через 0,5 м), с тем чтобы можно было фиксировать открытие от-
верстия.
4. Служебные мосты. На плотине помимо транзитных (шоссей-
ных и железнодорожных) устраивают служебные мосты: 1) для
размещения на них стационарных подъемных механизмов; 2) для
служебного сообщения; 3) для перемещения по ним^ подвижных
подъемных механизмов, обслуживающих либо только ремонтно-
аварийные линии затворов, либо как ремонтно-аварийные- линии
затворов, так и линию рабочих затворов. Пролеты служебных
мостов соответствуют ширине отверстий плотины, перекрываемых
затворами.
При использовании портальных кранов по служебным мостам
иролагают соответствующие рельсы, располагаемые на подкрано-
вых балках. Металлические подкрановые балки назначают обыч-
но высотой -(1/8-...1/1)/; эти балки выполняют сплошными или в
виде сквозных ферм; устраивают также железобетонные подкра-
новые балки.высотой h (рис. 21.54). Низ подкрановых балок дол-
жен быть намечен.на таком уровне а (рис. 21.54, о), чтобы под
подкрановыми балками свободно могли проходить различные пла-
вающие тела. В некоторых случаях на плотине приходится устраи-
вать два или три служебных моста. На рис. 21.54, а, б показаны
схемы поперечного сечения служебного моста металлического и
на рис. 21.54, в — железобетонного. На рис. 21.55 приведено два
возможных варианта расположения на быке опор пролетного стро-
ения моста.
Проектируя в теле устоя плотины, расположенного на нескаль-
ном основании, вертикальные сквозные деформационные швы, не
следует намечать их между двумя подкрановыми балками, по ко-
торым перемешается портальный кран.
Чтобы уменьшить высоту быков, иногда снижают отметку подкрановых пу-
тей (рис. 21.56), предусматривая при этом устройство вертикальных железобе-
13 Р. Р. Чугаев
193
Рис. 21.55. Схемы рас-
положения опор служеб-
ного моста на быке.
Рис. 21.56. Снижение высо-
ты быка с помощью консо-
лей 1.
тонных консолей 1. Высоту этих конселей назначают с таким расчетом, чтобы
при полном открытии отверстия верхнее колесо плоского затвора не поднялось
выше верха консоли (не вышло из паза).
Глава 22. ВОДОСЛИВНЫЕ ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ
ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ НА ГРЕБЕНЬ ПЛОТИНЫ
§ 22.1. Секторные затворы с низовой осью вращения
Различают секторные' затворы: 1) гидравлического действия,
приводимые в движение давлением воды верхнего бьефа; 2) меха-
нического действия, приводимые в движение соответствующими
механизмами. Остановимся на описании стальных секторных за-
творов гидравлического действия, которые главным образом и при-
меняются.
Секторный’затвор гидравлического действия (рис. 22.1, а), вра-
щаясь относительно оси 6, может опускаться в. камеру давления
7, при этом происходит открытие отверстия и вода верхнего бьефа
начинает переливаться через гребень а затвора и течь по обшивке
затвора 5. Основными элементами такого затвора являются: об-
шивка 4, очерченная (из центра 6) дугой окружности радиусом R,
и плоская обшивка 5, по которой вода стекает в нижний бьеф. Ра-
диус обшивки 4 принимают обычно равным R = (1,4,..1,6) Н, где
Н — высота затвора.
Диафрагмы затвора, представляющие собой плоскую форму
(рис. 22.2), располагаются друг от друга-на расстоянии 1,25...3,00 м,
причем каждая диафрагма прикрепляется к бетонному сооруже-
нию с помощью шарнира 2 (укрепленного на поверхности бетона).
Поднятие и опускание затвора гидравлического действия осущест-
194
Рис. 22.1. Стальной секторный затвор с низовой
осью вращения:
а — поперечное сечение; б — горизонтальное сечение
быка; 1, 10 — трубопроводы- с задвижками (клапа-
нами) 2, 9; «3 — донное уплотнение; 4 — круглоцилин-
дрическая обшнвка; 5 — плоская обшнвка; 6 — оск
вращения затвора; 7 — камера давления; 8 — бык;
11— шахта в быке; 12 — затвор в плане.
Рис.’ 22.2. Конструктивная схема стального
секторного затвора с низовой осью вращения
(а) и схема расположения основных элемен-
тов конструкций (б):
/ — диафрагма (плоская ферма); 2 — вспомогатель-
ная криволинейная стойка; «3 — ригель; 4— верхняя
горизонтальная балка; 5 — нижняя горизонтальная
балка; 6 — шарнир.
вляется следующим об-
разом. В быках (см.
рис. 22.1,6) устананав-
ливают два трубопро-
вода 1 и 10, каждый со
своей задвижкой 2 и
9. Трубопровод 1 сое-
диняет верхний бьеф с
камерой давления 7;
когда вода верхнего
бьефа по этому трубо-
проводу поступает в
камеру давления и
уровень воды в ней по-
вышается (см. рис.
22.1, а), значение . и
плечо силы гидроста-
тического давления Р
увеличиваются, причем
затвор начинает подни-
маться. Другой трубо-
провод 10 соединяет
камеру давления с ни-
жним бьефом; когда
вода из камеры давле-
ния начинает вытекать
в нижний бьеф, причем
уровень воды в ней на-
чинает снижаться, зна-
чение Р и плечо этой
силы относительно
центра 6 уменьшаются,
и затвор опускается.
Рис. 22.3. Конструктивная схе-
ма металлического секторного
затвора с низовой осью вра-
щения:
1— обшивка; 2 — шарнир донной
диафрагмы; 3 — опора (при откры-
том отверстии).
13*
195
Рассматривая момент силы Р относительно оси вращения за-
твора 6, необходимо учитывать, что линия действия силы гидро-
статического давления, приложенного к круглоцилиндрической об-
шивке затвора 4, проходит через центр 6, причем момент этой си-
лы относительно оси вращения затвора равен нулю.
Степень открытия отверстия плотины зависит от высотного по-
ложения уровня воды в камере давления (внутри затвора). Роль
быков 8 (см. рис. 22.1,6) в случае рассматриваемого затвора сво-
дится только к размещению в них соответствующих водопровод-
ных устройств. В процессе эксплуатации затвора часто изменяют
открытие только клапана 9 на выпускной трубе; открытие клапана
2 на впускной трубе сохраняют постоянным.
Чтобы достичь герметичности камеры давления 7 (см. рис.
22.1,а), устраивают соответствующие уплотнения: боковое верхо-
вое — вдоль кромки а—3, боковое сливное — вдоль кромки а—6 и
донное-^-в районе кромки 5; кроме того, предусматривают уплот-
нение в месте расположения оси 6 затвора. Вопрос о качестве
уплотнений в случае секторного затвора имеет большое значение
еще потому, что такие уплотнения защищают камеру давления 7
от попадания в нее наносов, нарушающих работу затвора.
В большинстве случаев рассматриваемый секторный затвор де-
лают автоматического действия; это достигается с помощью спе-
циального регулирующего устройства, состоящего из поплавков,
соединенных с клапанами, перекрывающими описанные выше водо-
проводные системы. Такие автоматически действующие устройства
располагаются в шахтах 41 (см. рис. 22.1;б), выполняемых в бы-
ках; наличие этих шахт заставляет увеличивать толщину быков,
например, до 3...6 м.
Устройство секторного затвора с низовой осью вращения (рис.
22.3) требует значительного расширения гребня плотины. Иногда
^читают, что высота плотины в случае рассматриваемого затвора
должна быть не менее полторы высоты затвора (с тем чтобы раз-
местить в ней камеру давления). С увеличением высоты плотины
получаем условия, при которых камера давления меньше подверга-
ется опасности засорения ее наносами.
Существенным недостатком описанного обычного секторного затвора явля-
ется следующее обстоятельство. При наполнении водой камеры давления’ над
уровнем воды в этой камере возникает воздушный пружинящий «мешок», наличие
которого вызывает колебание затвора и несколько затрудняет регулирование
перелива воды через его гребень. Чтобы улучшить условия регулирования пере-
ливающейся через затвор воды, были предложены различные специальные виды
секторного затвора: а) секторный затвор (см. рис. 22.1, а), в верхней части об-
шивки 5 которого (вблизи точки а) предусматривают щели для выпуска сжатого
воздуха; б) секторный затвор с балластной камерой 1 (рис. 22.4, а), которая мо-
жет заполняться водой непосредственно из верхнего бьефа; в) секторный затвор
с камерой 2 в верхнем углу (рис. 22.4,6); камера должна препятствовать обра-
зованию воздушного мешка (эта конструкция наиболее рациональна); г) плава-
ющий секторный затвор, имеющий помимо обшивок 3 и 4 (рис. 22.4, в) водоне-
проницаемую обшивку 6; такие затворы выполняют обычно нз железобетона.
Описанные секторные затворы применяют при сравнительно малых колеба-
ниях уровня воды в верхнем бьефе (и при условии, когда мы не опасаемся за-
полнения камеры давления наносами).
196
Рис. 22.4. Некоторые осооы^ виды секторного затвора с низовой осью враще-
ния:
/—.балластная камера; 2 — стабилизационная камера, препятствующая образованию
воздушного мешка; <3, 4, 6 — водонепроницаемые обшивки; 5—плавающий железобетон-
ный секторный затвор.
Пролеты, перекрываемые такими затворами, доходят до 60...
65 м; высота затворов — до 9... 11м.
Основные достоинства этих затворов: а) они позволяют доста-
точно точно и быстро, причем автоматически, регулировать уровень
воды верхнего бьефа, а также легко сбрасывать в нижний бьеф
лед и другие плавающие тела; б) высота быков в случае этих за-
творов получается небольшой; в) затворы обладают большой
жесткостью и могут перекрывать весьма большие пролеты.
К недостаткам данных затворов относятся: а) давление льда и
ветровых волн, действующее на гребень затвора, иногда может
нарушать.регулирование открытия отверстия; б) конструкция за-
твора получается достаточно сложной; вес затвора большой, стои-
мость его велика; в-) возможность засорения камеры давления на-
носами; г) сложность эксплуатации; д) сложность регулирования
аппаратуры, служащей для автоматического управления затвора-
ми; е) большая толщина быков (но при малой их высоте). Имея
в виду перечисленные недостатки описанных затворов, в последнее
время их применяют относительно редко.
§ 22.2. Секторные затворы с верховой осью вращения
Секторные затворы гидравлического действия .с верховой осью
вращения иногда называют поплавковыми или барабанными. За-
твор (рис. 22.5) образован поперечными криволинейными рамами
3 (трехсторонними), расположенными на расстоянии друг от друга
1,0 м. Стальная обшивка 2 покрывает фамы с трех сторон; кроме
того, предусматривают водонепроницаемые обшивки в плоскости
двух крайних рам. Все эти обшивки образуют барабан (поплавок),
внутри которого имеется замкнутая воздушная область 4, с торцов
ограниченная упомянутыми плоскими обшивками крайних рам.
Опоры затвора представляют собой шарниры 1, выполненные у
каждой поперечной рамы. Принцип гидравлического действия дан-
ного затвора такой же, как и в случае секторного плавающего за-
твора с низовой осью вращенияТПри выпуске воды из камеры дав-
197

Рис. 22.5. Секторный затвор
с верховой осью вращения:
/ — шарнир (с уплотнением);
2 — обшивка; 3 — криволиней-
ная рама (трехсторонняя); 4—
замкнутая воздушная область;
5 — уплотнение; 6, 7 — трубо*.
проводы с задвижками; 5 —
камера давления.
ления 8 затвор, вращаясь относительно
шарниров 1, погружается в камеру дав-'
ления.
Герметичность камеры давления обес-
печивается уплотнениями (резиновыми)
по горизонтальным линиям, проходящим
через точки 1 и 5. Кроме того, преду-
сматривается соответствующее уплотне-
ние между торцами «барабана» («по-
плавка») и вертикальными поверхностя-
ми быков.
Данные затворы весьма компактны;
их устанавливают обычно на гребне
сравнительно высоких плотин (когда нет
оснований опасаться засорения камеры
8 наносами). Камера давления таких за-
творов не подтапливается нижним бье-
фом. При открытом отверстии, когда за-
твор погружен в камеру 8, его очертание
снаружи отвечает очертанию гребня во-
досливной плотины. Обогрев этих затво-
ров не Вызывает особых затруднений и
потому они могут применяться в суровых
зимних условиях.
Иногда затвор требует выпуска воды из камеры давления при
закрытом отверстии тглотины (в случае ремонта уплотнений затво-
ра и т. п.). Имея это в виду, создают особые опоры (выдвигаемые
из. бетонных стен), на которые затвор ложится при выпуске воды
из камеры давления 8. Собственный вес затвора может быть опре-
делен по соответствующим эмпирическим формулам; он получает-
ся большим, чем в случае секторных затворов с низовой осью вра-
щения.
Перекрывающая способность данного затвора примерно такая
же, как и у секторных затворов с низовой осью вращения. Иногда
пролет, перекрываемый рассматриваемым затвором, лимитирует
пролет служебного или транзитного моста. Применение секторных
затворов рационально, в частности, когда ледосброснце отверстия
плотины должны иметь большую ширину. Многие положительные
и отрицательные качества, отмеченные в § 22.1 применительно к
секторному затвору с низовой осью вращения, относятся и к за-
твору с верховой осью вращения.
§ 22.3. Клапанные затворы
В настоящее время клапанные затворы (см. рис. 20.2) находят
относительно широкое применение.
В последнее время эти затворы строят в основном двух типов:
а) затвор с продольной балкой (рис. 22.6), подвешенной на тягах;
б) затворы, линзообразные (рис. 22.7) — в виде пространственной
тонкостенной конструкции, работающей на скручивание при одно-
198
Рис. 22.6. Клапанный затвор с
продольной балкой:
/ — шарнир с уплотнением; 2 —
обшивка; 3 — тяга; 4 — балка.
Рис. 22.7. Клапанный линзообразный затвор
(размеры В м);
1 — обшивка; 2 — диафрагма; 3— шариирз
стороннем подъеме затвора тягой. Клапанные затворы могут при-
меняться как на плотинах достаточной высоты, так и на низких по-
рогах. Работа клапанного затвора легко поддается автоматизации.
Линзообразный клапанный затвор может перекрывать пролет
до 50 м при высоте Н до 7 м. Подъем и удержание клапанных за-
творов осуществляется гибкими тягами (например, цепями Галля)
или цевочными (пальчатыми) рейками. В качестве подъемно-
опускных механизмов применяют механические лебедки или гидро-
подъемники.
§ 22.4. Мероприятия по обеспечению нормальной работы
затворов в зимнее время
При эксплуатации затворов зимой необходимо учитывать воз-
можность нарушения нормальной работы затворов за счет: а) об-
мерзания опорно-ходовых частей, а также уплотнений; б) пример-
зания затворов к их порогам; в) намерзания льда на боковых
поверхностях быков и устоев; г) намерзания льда на корпусе за-
твора со стороны верхнего бьефа (рис. 22.8), что увеличивает вес
затвора; д) возникновения наледей на низовой стороне затвора,
что также увеличивает его вес; е) замерзания воды в камерах дав-
ления затворов гидравлического действия и системах гидравличес-
кого управления затворами; ж) недостаточно хорошей работы
обычной смазки в зимнее время; и) возникновения статического
давления льда верхнего бьефа на затвор.
Для обеспечения удовлетворительной работы затворов зимой в
ряде случаев приходится: принимать специальные меры по пре-
дохранению затвора от статического давления льда на них; устран-
ишь теплоизоляцию обшивки затвора; обогревать отдельные части
механического оборудования; подготавливать специальную смазку
199
Рис. 22.8. Создание перед затвором майн,' снимающих статичес-
кое давление льда:
а — прорубь перед затвором; б — схема воздухообдува; 1 — обшивка
затвора; 2 — лед;” 3 — майна; 4 — отепление проруби снегом; 5 — воз-
душная труба; 6 — всплывающие пузырьки воздуха.
для оборудования, эксплуатация которого будет проходить при
низких температурах^—-
1. Меры по предохранению затвора от статического давления
льда: а) создание перед затворами отепленных майн (рис. 22.8, а);
б) установка перед затвором так называемых потокообразователей
в виде насосов, которые создают соответствующее движение воды
в верхнем бьефе, в связи с чем перед затвором образуется майна;
в) воздухообдув обшивки, который позволяет также не допускать
намерзания льда на корпус затвора со стороны верхнего бьефа.
Воздухообдув обшивки затвора устраивают следующим обра-
зом. В зимний период в верхнем бьефе вблизи низа затвора (рис.
22.8, б) пролагают горизонтальную воздушную трубу 5 с боковыми
отверстиями. В эту трубу от компрессора поступает сжатый воз-
дух, который выходит из трубы через боковые отверстия и попада-
ет в воду в виде отдельных пузырьков. Такие пузырьки, всплывая,
насыщают вертикальный слой воды, расположенный непосредст-
венно у обшивки затвора. Плотность этого слоя двухфазной жид-
кости оказывается меньше плотности воды. Это обстоятельство
обусловливает движение,воды по направлению от дна к свободной,
поверхности потока вдоль обшивки затвора. Так как вода у дна .
относительно’теплая, то, поднимаясь кверху м омывая обшивку
затвора, она предохраняет ее от обмерзания, а также способствует
образованию перед затвором соответствующей майны, снимающей
статическое давление льда с затвора.
Боковые выпуски на воздушной трубе устраивают через 3...5 м.
Воздуховод работает периодически через 1...4 ч в течение-всей зи-
мы; продолжительность одного воздухообдува 20 мин.
2. Теплоизоляция обшивки затвора. Теплоизоляцию создают с
низовой стороны обшивки затвора. Здесь различают: -а) обшивку,
например деревянную, устраиваемую по линии abed (см. рис.
22.8, а); в этом случае теплоизоляцией является слой неподвижно-
го воздуха, заключенного в замкнутом пространстве А между
стальной и деревянной, обшивками; иногда пространство А обогре-
200
вают; б) покрытие стальной обшивки с низовой ее стороны, напри-
мер слоем пенобетона. Последний способ более эффективен.
3. Обогрев отдельных частей затвора. Различают следующие
виды обогрева закладных частей, уплотнений, стальной обшивки и
т.п.: а) с помощью подогретого трансформаторного масла, цирку-
лирующего по трубам, заделанным в бетон и расположенным на
расстоянии 60...120 мм от обогреваемой металлической части; б) с
помощью электрического тока, проходящего непосредственно по
соответствующей обогреваемой металлической части; в) теплым
воздухом, поступающим, например, в пазы затвора из системы ох-
лаждения генераторов электростанции; г) с помощью электриче-
ских печей из нихромовой проволоки, намотанной на фарфоровые
изоляторы; такие печи имеют большую длину и размещаются, на-
пример* внутри швеллеров,- которые располагаются вдоль обогре-
ваемых частей затвора. Гидравлические системы затворов отепля-
ют путем пропуска через них горячей воды или использования
средств, описанных выше.
4. Дополнительные замечания. В условиях сурового зимнего
климата плоские затворы менее пригодны, чем затворы некоторых
других типов. Если в таких условиях применять плоские затворы,
то обязательно надо отеплять их пазы. ‘Вододействующие затворы
пригодны и в условиях сурового зимнего климата. Эксплуатация
затворов иногда затрудняется наличием шуги (которая должна
пропускаться через особые отверстия плотины). При наличии шуги
сдвоенные плоские затворы применять не следует.
»
§ 22.5. Тканевые затворы
В связи с развитием производства синтетических материалов и
их удешевлением появились и в гидротехническом строительстве
затворы из прочной синтетической ткани, покрытой для водонепро-
ницаемости синтетической резиной. Затворы эти представляют
собой тонкую цилиндрическую оболочку, укрепленную на флютбе-
те водопропускного отверстия вдоль одной или двух образующих
цилиндра и наполняемую водой из резервуара под напором Hit
превышающим напор Н верхнего бьефа (рис. 22.9, а). В зависимо-
сти от внутреннего давления и соответственно объема воды, вве-
денной в оболочку, изменяется высота затвора; его форма то при-
ближается к круговому цилиндру и течение воды через затвор пре-
кращается, то, наоборот, оболочка сплющивается и укладывается
на флютбет, открывая полностью отверстие. Наполнение оболочки
водой и ее опорожнение производится по трубам, проложенным во
флютбете (или в быках), и сообщается соответственно с напорным
резервуаром и нижним бьефом. В связи с изложенным тканевые
затворы называют также наполняемыми и складываемыми.
Тканевые затворы относятся к типу опирающихся на гребень
водослива, поэтому они могут перекрывать отверстия большого
пролета, измеряемого десятками метров. Напор отверстий ограни-
чивается прочностью ткани на растяжение; на большинстве пост-
201
'Рис. 22.9. Тканевые затворы:
а — наполняемый водой; б — наполняемый сжатым *воздухом; 1 — прорезиненная ткань;
— труба; подводящая н отводящая воду или воздух; 3 — уровень воды в напорном ре-
зервуаре; 4 — точка перегиба, где давление воды равно давлению воздуха; 5 — крепле-
ние оболочки к флютбету.
роенных плотин он не превышает 3,0 м, однако возможно изготов-
ление затвора и вдвое большей высоты. Толщина оболочки состав-
ляет 1...2 мм в зависимости от числа слоев ткани. Возможно изго-
товление оболочки из полимерной пленки без тканой основы.
Особенностью тканевого затвора является его малая масса. Это
положительное свойство объясняется тем, что оболочка, будучи
гибкой и меняя свою форму под нагрузкой, испытывает только
растягивающие усилия, в ней не возникают изгибающие моменты
и поперечные силы, свойственные жестким конструкциям затворов.
Недостатки тканевого затвора: малая толщина и мягкий мате-
риал оболочки сильно увеличивают вероятность ее повреждения,
например льдом, плавающими предметами; сравнительно быстрое
старение синтетических материалов. Недопустимость замерзания
воды внутри оболочки и в системе наполнения заставляет приме-
нять в условиях холодного климата для наполнения затвора неза-
мерзающую жидкость, циркулирующую по замкнутой системе,
т. е.'с верхним и нижним резервуарами.
Для наполнения оболочки применяют также сжатый воздух.
В этом случае форма оболочки существенно изменяется (см. рис.
22.9,6).
Относительно сложными элементами тканевого затвора являют-
ся его торцы, примыкающие к быкам плотины. Торец затвора, со-
ответствующий форме оболочки в наполненном состоянии, можно
прикрепить к быку. Тогда при опорожнении оболочки торцовые
части затвора не будут полностью открывать отверстия. Чтобы
уменьшить этот недостаток, делают оболочку с избытком длины
верхних образующих торцовых участков и необходимые деформа-
ции затвора совершаются здесь за счет образования и распрямле-
ния складок ткани. Делают также грани быков наклонными, при-
давая отверстию трапецеидальную форму. Торец можно не при-
креплять к быку, тогда он будет прижат к быку давлением воды в
оболочке. При опорожнении оболочки для открытия отверстия то-
202 .
рец будет сминаться, а при наполнении оболочки •— расправляться,
преодолевая силы трения между ним и быком.
Форма оболочки при различной степени ее наполнения и раз-
личных уровнях верхнего и нижнего бьефа определяется статичес-
ким расчетом. Одновременно находят силу натяжения оболочки.
Сила эта постоянна по всей поверхности оболочки и равна произ-
ведению разности давлений внутреннего и внешнего на радйус
кривизны профиля оболочки в данной точке: N=(Pi—P)^=const.
Если по обе стороны участка оболочки среда одинаковой плот-
ности, то радиус принимает постоянное значение, профиль участ-
ка становится дугой окружности. Если внутри оболочки вода, а
( наружи воздух, или наоборот, то форма участка профиля с пере-'
менным радиусом кривизны определяется известными аналитичес-
кими зависимостями. У наполненных водой затворов профиль обо-
лочки всюду выпуклый; у наполненных воздухом затворов при
давлении Рь меньшем максимального давления воды, профиль обо-
лочки может иметь точку перегиба, кривизну разных знаков (см.
рис. 22.9).
Раздел VI. ВОДОСЛИВНЫЕ ПЛОТИНЫ,
ОТЛИЧНЫЕ ОТ ГРАВИТАЦИОННЫХ
БЕТОННЫХ МАССИВНЫХ ПЛОТИН.
СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПЛОТИНАХ. РЕЧНЫЕ
ВОДОЗАБОРЫ
Глава 23. ВИДЫ ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН.
ЗАМЕЧАНИЯ О СПЕЦИАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЯХ,
УСТРАИВАЕМЫХ ПРИ ПЛОТИНАХ
§ 23.1. Бетойные плотины облегченные массивные,
контрфорсные и арочные
Водосливные бетонные плотины облегченные массивные, контр-
форсные и арочные следует проектировать с учетом сказанного:
1) о глухих бетонных плотинах — проектирование основных частей
тела бетонных плотин; 2) о массивных бетонных водосливных пло-
тинах: а) расчет водосливного фронта плотины; б) построение
гидравлического и практического профиле^ плотины; в) расчет и
проектирование устройств, нижнего бьефа; г) расчет и проекти-
рование подземных частей плотин на нескальном основании; 3) о
механическом оборудовании водосливных плотин.
Дополнительно к сказанному приведем следующие замечания
о проектировании водосливных бетонных плотин, причем ограни-
чимся рассмотрением только контрфорсных и арочных плотин.
1. Контрфорсные водосливные плотины. Рассмотрим контрфор-
сную плотину с плоским верховым перекрытием. Преобразуя попе-
речное сечение глухой плотины в поперечное сечение водосливной
плотины, предусматривают устройство водосливной плиты, кото-
рая перекрывает пролеты между контрфорсами с низовой стороны
плотины. Различают три основных типа контрфорсной водосливной
плотины: 1) наружное очертание водосливной плиты 3 (рис.
23.1, а) такое же, как и очертание сливной поверхности массивной
бетонной плотины нормального безвакуумного профиля без усту-
па, когда получаем гладкое сопряжение сливной поверхности пло-
тины с поверхностью дна нижнего бьефа (см. рис. 23.1, а) или с
низким уступом; 2) водосливная плита плотины заканчивается
носком (рис. 23.1,6), причем получают плотину гидравлического
профиля, аналогичного профилю безвакуумной массивной плотины
нормального очертания с высоким уступом (см. § 14.5); 3) водо-
сливная плита плоская (рис. 23.1,в), причем сливная поверхность
приобретает вид быстротока. Последний тип может быть использо-
ван только в случае небольших плотин.
При наличии нескального основания используют только первый
тип, причем в этом случае дополнительно предусматривают уст-
204
Рис. 23. Г. Основные типы водо-
сливных контрфорсных плотин (на
скальном основании) с плоским
верховым перекрытием:
/ — плита верхового перекрытия; 2 —
воздушное^ отверстие; 3— водосливная
плита; 4 — выпускное отверстие; 5 —
отверстия в контрфорсах.
Рис. 23.2. Контрфорсная водослив-
ная плотина (на нескальном ос-
новании) ;
1— понур; 2 — плоское верховое пере-
крытие; 3 — затвор; 4 — водосливная
плита; 5 — выпускное отверстие; 6—»
водобой; 7 — фильтрационные отвер-
стия; 8 — фундаментная плита; 9 —
шпунт.
Рис. 23.3. Контрфорсная водосливная плотина на нескальном основании (разме-
ры в м):
/ — верховая плята перекрытия; 2 — сегментный затвор; 3 — паз для ремонтных затворов;
4 — ось плотины; 5 — бык; 6 — раздельный устой: 7 — водосливная плита; 8 — отверстия в
контрфорсах; 9 — выпускное отверстие; 10 — свайный шпунтовый ряд; 11— фнльтрацнон-
iibic отверстия (0,15X0,15 м) в фундаментной плите.
205
Рис. 23.4. Водосливная
часть контрфорсной пло-
тины Стони Горж (США,
р. Стони Крик, 1928 г.;
Наа =42,0 м):
1 — плоское перекрытие
контрфорсной • плотины; 2 —
направлящне для затвора;
3 затвор (опускающего
типа); 4 — затворная каме-
ра; 5 — раздельный устой;
6 — водосливная поверх-
ность; 7 — конгломерат;
S — инъекционная завеса
ройство особой фундаментной плиты 8 (рис. 23.2). Иногда в этой
плите для снижения противодавления устраивают фильтрационные
отверстия 7.
Водосливная плита 3 (см. рис. 23.1), как и плиты верхового
плоского перекрытия 1, опирается на контрфорсы. Толщину водо-
сливной плиты рассчитывают так же, как и толщину плит верхо-
вого плоского перекрытия. Гребень водосливной плотины, где
сопрягается водосливная плита с плитами плоского верхового пе-
рекрытия, проектируют с расчетом расположить в этом месте рабо-
чие и ремонтные затворы. С низовой стороны гребня плотины при
переливе через него воды под струей может образоваться вакуум.
Рис. 23.5. Общий вид контрфорсной плотины Стони Горж.
206
Рис. 23.'6. Водосливная массивно-контрфорсная
плотина Дон-Мартин (1929 г.) (размеры в.м):
/ — массивный оголовок контрфорса; 2 — 26 сегментных
затворов; 3 — водосливная плита; -4 — мост; 5 — дренаж-
ная труба; 6 — уплотнение.
Рис. 23.7. Схема водослив-
ной арочно-гравитационной
плотины
Чтобы погасить этот вакуум, в некоторых случаях в водосливной
плите устраивают воздушные отверстия 2 (см..рис. 23.1, а). Допол-
нительно делают еще выпускные отверстия 4 и отверстия 5 в
контрфорсах. Водосливную плиту укрепляют, чтобы она не оторва-
лась потоком от контрфорса при возникновении упомянутого выше
вакуума.
На рис. 23.3, 23.4, 23.6 показаны поперечные сечения некоторых
контрфорсных водосливных плотин, а на рис. 23.5 — общий вид
одной из контрфорсных плотин.
2. Арочные водосливные плотины. В случае арочно-гравитаци-
онной плотины (имеющей относительно большую толщину) при
Рис. 23.8. Армированный оголо- Рис. 23.9. Водосливная часть Толоросской
вок водосливной арочной пло- арочной плотины (СССР, Армения, р. Сисан;
тины Булларде Бар (размеры /7Пл=68 м; неосуществленный проект (раз-
в м) меры, в м)
207'
Рис. 23.10. Водосливная’часть Ладжанурс-
кой арочной плотины (СССР, Грузия, р.
Ладжанури; I960.; Япл=69,0 м) (размеры
в м):
/ — водослив; 2 — галереи для контрольно-изме-
рительной аппаратуры; 3 — труба водоспуска;
1— стенка (арочная в плане), образующая водо-
бойный колодец; 5 — цементационная завеса.
Рис. 23.11. Водосливная арочная пло-
тина Серра (Швейцария, //пл=17 м)
(размеры в м):
/ — рабочие швы бетонирования.
I
Рис. 23.12. Водосливная арочно-гра-
витационная плотина Монтейнорд
(Франция, р. Драк, 1962 г., ДПл=
= 150 м):
1 — водоприемные отверстия ГЭС: 2 — сег-
ментный затвор; 3 — водосливная поверх-
ность; 4 — носок для отброса струи; 5 —
помещение ГЭС.
Рис. 23.13. Общий вид водосливной арочной плотины Вальтер (США, р. Пижон,
1930 г.;//пл = 58 м)
небольшом напоре Я=1...2 м на гребне водослива иногда низовую
(сливную) поверхность плотины в поперечном ее сечениии очерчи-
вают так же, как и сливную поверхность бетонной массивной пло-
тины (рис. 23.7). Однако такие решения встречаются редко. Как
правило, сброс воды в нйжний бьеф в случае арочной плотины
осуществляют по принципу свободной' струи, сходящей с гребня
плотины с водосливного оголовка (рис. 23.8). Такому водосливно-
му оголовку придают обтекаемую форму; при необходимости на
нем располагают рабочие и ремонтные затворы.
Скальное основание в нижнем бьефе водосливной арочной пло-
тины надлежащим образом укрепляют, иногда предусматривают
устройство соответствующего водобойного колодца, с помощью
которого осуществляется сопряжение свободной струи с нижним
бьефом, и т. п. В соответствующих случаях, проектируя описан-
ное сопряжение бьефов, учитывают возможность сброса льда в
нижний бьеф.
На рис. 23.9...23.12 показаны для примера поперечные сечения
арочных плотин (по йх водосливным отверстиям), а на рис. 23.13—
общий вид одной из арочных водосливных плотин.
14 Р. Р. Чугаев
209
§ 23.2. Деревянные плотины
1. Общие сведения. Деревянные плотины начали строить еще
в давние времена (в России в XIII в. и ранее). Деревянные пло-
тины должны сооружаться только водослизного типа; глухие пло-
тины из грунтового материала оказываются более экономичными
даже в лесных районах страны.
В настоящее время можно назвать много различных видов де-
ревянных плотин. Наиболее старым является ряжевая плотина так
называемого русского типа. В последующем были предложены
различные деревянные плотины облегченного типа', свайно-обшив-
ные, стоечно-обшивные и т. п. В этих плотинах ряжи, образующие
обычную плотину русского типа, заменяются сваями или стойками,
имеющими соответствующую обшивку, причем наряду с экономией
материала получается значительное усложнение конструкции.
В лесных районах СССР следует строить ряжевые плотины
русского типа. В других районах страны деревянные плотины вы-
тесняются бетонными. Деревянные плотины недостаточно долго-
вечны — в результате гниения дерева (выше самого низкого уров-
ня воды); срок службы деревянной плотйны не превышает 20...
25 лет.
Ряжевые плотины русского типа сооружают: а) в целях улуч-
шения лесосплава на небольших лесосплавных реках; б) в связи
с устройством небольших ГЭС или в интересах сельского хозяйст-
ва. Максимальный напор на рассматриваемой ряжевой плотине
может доходить до 10... 15 м; однако практически такие плотины
обычно строят для напоров на сооружении, не превышающих
5...6 м. Ряжевые плотины выполняют из круглого леса, как прави-
ло, из сосны, которая не так дорога (как дуб), легко поддается
обработке и не подвергается гниению в такой мере, как ель.
Гидравлические расчеты водосливных деревянных плотин, а
также расчеты их подземного контура осуществляют так же, как
и соответствующие расчеты бетонных плотин; расчеты прочности
отдельных деревянных элементов плотины выполняют по обычным
правилам строительной механики. В связи с этим далее не будем
касаться расчетов, связанных с проектированием деревянных пло-
тин; ограничимся только описанием их конструкции.
Механическое оборудование деревянных плотин носит упрощен-
ный характер: для закрытия отверстий применяют небольшие де-
ревянные щиты или шандоры; открытие отверстий осуществляют
с помощью ручного ворота и т. п. Пролет отверстий плотин не пре-
вышает, например, 8 м, поскольку такие пролеты могут быть пере-
крыты деревянным балочным мостом.
2. Общее описание конструкции деревянной водосливной ряже-
вой плотины русского типа. На рис. 23.14 показан разрез по водо-
сливному отверстию ряжевой плотины русского типа, имеющей так
называемый свайный флютбёт. Такая плотина (рис. 23.15) образу-
ется ряжевыми устоями, имеющими обратные стенки (выполнен-
ные также из ряжей); отверстие плотины разбивают ряжевыми
210
Рис. 23.14. Разрез по водосливному отверстию ряжевой плотины русского типа
со свайным флютбетом (размеры в м):
1 — понурный пол; 2 — коренная стойка; 3 — ворот; 4 — мостовые балки, служащие опорой
для промежуточных стоек; 5— мост; 6 — пол водобоя; 7 — слив; в —обратный фильтр;
9—стенка из пластин; 10 — глинистая часть флютбета; 11— королевая колода; /2 — ко-
ролевый шпунтовый ряд; 13—маячные сваи; 14 — рамный (направляющий) брус; 15 — по-
нурный шпунтовый ряд; 16 — поиурная колода (понурный шапочный брус).
Рис. 23.15. План водосливной ряжевой плотины русского типа (размеры в м):
/ — мост; 2— пол водобоя; 3 — пол слива; 4 — верхний настил водобойного пола; 5 — ниж-
ний настил водобойного пола; 6 — коренная стойка; 7 — бык; 8 — промежуточные стойки;
9--понурный пол; АВС — лицевые грани устоя и быка; 1—1 — ось королевой шпунтовой
линии; 2—2— ось понурной шпунтовой линии.
14*
211
Рис. 23.16, Разрез по водосливному, отверстию ряжевой плотины русского типа со
свайно-ряжевым флютбетом:
2— начало понура; 2 — понурный пол; 3 — подвижный ворот; 4 — мост; 5 — коренная стойка;
€ —король; 7 — водобойный пол; 8 — пол слива; Р — рисберма; 10 — пространство, включа-
ющее ряжевую нарубку на сваях, заполненную обратным фильтром; 11— пространство,
включающее ряжевую нарубку на сваях, заполненную глинистой частью флютбета н обрат-
ным фильтром; 12 — королевый шпунтовый ряд;% 13 — пространство, включающее ряжевую
нарубку, расположенную на сваях н заполненную глиной; /4 —понурный шпунтовый ряд;
25— глина; 16 — сваи, на которых располагаются ряжевые нарубки.
быками 7 на ряд пролетов; каждый отдельный пролет (отдельное
водосливное отверстие) ограничивают лицевыми вертикальными
гранями АВС устоев и быков; в отдельных пролетах устанавлива-
ют промежуточные стойки 8 (постоянные или съемные); такие
промежуточные стойки заменяют тонкими бычками (контрфорса-
ми) . При подходе к линии 1—1 затворов располагают понурную
часть 9 плотины; ниже по течению— водобойную часть 2, закан-
чиваюшуюсй так называемым сливом 3. По линии 1—1 устраива-
ют королевый шпунтовый свайный ряд; по линии 2—2 — порнур-
ный шпунтовый свайный ряд. Ряжевые простенки над Королевым
.шпунтовым рядом в пределах устоев и быков рубят в шпунт, при-'
чем получаются достаточно водонепроницаемые стенки — короле-
вые простенки (см. рис. 23.19, а).
Отметку гребня водослива (VTp. вод) назначают так же, как
и в случае бетонных плотин. На понурный шпунтовый ряд сверху
насаживают понурную колоду 16 (см. рис. 23.14), на королевый
шпунтовый ряд — королевую колоду И, на которой располагают
’затворы. Между понурной и королевой колодами устраивают по-
нурный пол; ниже по течению королевой колоды располагают водо-
бойный пол. Пол (водобойный и понурный) делают в виде либо
одиночного, либо двойного цастила досок или пластин.
Поверхность водобойного пола всегда делают горизонтальной;
поверхность понурного пола часто имеет обратный уклон (рис.
23.16). Слив, располагаемый ниже (по течению) водобоя, устраива-
ют или горизонтальным, или с прямым уклоном. Под деревянным
полом слива (и ниже его по течению) отсыпают камень, иногда де-
лают мостовую; под камнем предусматривают устройство обратно-
го фильтра. При подходе к понуру также-предусматривают-креп-
ление русла.
Развитие длин путей фильтрации под плотиной, расположенной
на нескальном основании, допускающем забивку свай (см. рис.
212
23.14), осуществляют за счет устройства: 1) свайных шпунтовых
рядов (понурного и королевого) определенной длины; 2) под по-
нурным и водобойным полами достаточно толстого глинистого (или
глицобетонного) слоя 10 (см. рис. 23.14) —глйнистой части флют-
бета. < - - '
Между такой глинистой частью флютбета и деревянным полом
водобоя делают обратный фильтр 8. Подземным, контуром данной
плотины является линия, ограничивающая снизу шпунтовые свай-
ные ряды и глинистую часть флютбета. Плотина в рассматривае-
мом сечении образована глиной (или глинобетоном); деревянные
же полы понура и водобоя служат только для защиты глины от
размыва ее открытым потоком.
Что касается ряжевых устоев и быков, то они могут распола-
гаться на сваях. Засыпку ряжей в верховой их части (расположен-
ной выше по течению) выполняют уплотненным маловодопроница-
емым грунтом, низовую часть ряжей заполняют относительно во-
допроницаемым грунтом. При подборе грунта, служащего для
засыпки ряжей, учитывают недопустимость зимнего пучения этого
грунта. Шпунтовый королевый простенок, шпунтовый королевый
свайный ряд и линия затворов образуют вертикальную водонепро-
ницаемую стенку, преграждающую русло реки.
Если отметка гребня водослива (VTp. вод) оказывается боль-
ше отметки дна русла, водобойный пол приходится поднимать над
дном русла, причем получаем основание плотины комбинированно-
го типа — свайно-ряжевое (см. рис. 23.16), ~
В случае скального грунта или нескального, содержащего от-
дельные достаточно крупные камни (когда забивка свай оказыва-
ется невозможной), переходят к дере-
вянным плотинам, имеющим только
ряжевое основание; достаточно за-
глубленный в грунт королевый просте-
нок ряжевого основания рубят в гори-
зонтальный шпунт.
Рис. 23.17. Брусчатый (а).н до-
щатый (б) шпунтовые ряды:
/—маячная свая; 2—брусчатые
шпунтовые сван (забиваемые греб-
нем вперед); 3 — рамные ^(направ-
ляющие) брусья; 4 — болт; 5 — до-
щатые шпунтовые сваи. .
Рис. 23.18. Понурная (а) к королевая (б) ко-
колоды;
/—шпунтовый свайный ряд; 2 — маячные сваи; 3 —
рамные брусья; 4— понурная шапка; 5 — глухарь;
6 — понурный пол; 7 — войлок; 8 — паз для щитов;
9 — коренная стойка; 10 — водобойный пол; 11 —
шапка королевого шпунтового ряда (король).
213
Рис. 23.19. Королевый шунтовый простенок: '
а — вертикальное н б — горизонтальное сечения; / — простенок; 2 — продольные стенки
ряжа (не пересекающие шпунтовый простенок); 3 — войлок.
Рис. 23.20. Коренная стойка 3 (размёры
в см):
/ — королевый шпунтовый простенок; 2 — ли-
цевая стенка устоя (или быка).
Рис. 23.21. Лицевая стенка устоя
и водобойного пола:
1 — лицевая стенка устоя; 2 — нижний
пол водобоя; 3 — толь; 4 — верхний
пол водобоя; 5 — свая.
Рис. 23.22. Деревянный щит (разме-
ры в см):
J — доски, сплоченные в четверть (нлн в
шпунт); 2 — металлические крючья; 3—•
шпонки. #
Рис. 23.23. Деревянные шандоры
(размеры в см):
J металлические крючья для подъема
шандора; 2 — шандор (бревно, отесанное
с двух сторон).
214
Описанное выше устройство деревянной ряжевой плотины явля-
ется относительно новым. Еще в начале нашего века не преду-
сматривали глинистую часть флютбета. в пределах водобоя (огра-
ничиваясь здесь только деревянным полом), в конце водобоя
устраивали третий шпунтовый свайный ряд (причем увеличивали
противодавление на водобой); под лицевыми гранями устоев и бы-
ков делали продольные шпунтовые ряды (по линиям АВС на рис.
23.15).
3. Основные конструктивные детали деревянных ряжевых плотин. На рис.
23.17 показаны брусчатый и дощатый шпунтовые ряды. Маячные сваи всегда
забиваются глубже шпунтовых свай, причем в случае брусчатых шпунтовых ря-
дов маячные сваи не входят в состав самого шпунтового ряда. Существует точка
зрения, согласно которой при наличии определенных грунтов (содержащих до-
статочно крупные включения) пазы и шпунты на сваях только снижают водоне-
проницаемость шпунтового ряда; в этих случаях рекомендуется забивать бес-
шпунтовые свайные ряды.
На рис. 23.18 для примера приведены поперечные'сечения понурной и коро-
левой Чсолод. Шапку королевого шпунтового ряда называют иногда королем.
На рис. 23.19 показан королевый шпунтовый простенок. Продольные простенки
ряжей не пересекают королевого простенка; бревна, образующие продольные
стенки ряжей, врубаются «в лапу» и бревно королевого простенка. На рис. 23.20
приведен пример поперечного сечения коренной стойки (с пазом для затворов),
а на рис. 23.21 — поперечного сечения лицевой стенки уетоя и водобойного пола.
Для перекрытия отверстий ряжевой плотины применяют деревянный- шандор
(рис. 23.22 и 23.23). Пролет, перекрываемый, например, деревянным щитом, „
весьма мал. В связи с этим отверстие плотины приходится расчленять, промежу-
точными стойками на небольшие пролеты. Нижний конец промежуточных стоек
врубают в король, верхний же опирают на прогон (иногда усиленный) служебное
го моста, по которому перемещается, например, ручной ворот, служащий для
подъема и опускания щитов или шандор.
§ 23.3. Другие виды плотин
Помимо бетонных и деревянных встречаются и другие типы
плотин: 1) облегченная водосливная плотина, называемая у нас
плотиной А. М. Сенкова (рис. 23.24), позволяющая снизить объем
бетона, но производство работ по возведению такой плотины
усложняется; 2) водоспускная плотина типа плотины Щербаков-
ского гидроузла на р. Волге «(рис. 23.25), также позволяющая сни-
зить объем бетона за счет усложнения производства работ;.
/ 2 3 4 5 6
Рис. 23.24. Водосливная облегченная плотина системы А. М. Сенкова на нескаль-
пом основании (размеры в м):
/ — бетонное покрытие понура; 2 — насыпной грунт; 3 — гребень плотины; 4 — бетон; 5 —
нетронутый грунт; 6 — специальный гаситель энергии системы А. М. Сенкова; 7 — шпунто-
вые ряды; 8 — глинистый понур. '
215
Рис. 23.25. Водоспускная плотина Щербаковского-гидроузла:
1 — водоспускное отверстие; 2— засыпка грунтом; <3 — водобой; 4 — бетонная фунда-
ментная часть плотины; 5 — металлический шпунт; 6 — понур.
Рис. 23.26. Двухъярусная плотина Вербуя
(Франция, р. Рона) (размеры в м):
1 — водосливное отверстие (клапанный затвор); 2—
водоспускное отверстие (плоский затвор).
3) двухъярусная плотина, имеющая помимо водосливных отверс-
тий еще и водоспускные (рис. 23.26), в связи с чем высота водо-
сливных затворов иногда может быть уменьшена; 4) каменно-зем-
ляная плотина водосливного типа. При проектировании Тишинской
каменно-земляной плотины авторы проекта недооценили роль об-
ратных фильтров, укладываемых между земляной и каменно-на-
бросной частями плотины, в связи с чем данная плотина разруши-
лась: глинистый грунт, образующий верховой клин плотины, был
вынесен через каменную наброску в нижний бьеф, при этом уро-
вень воды верхнего бьефа был спущен. После аварии плотина бы-
ла восстановлена в виде, показанном на рис. 23.27. Проект вос-
становления плотины предусматривал устройство вместо упомяну-
того обратного фильтра деревянного экрана.
Особое место занима-
ют небольшие плотины
(временного типа),- вы-
полняемые из подручного
материала-, а) хворостя-
ные и фашинно-хворостя-
ные (рис. 23.28), устраи-
ваемые для напоров по
2...3 м; б) стланевые (вы-
полняемые из свежесруб-
ленных деревьев вместе с
ветвями и листвой, рис.
23.29) высотой до 5,0 м;
в) габионные плотины
(рис. 23.30), устраивае-
мые из проволочных (сет-
чатых) ящиков, заполнен-
ных камнем, называемых
габионами; высота их до-
стигает 5 м и более. В по-
следнее время начали со-
216
Рис. 23.27. Водосливная каменно-земляная Тишинская плотина (размеры в м);
1 — песок; 2— бетон; 3 — устой; 4 — ряжи, покрытые настилом из досок; 5 — песок с валу-
нами; 6 — сухая кладка; 7 — деревянный экран; 8 — обратный фильтр; 9 — суглинок.
Рис. 23.28. Фашинно-хворостяная плотина (размеры в м):
/ — песчано-глинистый’грунт; 2 — дерн, камни, солома; 3 — пригрузка камней; 4— выстил-
ка хворостом; 5 — фашины.
2
/ 5 4
Рис. 23.29. Стланевая плотина:
/ — песчано-глинистый грунт; 2 —дерн, мох, солома; 3 — жерди; 4 — заполнение хворостом,
сучьями, дерном и землей; 5 — вершины деревьев.
Рис. 23.30. .Варианты габионной плотины:
/ — отсыпка грунта; 2 — габноны.
217
оружать плотины небольшой высоты из мягких синтетических обо-
лочек.
Особое место занимают также низкрнапорные плотины, созда-
ваемые при головных водозаборных шлюзах, в случае рек, влеку-
щих большое количество взвешенных и донных наносов (см. гл.
26).
§ 23.4. Специальные сооружения, создаваемые при плотинах
При водосливных плотинах, сооружаемых, например, на рав-
нинных реках (а также при глухих плотинах различного типа),
устраивают специальные гидротехнические сооружения: 1) гидро-
станции русловые, приплотинные, специального типа (совмещен-
ные, водосливные, встроенные, бычковые и т. п.); 2) судоходные
шлюзы или судоподъемники, а также лесосплавные лотки; 3) ры-
бопропускные сооружения (рыбоходы); 4) головные водозабор-
ные шлюзы деривационных гидростанций или гидромелиоративных
систем; 5) отстойные бассейны; 6) шугосбросы и т. п.
Специальные энергетические и воднотранспортные гидротехни-
ческие сооружения изучаются в курсах «Использование водной
энергии» и «Водные пути сообщения». В связи с этим далее (гл. 24
и 25) осветим кратко только вопрос об отстойниках и головных во-
дозаборных шлюзах гидромелиоративных систем (речных водоза-
боров), создаваемых непосредственно при плотинах.
Г л а в а 24. ОТСТОЙНЫЕ БАССЕЙНЫ
§ 24.1. Общие сведения о взвесенесущих потоках
При проектировании отстойников приходится рассматривать взвесенесущие
потоки, т. е. потоки, влекущие взвешенные наносы. Основные характеристики
взвесенесущих потоков: твердый весовой расход QT (кг/с) — вес твердой фазы,
проносимой в единицу времени через данное живое сечение:
Qt — (Qrc— Q)Pt, (24.1)
где Qrc — расход гидросмеси, т. е. объем ее, проходящий в единицу времени
через данное живое сечение, м3/с; Q — расход жидкой фазы (воды), м3/с; рт —
плотность материала, образующего твердую фазу (обращенную в монолит) без
пор, кг/м3.
Твердый объемный расход QT: (м3/с)
Qi = QT/PT. . (24.2)
Условный твердый весовой расход QT (м3/с)
q;= qt/ipt (!-«)],
где п — пористость отложившихся наносов; как видно, выражается через объем
отложившихся наносов.
Мутность а воды — масса взвешенных песчинок в единице объема гидро-
смеси (кг/м3 или г/см3)
а = (Qrc — Q) Рт/Qrc- (24.3)
218
Концентрация с твердой фазы (или относительная объемная-мутность во-
ды)— отношение объема твердой фазы (мысленно обращенной в монолит, ли-
шенный по_р) к объему гидросмеси, внутри которой находится данная твердая
фаза (безразмерное значение)
• c = a/pT=(Qrc— Q)/Qrc* (24,4)
Положим, что н»м задано цилиндрическое русло (определенного попереч-
ного сечения, с определенным уклоном и шероховатостью) и расход воды Q.
Будем считать, что в данном русле имеет место безнапорное, равномерное уста-
новившееся движение. Транспортирующей способностью Q ° (кг/с) такого без-
напорного потока называется твердый вес'овой расход, который получится, если
мы представим, что этот поток насытился твердыми частицами (песчинками) до
предела (за счет размыва русла или за счет поступающей в него твердой фазы
со стороны), причем степень насыщения потока стабилизировалась.
В случае однозернистых твердых частиц (песчинок) транспортирующая спо-
собность зависит как от параметров потока, так и от крупности песчинок, поэ-
тому ее следует связывать с крупностью перемещаемых однозерпистых песчи-
нок. В случае разнозернистых песчинок транспортирующая способность являет-
ся неопределенной: при наличии песчаного русла, поддающегося размыву, поток
может отбирать из числа имеющихся фракций песка (образующих русло) раз-
личные сочетания этих фракций и обргащаться имц, при этом получается и
различная транспортирующая способность. Впрочем, здесь существует точка
зрения, согласно которой поток должен отбирать вполне определенный грануло-
метрический состав наносов, в связи с чем он будет (при этом условии) иметь
определенную (единственно возможную) транспортирующую способность, отве-
чающую заданному гранулометрическому составу разнозернистого грунта, об-
разующего руслопотока.
Потоки, несущие количество песГинок, отвечающее его транспортирующей
способности, называют потоками, полностью насыщенными наносами (в отличие
от потоков ненасыщенных и перенасыщенных).
Местной предельной мутностью воды называется мутность воды, имеющая
место в той или другой точке полностью насыщенного потока.
Местной предельной концентрацией стр твердой фазы называется концент-
рация твердой фазы в той или другой точке полностью насыщенного потока.,
Выполняя различные расчеты, обычно оперируют средней скоростью V, в
связи с этим переменную по глубине h потока предельную концентрацию сТр
приходится заменять средней предельной концентрацией (средней по глубине Л)
сТр. Значение стр следует определять из условия, что удельный твердый весовой
расход qT, получающийся (для плоской задачи) при использовании v и стр,
<7 = Qr/b = стр Рт vh = aTpi>h, (24.5)
равнялся бы действительному удельному твердому расходу *
у=Л
<7t = Qt/6= f cTppTudy, (24.6)
у=0
где Ь — ширина рассматриваемого прямоугольного русла; и — местная продоль-
ная скорость; атр—средняя по глубине мутность, кг/м3.
Если твердый расход гидросмеси, движущейся в каком-либо участке русла,
оказывается меньше расхода QT, вычисленного в соответствии с формулой (24.5),
то следует считать, что данная гидросмесь недонасыщена наносами. Если имеем
обратное соотношение отмеченных расходов, то считают, что данная гидросмесь
перенасыщена, в связи с чем русло будет заилиться (за счет выпадения из
потока взвешенных частиц).
При решении подобного рода задач необходимо знать для заданного потока
аГр (или стр). В литературе приводится много различных эмпирических формул
для расчета атр. Большинство из них относится к равномерному_устаиовившему-
ся безнапорному потоку для условий, когда значение агр (или с1р) не слишком
219
большое. Эти эмпирические формулы имеют определенные границы применимо-
сти. Эмпирическая формула для песчаных русл
- Птр — ^взв f Мп°, (24.7)
где &взв — коэффициент, &ВЗв = 0,017...0,034; v — средняя скорость, м/с; w0 —
средняя гидравлическая крупность взвешенных частиц грунта, практически шв
назначают как средневзвешенную гидравлическую крупность тех песчинок, ко-
торые слагают дно русла, м/с; R — гидравлический радиус, м; пв — показатель
степени, гг0=3/4...4/з-
Существует более точная полуэмпирическая зависимость М. Я. Крупника
для осредненного значения атр (кг/м3):
0,076а3
атр = —
wBR
. ' wo
0,274- —
(24. Т}
где осредненное значение (и у)2 может быть определено по формуле С. Ф. Са-
вельева:
(<4)2 = (о,О78а/Л0'22)2.
(24.8)
В этих формулах гидравлический радиус R и глубина потока h выражаются в
м; v, w, а также вертикальная пульсационная скорость и‘у— в м/с.
Гидравлической крупностью данной песчинки называется скорость равно-
мерного ее падения в достаточно большом объеме покоящейся воды. Значение
ш0 определяют экспериментально. Практически считают, что относительная ско-
рость перемещения (падения) тяжелой твердой частицы по отношению к движу-
щейся воде, т. е. вертикальная проекция относительной (по отношению к воде)
скорости движения частиц, равна wB. В случае ламинарного движения воды
транспортирующая способность потока (в поясненном выше случае) всегда
равна нулю: твердые частицы, попавшие в такой поток на большей или мень-
шей его длине, должны выпасть из воды на дно. Сам ламинарный поток не мо-
жет обогащаться твердыми взвешенными’ частицами, поднимая их со дна русла.
В случае турбулентного движения воды в связи с наличием поперечных пульса-
ционных скоростей получаем иную картину. Здесь поток может поднимать со
дна’русла отдельные песчинки, образуя взвешенные наносы. Понятие транс-
портирующей способности потока относится только к турбулентному движению.
§ 24.2. Общие сведения об отстойниках
Для орошения земель или для работы деривационной гидро-
электростанции приходится забирать воду из реки с помощью от-
водящего канала (магистрального, деривационного).
В подобных случаях получают речной гидроузел (рис. 24.1), в
состав которого входит головной водозаборный шлюз (водоприем-
ник) 1 и плотина 2, часто небольшой высоты (являющаяся плоти-
ной водоподъемной).' Иногда плотина может и отсутствовать,
тогда имеют бесплотинный водозабор (см. гл. 25). В конце отводя-
щего канала <3 могут располагаться или орошаемые земли, или
деривационная гидростанция.
Вода в реке часто (особенно во времй паводка) может оказать-
ся в значительной мере насыщенной взвешенными наносами; рав-
ным образом могут иметь место и донные наносы, влекомые рекой.
Эти наносы из реки будут попадать в отводящий канал, что неже-
лательно по следующим причинам: Г) транспортирующая способ-
220
IJ-Z
Рис. 24.1. Схема речного
гидроузла:
1 — головной водозаборный
шлюз; 2 —плотина; 3 —
отводящий канал.
ность отводящего канала обычно оказыва-
ется меньше, чем транспортирующая спо-
собность реки, поэтому часть наносов, по-
ступающих в канал, -должна выпадать из
воды и заилять его, что будет обусловли-
вать необходимость периодической очистки
канала от отложившихся в нем наносов;
работы по очистке канала от наносов тре-
буют больших затрат; 2) при наличии в
конце канала гидростанции наносы, по-
падая в турбины, истирают их л'бпасти.
Учитывая отмеченные обстоятельства,
осуществляют борьбу с наносами, причем
эту борьбу ведут двумя путями: а) головной
водозаборный шлюз 1 (см. рис: 24.1) устраивают с таким расчетом,
чтобы в канал, не попадали крупные наносы, движущиеся в при-
донных слоях реки, в частности донные наносы (см. гл. 25);
б) сравнительно мелкие взвешенные наносы, попавшие в канал,
удаляют из воды с помощью ее отстоя "в отстойных бассейнах, на-
зываемых отстойниками.
Отстойники располагают или- в самом начиле канала, например
непосредственно за головным шлюзом, или вдали от головного
шлюза (иногда в самом конце канала). Располагая отстойник 3
вдали от головного шлюза 1 (рис. 24.2), участок аЬ отводящего
канала 2 делают незаиляющимся, придавая ему соответствующий
уклон, обеспечивающий надлежащую его транспортирующую спо-
собность. Что касается транспортирующей способности участка ка-
нала cd, то она должна быть увязана со степенью осветления во-
ды в отстойнике. Намечая степень Очистки воды от наносов в от-
стойнике и проектируя участки аЬ и cd канала, учитывают, что в
различное время года мутность воды в реке бывает различная,
иногда мутность в реке достигает 5... 10 кг/м3.
Вопрос о степени очистки воды от наносов в отстойнике реша-
ют различно для так называемых гидромелиоративных (ирригаци-
онных) отстойников и для отстойников гидростанций.
1. Ирригационные отстойники. Здесь степень очистки воды от
наносов назначают с таким расчетом, чтобы ирригационные кана-
лы по всей своей длине не заилились (или заилились незначитель-
Рис. 24.2. Схема расположения отстойника 3 на отводящем ка-
нале 2:
1 — головной водозаборный шлюз; 2 — канал; 3 — отстойник; 4 — река.
221
но); при этом требуют, чтобы количество наносов, оставшееся
после отстоя воды в отстойнике и попавшее в отводящий канал, не
превышало бы транспортирующую способность его. Переос.ветле-
ние воды в отстойнике является нежелательным, так как при пере-
осветлении воды в отстойнике в пижерасположенных каналах мо-
гут возникать размывы. Мелкие наносы, выносимые водой на поля
орошения, могут рассматриваться как удобрение или как улучша-
ющая почву добавка.
На основании данных практики ирригационные отстойники
должны очищать воду от наносов (песчинок) диаметром
d 0,10. ..0,01 мм или даже d 0,05...0,01 мм. (24.9)
Поэтому ирригационные отстойники получаются значительно
больших размеров, чем отстойники гидростанций.
2. Отстойники деривационных гидроэлектростанций. Наносы,
поступившие в турбину, могут истирать ее лопасти, в связи с чем
КПД турбины может‘снижаться. Степень повреждения лопастей
турбины наносами зависит от их крупности. Удаляя из воды с по-
мощью отстоя достаточно крупные наносы, -не допускают ощути-
мого снижения КПД турбин. Рассматривая этот вопрос, необходи-
мо учитывать, что размеры отстойника (а следовательно, и его
стоимость) существенно зависят от крупности фракций, задержи-
ваемых отстойником: с уменьшением этой крупности длина отстой-
ника увеличивается.
Задачу о сохранении КПД турбин (при наличии наносов) мож-
но решить, не прибегая к устройству отстойников, а изготовляя ло-
пасти турбин из особой дорогостоящей наносопрочной стали. Мож-
но также наметить и промежуточный вариант; устраивают отстой-
ник не слишком больших размеров (для удержания только наибо-
лее крупных наносов); вместе с тем лопасти турбин выполняют из
не слишком дорогой стали. Здесь получают чисто экономическую
задачу о выборе оптимальных размеров отстойника и оптималь-
ных параметров стали, служащей для изготовления лопастей тур-
бины.
До1 настоящего времени этот вопрос еще недостаточно изучен.
Обычно в современных условиях отстойники гидростанций проек-
тируют на удержание.наносов крупностью
d >0,25...0,50 мм; ' 4 (24.10)
однако некоторые авторы снижают предельный размер d и до
0,10 мм. 1
§ 24.3. Схема работы обычного отстойника
Отстойник представляет собой бассейн в виде уширенной и
углубленной части канала. В таком- бассейне скорости движения
воды (гидросмеси) уменьшаются, в связи с чем транспортирующая
способность потока в бассейне снижается и на дно его начинают
222 -
Рис. 24.3. Схема работы обычного отстойника: ' -
J — подводящий канал; 2 — твердая частица (песчинка); 3, 4 — другие твердые частицы в
начальном створе 1—7; 5 —траектория падения твердой частицы на дно бассейна; 6 — от-
стойный бассейн; 7 —отводящий (от отстойника) канал; 8 — промывная галерея (в случае
отстойника с периодическим промывом).
выпадать наносы, а поток получается осветленным. Попавшие на
дно бассейна наносы тем или другим способом удаляют.
Отстойный бассейн (рис. 24.3) имеет транспортирующую спо-
собность (Q?)otct потока, которая меньше транспортирующей спо-
собности подводящего канала 1
т;.. >.(<г?)от„. (24.10
отводящий канал 7 должен иметь транспортирующую способность
где (QT) отст — твердый расход, имеющий место в конце отстойни-
ка (для расчетного периода времени).
Если предположить, что в отстойнике имеется ламинарное дви-~
женив воды,' причем через -w0 обозначить гидравлическую круп-
ность некоторой твердой .частицы 2 (диаметром d), то эта части-
ца, падая на дно бассейна, будет описывать некоторую траекторию
5 (поскольку эта частица дополнительно переносится вдоль бас-
сейна потоком воды со скоростью и). «Длина выпадения» I (см.
рис. 24.3) для частиц различной крупности будет разной: она бу-
дет зависеть также от высотного положения данной частицы в на-
чальном створе 1—1 отстойника (см. высотные положения частиц
3, 4, ... на рисунке), а также от распределения скоростей по верти-
кали.
Вопрос об осаждении разнозернистых наносов в случае, когда
в отстойнике имеется турбулентное движение, характеризующееся
пульсацией скоростей, в значительной мере усложняется, в этом
случае понятием гидравлической крупности пользоваться нельзя.
§ 24.4. Классификация отстойников
Различают три основные классификации обычных отстойников.
В зависимости от наличия или отсутствия перерыва в работе
камер отстойника: а) отстойники периодического действия, когда
223
камеры отстойного бассейна приходится выключать из работы для
их очистки от отложившихся наносов; б) отстойники непрерывного
действия, когда удаление выпавших на дно бассейна наносов осу-
ществляется непрерывно, причем отдельные камеры отстойника не
выключаются из работы при удалении из них отложившихся на-
носов.
В зависимости от способа удаления отложившихся наносов:
а) отстойники с гидравлическим промывом отложившихся в них
наносов; б) отстойники с механической очисткой их от наносов.
В зависимости от числа камеры в отстойнике: а) однокамерные
отстойники; б) двухкамерные и многокамерные отстойники.
Часто отстойники периодического действия с гидравлическим
промывом .называют отстойниками с периодическим промывом; от-
стойники же непрерывного действия с гидравлическим промы-
вом— отстойниками с непрерывным промывом.
Приведем несколько схем отстойников с периодическим промы-
вом.
1. Однокамерный отстойник, соединенный с канал-ом последова-
тельно (рис. 24.4). В этом случае во время очистки отстойника
2 от наносов' канал 1 приходится выключать из работы. Промыв
отложившихся в отстойнике 2 наносов осуществляют через гале-
рею 4.
2. Однокамерный отстойник, соединенный с каналом параллель-
но (рис. 24.5). Во время промыва отложившихся в отстойнике на-
носов вода из подводящего канала 1 подается в отводящий канал
6 по специально устроенному обводному каналу 4 (в обход отстой-
ной камеры), причем во врейя промыва отстойника в канал 6 по-
_ дается неочищенная вода.
3. Двухкамерный отстойник (рис. 24.6). В этом случае одна ка-
мера выключается из работы для промыва наносов, другая рабо-
тает, очищая поток'от наносов.
4. Многокамерные отстойники. В четырехкамерном отстойнике
(рис. 24.7) ширина аванкамеры 2 отстойника должна уменьшаться
по течению, в противном случае в аванкамере будет происходить
отложение наносов, что недопустимо. Во время работы трех камер
(секций) одну камеру (четвертую) можно промывать. В период
промыва в отстойник подается расход
Qotct ~ Qpa6 "Ь QnpoM» . (24,13)
где QnpoM — промывной расход воды; Qpae — рас^д воды, поступа-
ющей в работающие секции отстойника.
Промыв отстойников стремятся осуществлять во время сниже-
ния потребления воды; при этом число камер отстойника может
быть уменьшено. Помимо описанных существуют и другие отстой-
ники, камеры которых расположены не параллельно, а последова-
тельно и .т. п. Тот или другой тип отстойника выбирают с учетом
режима реки и количества наносов в ней, а также с учетом эконо-
мических соображений.
224
Рис. 24.6. Двухкамерный отстойник с
периодическим промывом:
/ — подводящий канал; 2 — аванкамера; 3 —
затворы; 4 — первая камера; 5 —раздельная
стенка; 6 — вторая камера; 7 — отводящий
канал.
Рис. 24.4. Однокамерный отстойник с
периодическим промывом, соединен-
ный с каналом последовательно:
/ — подводящий канал; 2—отстойный бас-
сейн; з _ отводящий канал (от отстойни-
ка); 4 — промывная галерея (пульповод).
Рис. 24.5. Однокамерный отстойник с
периодическим промывом, соединен-
ный с каналом параллельно:
1 — подводящий канал; 2 — затворы; 3—
отстойный бассейн; 4 — обводный канал;
5 — промывная галерея; 6 — отводящий
канал;. 7 — река.
Рис. 24.7. Многокамерный (четырехка-
мерный) отстойник с периодическим про-
мывом (план):
/ — подводящий канал; 2— аванкамера; 3 —
затворы; 4 — камеры отстойника; 5 —отводя-
щий канал; 6 — промывная галерея.
§ 24.5. Устройство отстойника с периодическим промывом
и условия его работы
Отстойники с периодическим промывом бывают различной кон-
струкции. Двухкамерный отстойник обычной конструкции (рис.
24.8) состоит из трех основных частей: I— входной, II — собствен-
но отстойника, III — выходной части. Он имеет боковые береговые
стенки IV, продольную (раздельную) стенку V, расчленяющую
отстойный бассейн на две камеры, быки VI, располагаемые в пре-
делах только входной и выходной частей отстойника. Перечислен-
ные стенки и днище отстойной камеры могут быть выполнены из
бетона или железобетона. Просветы между стержнями решетки 3
для задержания плавающих тел делают иногда различной величи-
ны (по ширине потока); при этом получают возможность
выравнивать (в плане) эпюру скоростей воды, поступающей в от-
стойник. В некоторых случаях перед отстойником делают порог 7,
который задерживает донные наносы, промываемые по галерее 6.
Отстойник имеет прямой уклон дна (i>0). В этом случае про-
мыв отложившихся в отстойнике наносов осуществляется следую-
15 Р. Р. Чугаев 99с
Рис. 24.8. Конструктивная схема двухкамерного отстойника с периодическим
промывом:
1—1 — продольный разрез; 2—2 — поперечное сечение; / — входная часть; // —отстойная
камера; III — выходная часть; IV — боковые береговые стены; V — продольная (раздельная)
стенка; VI— промежуточные быки; Г и /" — пазы ремонтных затворов; 2' и 2" — пазы ра-
бочих затворов; 3 — решетка; 4 — затворы промывных отверстий; 5 —промывная галерея;
б —галерея для промыва дониых наносов; 7 — порог для удержания донных наносов; 8 —
рабочие затворы выходной части отстойника.
щим образом: 1) после того как на дне одной из камер отстойника
накопилось много наносов, причем в канал из отстойника начина-
ют уже проскакивать относительно крупные фракции, закрывают
выход из данной камеры затвором 2"; 2) затем с помощью затво-
ра 2 частично прикрывают входное отверстие в данную камеру;
открытие этого отверстия оставляют таким, чтобы через него мог
пройти только промывной расход Qnp; 3) наконец, полностью от-
крывают затвор 4.
После открытия затвора 4 уровень воды в промываемой каме-
ре снижается, и мы получаем картину, показанную на рис. 24.9.
Отложившийся на дне отстойной камеры грунт выносится в про-
мывную галерею 5 и по ней транспортируется в нижний бьеф пло-
тины (в реку). Промывная галерея в данном случае является без-
напорной; транспортирующая способность потока, получающаяся
в этой галерее, должна быть достаточно большой.
Разность уровней воды в подводящем' канале и в нижнем бье-
фе плотины, куда сбрасываются промытые наносы:
AZ = уУВБ — уУНБ ж tr I + Д/г, (24.14)
где WBB — отметка уровня воды в подводящем канале (в верх-
нем бьефе); WHB — отметка уровня воды в реке в том месте, где
сбрасываются в нее промытые наносы; ir — уклон дна ее; I — дли-
на промывной галереи; Д/г — снижение уровня воды в камере от-
стойника при ее промыве (см. рис. 24.9). Значение ДХ согласно при-
веденной выше зависимости получается достаточно большим.
226
Рис. 24.9. Промыв отстойника периодического действия:
а —глыбы обрушения; б —глыбы вымыза струи; 2, 4, 5 — обозначения по рис. 24.8; 9 —
река в нижнем бьефе плотины; 10 — отложившиеся ианосы; 11— глыбы обрушения; 12 —
глыбы вымыва.
Рис. 24.10. Схема отстойника с периодическим промывом (с обратным уклоном
дна):
1 — паз ремонтного затвора; 2' и 2" — пазы рабочих затворов; 3 — решетка; 4 — отстойная
камера; 5 — отводящий канал; 6 — галерея, соединенная с подводящим каналом //; 7 —
затвор этой галереи; 8 — отложившиеся наносы; 9 — затвор промывной галереи; 10 — про*
мывная галерея.
Рис. 24.11. План трехкамерного отстойника
периодического действия с прямым уклоном
дна:
I — промывная галерея; 2 — смесительный коло-
дец; 3 — затворы промывной галереи; 4— аван-
камера; 5 — направляющая стенка; 6 — шугосброс.
Рис. 24.12. К пояснению принципа
действия отстойника системы
И. Ф. Ярошеня:
1 — промывное отверстие; 2 — отстой-
ная камера; 3 — промывная галерея.
16*
227
Опыт эксплуатации отстойников показывает, что часто наносы
в начале отстойника выпадают более интенсивно; поэтому в нача-
ле отстойника получается более толстый слой отложившихся на-
носов. Чтобы добиться лучшего использования мертвого объема
отстойника, иногда проектируют отстойники с обратным уклоном
дна (i<0). В этом случае (рис. 24.10) промыв наносов, отложив-
шихся в отстойнике, можно осуществлять двумя способами: 1) об-
ратным током воды, закрыв входной затвор 2' и открыв выходной
затвор 2"; при таком способе на промыв наносов затрачивается
уже осветленная вода (прошедшая через соседние камеры отстой-
ника); это положение является недостатком рассматриваемого
способа; 2) или водой, не очищенной от наносов, выпускаемой (при
закрытых затворах 2' и 2") из специально устроенной галереи 6,
соединенной с подводящим каналом особыми водоводами, устроен-
ными в раздельных стенках отстойника; в этом случае конструк-
ция отстойника усложняется.
Отстойники с обратным уклоном дна оказываются достаточно
рациональными при наличии крупных наносов, движущихся в при-
донных слоях потока.
Для примера на рис. 24.11 показана безмасштабная схема пла-
на трехкамерного отстойника с прямым уклоном дна. Непосредст-
венно за отстойником устраивают иногда смесительный колодец 2;
он обеспечивает равномерную подачу воды в отводящий канал, ког-
да одна из камер отстойника отключена для промывки. Иногда
перед отстойником в пределах аванкамеры 4 делают особое уст-
ройство 6 для захвата и удаления шуги (шугосброс). Толщину
раздельных стенок отстойника, быков, боковых стен, днища уста-
навливают на основании статических расчетов.
Помимо обычных отстойников используют много других типов
отстойников с периодической промывкой. Принцип действия от-
стойника с периодической промывкой системы И. Ф. Ярошеня сле-
дующий (рис. 24.12). Отстойная камера 2 соединена с каналами
(подводящим и отводящим) соответствующими (входной и вы-
ходной) частями отстойника. Дно отстойной камеры в поперечном
ее сечении имеет ряд скатов, причем под ними устроены напорные
водоводы 3. Эти водоводы одним концом соединены с верхним
бьефом; другой же конец их примыкает к промывной галерее.
У подошвы скатов устроены отверстия (щели) 1, через которые
наносы, выпавшие на дно камеры 2, могут проваливаться в гале-
реи 3. Когда наносы, не провалившиеся в отверстие 1, начинают
заполнять углубления в дне камеры 2, открывают входной и вы-
ходной затворы какой-либо промывной галереи 3. При этом ока-
зывается, что напор в камере 2 больше, чем в водоводе 3, поэтому
вода будет через отверстия 1 поступать из камеры 2 в водовод 3
и смывать наносы, отложившиеся в соответствующем углублении
дна. После этого переходят к другому водоводу 3 и т. д.
228
§ 24.6. Устройство отстойника с непрерывным промывом
и условия его работы
В отличие от обычного отстойника с периодическим промывом
промывные галереи отстойника с непрерывным промывом являют-
ся напорными. Промыв наносов здесь осуществляется без сниже-
ния уровня воды в отстойной камере, т. е. при условии, когда A/i =
= 0, поэтому разность уровней воды в отстойнике и в нижнем
бьефе получается равной (см. рис. 24.9,6)
AZ = уУВБ —уУНБ^Ц, (24.15)
где I — длина напорной промывной галереи, соединяющей отстой-
ник с рекой; i — уклон пьезометрической линии для промывной
галереи (потери напора, приходящиеся на единицу ее длины).
Сопоставляя AZ для обычных отстойников с периодическим
промывом и для отстойников с непрерывным промывом, видим, что
AZ для последних получается меньшей (на АД). Имея это в виду,
отстойники с непрерывным промывом применяют вместо отстойни-
ков с периодическим промывом в том случае, когда разность
(Х7УВБ— WHB) невелика.
Существует много систем отстойников с непрерывным промы-
вом. Для примера рассмотрим два типа таких отстойников.
Отстойник системы Дюфура (рис. 24.13, а, б, в). Наносы, вы-
павшие на донную решетку 8 и провалившиеся через нее в донный
канал 7, сравнительно небольшим током воды непрерывно увлека-
ются в промывную галерею 5 (при условии, что затвор 6 открыт).
В периоды года (например, в межень), когда вода в реке, а сле-
довательно, и в канале транспортирует небольшое количество на-
носов, данный отстойник рационально обратить в отстойник с пе-
риодическим промывом. Такое обращение отстойника Дюфура в
отстойник с периодическим промывом осуществляется путем закры-
Рис. 24.13. Схема отстойника с непрерыв-
ным промывом (системы Дюфура):
1' и 1" — пазы входного и выходного затворов;
2 — входная решетка; 3 — отстойная камера; 4—
верхний затвор донного канала; 5 — промывная
галерея; 6 — инжний затвор донного канала 7;
в —донная решетка; 9 — река; /0 — плотина;
// — отстойник; /2 — подводящий канал; 13 — от-
водной канал; 14 — промывная галерея.
229
Рис. 24.14. Поперечное сечение
отстойника с непрерывным
промывом (системы Д. Я. Со-
колова) :
/ — отстойная камера: 2 —сброс-
ные лотки; а — промывная шахта.
тия соответствующих отверстий двумя
донными затворами 4 и 6; в этом слу-
чае затворы 4 и 6 открывают отвер-
стия только на период промыва нано-
сов, отложившихся в отстойнике (пере-
пад AZ может увеличиваться). Верх-
ний донный затвор 4 устраивают для
смыва наносов и сора, отложившихся
на решетке 8. Отстойники Дюфура
могут быть как однокамерными, так и
двух- и многокамерными.
Отстойник системы Д. Я. Соколова.
Принцип действия этого отстойника
ясен из рис. 24.14.
§ 24.7. Общие сведения о проектировании
и расчете отстойников
При проектировании отстойника приходится решать следующие
вопросы: а) устанавливать местоположение отстойника на канале;
б) выбирать тип отстойника; в) определять основные размеры от-
стойника; г) устанавливать промывные расходы; д) определять
время заиления, а также время промыва отстойной камеры (для
отстойника с периодическим промывом); е) проектировать про-
мывные галереи.
1. Выбор типа отстойника. В отношении выбора типа отстойни-
ка отметим следующее: а) к механической очистке отстойника сле-
дует обращаться только в том случае, когда гидравлическую про-
мывку камер отстойника осуществить невозможно (в связи с топо-
графическими условиями); б) отстойники с непрерывным
промывом обычно рекомендуют применять в случае относительно
крупных быстро оседающих наносов, а также в случае небольшой
разности отметок УВБ и УНБ; в) многокамерные отстойники за-
нимают относительно большие площади; для сооружения их тре-
буются значительные капитальные затраты, целесообразно стре-
миться к устройству неглубоких отстойных бассейнов; г) число
камер в ирригационном отстойнике часто назначают из условия,
чтобы на одну камеру приходился расход Q = 5...1O м3/с, хотя иног-
да этот расход назначают и большим. В энергетических отстойни-
ках такой расход воды (на одну камеру) значителен (для отстой-
ников Чирчикской ГЭС Q = 52 м3/с); д) с увеличением числа камер
отстойника промывной расход Qnp должен уменьшаться. В связи
с этим в тех случаях, когда не удается обеспечить достаточно боль-
шой расход Qnp (сверх рабочего расхода), число камер приходит-
ся увеличивать; е) тип отстойника, как и число его камер, уста-
навливают методом сравнения вариантов отстойника (с учетом ме-
стных топографических, гидрологических и других условий).
2. Общие замечания в отношении определения основных разме-
ров отстойника. Расчеты отстойников еще недостаточно разрабо-
230
Рис. 24.15. Схема падения твердой частицы А в отстойной камере:
/ — условная траектория падения частицы; 2 — промывная галерея; 3 —от-
латающиеся ианосы.
таны (особенно для случая ирригационных отстойников) и явля-
ются весьма приближенными. Существуют различные методы рас-
чета отстойников, и трудно сказать, какой из них более
рационален. Ограничимся далее пояснением расчетов, относящихся
к обычным отстойникам с периодическим промывом.
3. Определение длины отстойной камеры. Для определения дли-
ны 5 камеры (рис. 24.15) рассмотрим частицу (песчинку) А, рас-
положенную у самой поверхности воды в начальном сечении 1—1.
В качестве расчетной частицы А выберем самую мелкую из числа
тех частиц, которые нам надо удалить из потока воды, поступаю-
щей в отстойник.
Продольные местные скорости и будут различны для разных
точек живого сечения потока, намеченного по линии 1—1. В по-
рядке первого допущения эпюра скоростей для живого сечения по
линии 1—1 имеет прямоугольную форму, причем в каждой точке
рассматриваемого живого сечения скорость u = v, где v — средняя
скорость. Расчетная частица А будет перемещаться в горизонталь-
ном направлении со скоростью и; кроме того, эта частица будет
падать с некоторой скоростью w'. Если через обозначим глуби-
ну воды в начале отстойника (еще не заполненного наносами), то
легко видеть, что длина l=h\vlw'. В случае ламинарного потока
скорость w'=w0, где w0 — гидравлическая крупность данной час-
тицы. В случае турбулентного потока w' должна являться некото-
рой условной скоростью; иногда для упрощения расчета предлага-
ют w' считать равной (второе допущение)
w'= w0 — e,v, (24.16^
где коэффициент е принимают равным, например, 0,04 и т.п.
Используя такое допущение, для длины I получаем формулу
Z = /i1p/(ui0 — ец). (24.17)
Длину S камеры отстойника принимают больше I.
231
Учитывая приближенность поясненного способа расчета, реко-
мендуется длину отстойных камер назначать
S = (24.18)
где Wq—гидравлическая крупность для частиц заданного разме-
ра, при /=15°С и плотности материала частиц р=2,65 т/м3 при-
нимают:
Для фракций г/=0,50 мм
» » d=0,30 мм
» » d=0,20 мм
» » d=0,10 мм
и)0=5,24 см/с
шо=3,ОО см/с
tti0= 1,88 см/с
ttio=O,58 см/с
Что касается средней скорости v движения воды в отстойной
камере (еще не заполненной наносами), то часто такую скорость
принимают (при осаждении фракций крупностью d=0,25...0,50 мм)
v = 0,20...0,50 м/с. (24.19)
Строго говоря, основной размер отстойника S (рассмотренный
выше) следует устанавливать в соответствии с транспортирующей
способностью турбулентного потока.
4. Определение глубины и ширины отстойника. Глубина воды в начале от-
стойника
Л1 = Сраб/^> (24.20)
где Qpae — рабочий расход воды, подаваемый из отстойника в отводящий ка-
нал (задан); В — сумма ширин работающих отстойных камер; v — средняя ско-
рость в начальном сечении 1—1 отстойника (см. рис. 24.15).
Задаваясь различными В, получают значение Ар, чем больше В, тем меньше
будет получаться hi. Согласно соотношению (24.19) в некоторых пределах мо-
жем изменять и скорость движения воды в отстойнике. При заданном Аь прини-
мая большую скорость v, получают более длинные и более узкие отстойники.
Задаваясь различными сочетаниями v, В, hi, удовлетворяющими условию
vBhl = Qpa6t получают различные варианты отстойника. Эти варианты должны
сопоставляться в экономическом отношении.
Иногда дают следующие практические указания, связанные с выбором ht
и В: а) ширина одной камеры не должна быть более 35 % ее длины; б) глубина
мертвого объема Ам, заполняющегося наносами, должна составлять не менее
(0,4...1,0) Ав (см. рис. 24.15). Во всяком случае мертвый объем должен быть
настолько велик, чтобы в период пика наносов (в период паводка) он не мог
быть заполненным ранее чем за 11...12 ч; в) глубину Aj следует выбирать также
из условия, чтобы дно отстойника располагалось выше уровня воды нижнего
бьефа, был обеспечен смыв наносов со дна отстойника в нижний бьеф; г) ко-
эффициент откоса т переходного участка ab обычно принимают т—1,0...3,5.
5. Установление промывного расхода. Во время промыва отстойника одна
из его камер промывается (и через нее проходит расход Qnp); другие же ка-
меры пропускают эксплуатационный (рабочий) расход Qpa6. Канал, подводящий
воду к отстойнику, должен быть рассчитан на расход
Срасч — Qpa6 "Ь Qnp- (24.21)
Рабочий расход воды, проходящей через одну камеру,
4раб = Qpao/^ или <?раб = Qpa6l(N — 1), (24.22)
где N — число камер.
Если Qnp будет сильно отличаться от <7Рав, то получим в значительной мере
неравномерный подход воды к камерам отстойника. Во избежание этого задают
Qnp = (0,50... 1,25) <?раб. (24.23)
232
Рис. 24.16. Расчетный случай промыва наносов:
Г, I" — входной н выходной затворы; 2 — промывная галерея.
Задавая то или другое значение Qnp, следует проверить: а) сможет ли река
дать в нужный момент времени необходимый расход (сверх рабочего расхода
Qpao); б) можно ли за достаточно короткий срок промыть камеру отстойника
при принятом Qnp.
6. Определение уклона i дна камеры (прямого или обратного) и глубины
h2 в конце камеры. Уклон назначают из рассмотрения последнего момента про-
мыва камеры (рис. 24.16). Этому моменту отвечают условия, когда смываются
последние отложившиеся наносы' причем вода промывного расхода движется
непосредственно по дну отстойной камеры. Считая, что рассматриваемое дви-
жение воды является равномерным, можем написать, что
i = v2/(C2P), (24.24)
причем здесь коэффициент шероховатости (при исчислении коэффициента Шези
С) « = 0,016; гидравлический радиус R^hap, где hap — глубина рассматривае-
мого потока. Пользуясь для определения С формулой Маннинга, зависимость
(24.24) можно переписать в виде
(24.25)
Для обеспечения смыва наносов средняя скорость
ппр = 2,0...2,5...3,5 м/с;
hnp = Qnp/(^wnp)> (24.26)
где b — ширина одной отстойной камеры (промываемой).
Рис. 24.17. Продольный разрез по отстойной камере и промывной галерее:
/* —входной и выходной затворы; 2 — промывная галерея; 3 — река.
233
Часто рекомендуют прямой или обратный уклон дна отстойника
i= 0,020...0,005. (24.27)
Зная уклон I, определим глубину h2 в конце отстойной камеры (при ее ра-
боте)
h2 = h1 + iS. (24.28)
Разность уровней воды в начале и конце промывной галереи (рис. 24.17)
А == (?д + Апр)— УунБ> (24.29)
где V УНБ— отметка уровня воды в реке в том месте, куда сбрасывают наносы.
Значения hi и i должны быть выбраны такими, чтобы перепад обеспечивал
бы пропуск соответствующего расхода пульпы через промывную галерею.
Рис. 24.18. Отстойник Аджарис-Цхали ГЭС (СССР, Грузия, р. Аджарис-Цхали,
193L..1937 гг.; Нлл=5,0 м) (размеры в м):
1 — водосливная плотина; 2 — промывной шлюз у плотины; 3 — граница крепления; 4 -•
входной порог отстойника; 5 — камеры отстойника; 6 — гребень водослива; 7 — водосливной
порог отстойника; 8 — деривационный туннель диаметром 4 м; 9 — промывной канал; 10 —
крепление дна бетонными плитами.
234
Рис. 24.19. Отстойник ГЭС Дзорагет (СССР, Армения, 1928...
1934 гг.; ЯПл=8,5 м):
1 — р. Дзорагет; 2 — вальцовый затвор плотины; 3 — порог отстойника;
4 — отстойные камеры; 5 — напорная штольня; в —водобой плотины; 7 —
обходной туннель.
7. Время 10 заиления камеры отстойника (при i>0). По истечении /о данную
камеру надлежит выключить из работы и начать ее промыв. Обычно ставят ус-
ловия, чтобы
/„ > 11... 12 ч, (24.30)
т. е. чтобы промыв данной камеры производился не чаще чем 2 раза в сутки.
Имея размеры отстойника и вычислив /0, можно проверить соблюдение ука-
занного требования эксплуатации отстойника. Если условие (24.30) не выдер-
жано, приходится увеличивать размеры мертвого объема отстойных камер.
Время заиления t0 рекомендуется вычислять путем суммирования послойно-
го отложения наносов. Этот способ весьма приближенный (условный), связи
с чем не будем его пояснять. Иногда время заиления определяют путем деления
всего мертвого объема на максимально твердый расход, причем расчет ведут
только на заиление отстойника теми фракциями, которые подлежат осаждению.
8. Замечания о расчете промывной галереи (рис. 24.17). Зная длину гале-
реи 1г (которую устанавливают по плану местности), можно определить уклон
ее дна
tr = Д/1Г= (v" — уУНБ)/1г. (24.31)
Высота промывной галереи D, должна быть не менее 2,0...2,5 м (из условий
осмотра ее, прохода по ней). Необходимо учитывать, что в первый момент, ког-
да начинается промыв отстойника, уровень воды в камере еще не снизится, он
будет находиться в положении 1—1 (рис. 24.17). При этом в первое мгновение
входное отверстие 3—3 в галерею должно работать под напором И', причем в
промывную галерею должен поступать из отстойной камеры большой расход Q'.
Следует предусмотреть пропуск расхода Q' по галерее при безнапорном движе-
нии. Это обстоятельство также может заставить нас увеличить высоту промыв-
ной галереи. Задаваясь далее шириной промывной галереи, рассчитывают ее на
равномерное движение (зная Qnp). При этом определяют по зависимостям, от-
носящимся к равномерному безнапорному движению, глубину hr наполнения
235
Рис. 24.20. Отстойник Дюфура ГЭС Кордоун (размеры в м):
I — отстойная камера; 2— р. Эйзак; 3 — решетки; 4 — донная решетка; 5 — затворы; 6 —
промывная галерея.
галереи, а следовательно, и высотное положение ее дна аЬ. После этого находят
транспортирующую способность галереи
Q?=QnP*Tp, (24.32)
где аТр — определяют по формулам (24.7) н (24.7').
Транспортирующая способность должна обеспечивать промыв отложивших-
ся в отстойнике наносов за достаточно короткий срок.
9. Определение времени /пр промыва отстойной камеры. Промыв наносов,
отложившихся в данной камере, следует начинать, когда из отстойной камеры
в отводящий канал начнут проскакивать наносы недопустимой крупности (см.
выше). Объем наносов V, отложившихся в отстойнике к этому моменту време-
ни, собственно, и должен рассматриваться как мертвый объем отстойной камеры.
7-7
Рис. 24.21. Отстойник ГЭС Внклер:
1— река; 2 — грубая решетка; 3 — шандоры; 4 — покрытие; 5 — здание для решетки; 6 —
туннель; 7 — промывные отверстия; 8 — мелкая решетка; 9 — ледосброс; 10 — затвор плоти-
ны; 11 — затвор отстойника; 12 — порог; 13 — водозаборная камера; 14 — отстойный бас-
сейн.
236
Установив по тем или другим соображениям этот объем и зная транспортирую-
щую способность промывной галереи Q°T, определяем время /пр промыва дан-
ной отстойной камеры
'np=VPT/Q?, (24.33)
где рт — плотность отложившихся в отстойнике наносов, рт= 1300...1600 кг/м3.
Обычно ставят условие, чтобы время tar—15...20 мин и не более 30 мин.
При несоблюдении такого условия приходится изменять размеры промывной га-
лереи, изменяя при этом и ее транспортирующую способность.
Если время промыва отстойной камеры равно /пр, то время t выключения
этой камеры из работы оказывается несколько большим (/>/Пр), поскольку при-
ходится затрачивать дополнительное время на открытие и закрытие затворов,
а также на выпуск воды из камеры (для снижения уровня воды в ней). Иногда
2«2/пр.
Iff. Дополнительные замечания. При расчете отстойника приходится опре-
делять перепады уровней воды на входе в отстойник и на выходе из него. Эти
перепады определяют по формулам для подтопленного водослива. Дополнитель-
но приходится устанавливать потери напора на входных решетках (здесь иногда
пользуются известными формулами Киршмера). Расчеты отстойников носят
весьма приближенный характер, поэтому в ответственных случаях некоторые
размеры отстойников проверяют путем постановки соответствующих опытов в
лаборатории. Особенное внимание при проектировании и эксплуатации отстой-
ников обращают на то, чтобы скорости движения воды в отстойнике равномерно
распределялись по его ширине, а также по ширинам отдельных камер отстой-
ника. Для выравнивания в плане эпюры скоростей при входе в отстойник уст-
раивают особые решетки. Иногда для равномерного распределения расхода
между отдельными камерами в подходной части отстойника устанавливают
особые направляющие стенки (см. рис. 24.11). На рис. 24.18...24.21 показаны
примеры осуществленных отстойников.
Г л а в а 25. РЕЧНЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
§ 25.1. Общие сведения
В гл. И рассмотрены водохранилищные (закрытые) водозабо-
ры, т.е. водозаборы (водоспуски), работающие при условии, когда
колебания уровня воды в верхнем бьефе значительны. Остановим-
ся на рассмотрении открытых речных водозаборов (рис. 25.1), ко-
торые устраивают вблизи уреза воды в реке; эти водозаборы рабо-
тают в условиях сравнительно малых колебаний уровня воды в их
верхнем бьефе (в реке). При этом будем иметь в виду случай, ког-
да вода из водозабора
поступает в безнапорную
систему, например откры-
тый магистральный канал
оросительной системы.
Открытые речные водоза-
боры называют также
головными водозаборны-
ми шлюзами или водо-
приемниками. Часто при
таких водозаборах устра-
ивают невысокие водо-
подъемные плотины, об-
Рис. 25.1. Схема открытого водоприемника:
1 — берег; 2 — канал.
237
легчающие забор воды из реки, причем в этом случае получаем так
называемый плотинный водозабор; иногда же плотина может от-
сутствовать и тогда будем иметь бесплотинный водозабор.
Открытый речной водозабор должен удовлетворять следующим
требованиям: а) обеспечивать подачу воды в канал в соответствии
с имеющимся графиком потребления воды из канала; б) по воз-
можности не допускать в канал плавающих тел, а также наносов;
в) допускать перекрытие канала на время его ремонта; г) берег
реки в месте устройства водозабора должен быть устойчив, легко-
доступен и незатопляем.
В том случае, когда река влечет большое количество наносов,
плотинный или бесплотинный водозабор получается особенно слож-
ным. Борьба с наносами осуществляется путем придания головно-
му водозаборному шлюзу особых форм, устройства специальных
промывных галерей, а также плотины особого вида и часто соот-
ветствующего отстойника.
Для проектирования головного водозаборного шлюза необхо-
димо иметь следующие данные: а) топографические и геологичес-
кие; б) гидрологические (сведения о расходах воды и влекомых
наносах); в) эксплуатационные (график водопотребления).
Условимся рассматривать вопрос об открытых речных водоза-
борах на примере водозаборов, обслуживающих мелиоративные
(оросительные) системы и работающих при наличии обильных на-
носов в реке. При этом будем считать, что требуемые расходы в
реке в естественном ее состоянии всегда обеспечены. В случае не-
выполнения этого условия приходится обращаться к годичному или
многолетнему регулированию стока, при этом возникает необходи-
мость в сооружении водохранилища и водохранилищного водо-
забора.
§ 25.2. Виды водозаборов
Плотинный речной водозабор. Сооружают его, когда требуемые
уровни воды в реке в естественном ее состоянии не обеспечены.
В этом случае уровень воды в реке приходится поднимать путем
устройства водоподъемной плотины. Водоподъемную плотину уст-
раивают также с целью забирать воду из реки (в данном ее ство-
ре) с более высоких отметок, а следовательно, иметь возможность
трассировать магистральный канал оросительной системы по более
высоким отметкам местности. Иногда приходится устраивать два
водозабора на противоположных берегах реки. В этом случае на-
личие плотины позволяет легче распределять воду реки между
этими двумя водозаборами.
Бесплотинный речной водозабор. Его сооружают, если требуе-
мые уровни воды в реке обеспечены. Но при наличии больших ук-
лонов реки такой водозабор сооружают и в случае, когда требуе-
мые уровни воды в реке (в данном ее створе) не обеспечены. Подъ-
ем уровня воды в реке при этом водозаборе достигается с помощью
устройства шпоры 1 (рис. 25.2); причем получаем водозабор осо-
бого типа, называемый шпорным водозабором. Шпора 1 образует
238
Рис. 25.2. Шпорный водозабор:
/ — шпора; 2 — карман; 3 — головной шлюз;
канал; 5 — промывной шлюз; 6 — река.
карман 2, имеющий доста-
точную длину /; благодаря
сравнительно малым укло-
нам свободной поверхности
потока в кармане, уровень
воды в области А кармана
оказывается выше уровня
воды реки в области Б. Раз-
ность этих уровней
Д = G'p — QI,
где ip — уклон реки; tK —
уклон свободной поверхно-
сти воды в кармане; I—дли-
на шпоры.
Шлюз 5 служит для про-
мыва наносов, отложивших-
ся в кармане. При малых уклонах реки длина шпоры получается
большой и в этих случаях по экономическим соображениям от-
казываются от шпорного водозабора и устраивают обычно пло-
тинный водозабор. У построенных водозаборов длина шпор дости-
гает иногда и нескольких километров.
Дополнительно отметим следующее. Если орошаемые площади
расположены на относительно высоких отметках и воду на эти пло-
щади подать самотеком не представляется возможным, применя-
ют так называемый машинный речной водозабор. На рис. 25.3 по-
казана насосная станция 3, поднимающая воду из реки на соот-
ветствующую высоту и подающая ее в магистральный канал 6 по
напорному трубопроводу 5. В этом случае водозабор получает
особый вид. Иногда насосные станции устраивают плавучие.
Для орошения земель может использоваться также грунтовая
вода (при небольших площадях орошения). Здесь получают уже
не речной водозабор, а фильтрационный водозабор либо в виде
горизонтальной водосборной (дренажной) галереи, либо в виде
группы колодцев. В этом
случае вода на орошение
подается насосами, в ред-
ких случаях—самотеком.
Иногда сооружают
фильтрационные водоза-
боры речного типа. Такие
водозаборы строят на не-
больших реках, которые
в летнее время могут пе-
ресыхать; летом в них
остается только фильтра-
ционный поток воды, дви-
жущийся в аллювиаль-
ном слое, образую-
Рис. 25.3. Схема машинного речного водозабо-
ра:
/ — река; 2 — всасывающая труба; 3 — насосва*
станция; 4— иасос; 5 — напорная труба; 6 — магист-
ральный оросительный канал; 7—береговой коло-
дец; в — самотечная гелерея.
239
том дно реки. В этом случае имеющийся аллювиальный слой реки
преграждают (поперек реки) глубоким, например глинистым, зу-
бом, доходящим до водоупора. Как видно, здесь сооружают как
бы плотину, расположенную ниже дна реки. Перед такой донной
плотиной устраивают водосборную галерею, в которую поступает
фильтрующая в аллювии вода; эту воду и отводят потребителю.
§ 25.3. Классификация основных видов бесплотинных
и плотинных речных водозаборов
Речные водозаборы, устраиваемые как при отсутствии плотины,
так и при наличии ее, расчленяют на два основных типа (по
Н. Ф. Данелия): 1) водозаборы с боковым отводом воды, когда
Рис. 25.4. Схемы водо-
заборов с боковым (а)
и фронтальным (б) за-
бором воды:
/ — река; 2—канал; аЬ —
плоскость, в которой распо-
лагается водозаборное от-
верстие.
Рис. 25.5. Схемы речных бесплотинных водозаборов с боковым отводом во-
ды:
1 — канал; 2 — шлюз; 3 — сброс; 4 — отстойник; 5 — дамба; 6 — вспомогательный канал;
7 — порог.
240
///////////’////////////////////.''//УЛ
Рис. 2.5.6. Схемы речных бесплотинных фронтальных водозаборов:
/—подводящий канал; 2— канал; 5 — сброс; 4— река; 5 — шпора; 6 карман; 7 —
наносонаправляющне лопасти.
Рис. 25.7. Схемы плотинных боковых водозаборов:
/ — плотина; 2—промывные галереи; 3 — канал; 4 — головной водозаборный шлюз; 5 —
промывной шлюз; 6 — полок; 7 — наносоперехватывающие галереи; 8 — водослив; 9 —сброс;
10 — Г-образйый порог; 11— гравиеловка; 12— промывннк. '
Рис. 25.8. Схемы плотинных
фронтальных водозаборов:
/ — канал; 2 — головной водоза-
борный шлюз; 3 — карман; 4 —
плотина; 5 —промывной шлюз;
6 — промывные галереи.
16 Р. Р. Чугаев
241
Рис. 25.9. Схемы донных решетчатых водозаборов:
1 — канал; 2 — грубая решетка; 3 — наносоперехватывающий коллектор; 4 — дойная решет-
ка; 5 — промывник; 6 — отстойник; 7 ~ водослив.
входное отверстие водозабора располагается в плоскости аЬ, при-
мерно параллельно течению реки (рис. 2.5.4, а); 2) водозаборы с
фронтальным забором воды, когда входное отверстие водозабора
располагается в плоскости аЬ, нормальной к течению реки (рис.
25,4,6).
Некоторые схемы (в плане) бесплотинного водозабора показа-
ны на рис. 25.5 (случай бокового отвода воды) и 25.6 (случай
фронтального забора воды). Схейы (в плане) плотинного водоза-
бора показаны на рис. 25.7 (случай бокового отвода воды) и 25.8
(случай фронтального отвода воды). Существует еще особый тип
водозабора, называемый донным решетчатым водозабором (рис.
25.9). Этот водозабор можно рассматривать как третий вид пло-
тинного Водозабора. В случае донного решетчатого водозабора во-
да поступает в соответствующие отводящие галереи через особые
решетки, устраиваемые, например, на гребне плотины или на.ли-
цевых гранях быков (в нижней их части).
А. БЕСПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
§ 25.4. Бесплотинный водозабор с боковым
отводом воды
1. Характер движения воды на повороте русла. Выбор местопо-
ложения бесплотинного головного водозаборного шлюза при его
проектировании. В связи с неравномерностью распределения про-
дольных осредНенных скоростей в подходном (к повороту русла)
живом сечении потока в пределах поворота потока возникает вин-
тообразное движение' воды, обусловленное соответствующими си-
лами инерции воды. В случае напорного движения на повороте об-
разуется «парный водоворот», в случае же безнапорного движе-
ния— «одиночный водоворот» в плоскости живых сечений
(намеченных в пределах поворота). Такое вторичное течение, сла-
гаясь с поступательным движением, воды, и образует отмеченное
выше винтообразное движение на повороте (рис. 25.10). При этом
242 •
1-1
Рис. 25.10. Схемы винтообразного дви-
жения воды на повороте безнапорного
потока:
/ — поверхностные и 2 —донные струи.
Рис. 25.11. Разделение (бифуркация)
потока при боковом водозаборе:
/ — река; 2— канал; а — угол отвода;
СВ — поверхность раздела.
свободная поверхность воды в сечении 1—1 несколько искривля-
ется: отметка воды в точке В, намеченной у вогнутого берега, ока-
зывается несколько выше отметки воды в точке С.
Благодаря описанному движению воды на повороте реки при-
донные объемы воды вместе с донными наносами перемещаются от
вогнутого берега В к выпуклому берегу С. Поверхностные же от-
носительно чистые объемы воды (иногда содержащие шугу и лед)
перемещаются от выпуклого берега С к вогнутому берегу В. В ре-
зультате получают следующее: а) вогнутый берег В может размы-
ваться (но не заилиться); этот берег оказывается более крутым и
глубины воды у него бывают относительно большие; б) выпуклый
берег С может заилиться (но не размываться); этот берег оказы-
вается более пологим, причем глубины у него относительно малые.
Учитывая описанный характер движения воды на повороте ре-
ки, легко видеть, что водозабор всегда желательно располагать в
пределах вогнутого берега реки, поскольку в этом случае: а) мож-
но не опасаться заиления водозабора; б) от размыва берег можно
защитить соответствующим креплением; в) достаточно большие
глубины у берега могут позволить устроить у водозабора порог
надлежащей высоты, защищающий водозабор от попадания в него
донных наносов. Располагая водозабор на повороте, стараются
разместить его не выше (по течению) середины криволинейного
участка, где описанная ранее циркуляция воды получила уже пол-
ное развитие. Выбирая место для водозабора, необходимо такж$
обращать внимание на устойчивость откосов берега, на его доступ-
ность и незатопляемость. При отсутствии приемлемых поворотов
реки водозабор приходится располагать на прямолинейном участ-
ке реки (но не на выпуклом берегу).
2. Плановое расположение водозабора. Угол отвода. При выбо-
ре местоположения головного шлюза анализируют гидравлический
16* . 243
режим реки в естественном состоянии и в состоянии после устрой-
ства шлюза. При этом в ответственных случаях приходится обра-
щаться к проведению лабораторных опытов. Если режим в естест-
венном состоянии благоприятен, то его стремятся сохранить при
устройстве шлюза; в противном случае прибегают к созданию спе-
циальных регуляционных устройств в русле реки.
При заборе воды поток разбивается на две части (рис. 25.11):
одна часть потока направляется в шлюз, другая, резко расширяю-
щаяся часть потока, остается в русле реки. Отметка уровня воды
в точке В может оказаться больше, чем в точке А. При такой би-
фуркации потока получают некоторую поверхность раздела СВ',
на таком участке потока могут возникнуть водоворотные зоны.
Иногда полагают, что с помощью бокового бесплотинного водоза-
бора практически можно отвести от реки не более 30 % расхода ре-
ки. При большей потребности в воде идут на .устройство, например,
двух водозаборов, расположенных на реке последовательно.
Угол а называется углом отвода. Выбирая этот угол, стремятся
получить возможно более плавное сопряжение канала с рекой, так
как в противном случае в реке при наличии достаточно больших
скоростей могут возникать большие водовороты, взмучивающие
воду. Кроме того, в этом случае должно получиться'большое боко-
вое сжатие потока, поступающего в шлюз, что уменьшает расход
забираемой воды; поступление воды в отдельные отверстия шлю-
за получается неравномерным.
Часто для бесплотинных боковых водозаборов угол назначают
35...75°. Угол а=90° можно принимать в случае, когда головной
шлюз должен забирать относительно малые расходы. Принимать
угол а<35° нежелательно, так как при малом угле значительно
усложняется конструкция шлюза.
3. Проектирование конструкции головного шлюза. Головной
шлюз представляет собой ту же плотину с низким порогом или во-
все без порога, т. е. флютбет. Для регулирования расходов воды,
поступающей из реки в канал, в шлюзе устраивают рабочие за-
творы; кроме того, в общем случае предусматривают также ре-
монтно-аварийные затворы. Перед затворами иногда устанавлива-
ют решетку (для удержания плавающих тел). В случае работы
шлюза в зимних условиях предусматривают особые конструкции
(запони, шугосбросы), препятствующие доступу, в канал шуги и
льда.
Перед шлюзом устраивают так называемую подходную выем-
ку в грунте, соединяющую шлюз с рекой. Эта выемка должна обе-
спечивать плавный подход воды к отверстиям шлюза; в плане она
часто оказывается несимметричной (рис. 25.12) —верховому от-
косу ее придают в плане более пологое очертание. Подошву под-
ходной выемки делают или горизонтальной, или с небольшим ук-
лоном, направленным к реке. Иногда считают, что входные скоро-
сти в шлюз должны быть не более 1,5 м/с, так как при
больших скоростях в шлюз будут увлекаться крупные наносы.
Входные скорости менее 0,8 м/с нежелательны, так как при таких
244
Рис. 25.12. Подходная” выемка 2:
1 — река; 2 — выемка; 3 — головной
шлюз.
Рис. 25.13. Входной порог (высотой с)
головного водозаборного шлюза:
1 — затвор промывной галереи; 2 — пазы для
рабочих и ремонтных затворов; 3 — галерея.
скоростях водозаборный фронт шлюза может получиться излиш-
не большим.
Чтобы воспрепятствовать попаданию в канал донных наносов,
перед шлюзом делают порог (рис. 25.13). Высота порога зависит
от крупности и количества наносов. Рекомендуют высоту порога
перед шлюзом делать: а) в случае песчаных наносов — 1,5...2,0 м;
б)'в.случае гравелисто-галечных—1,0...1,5 м. Как видно, чем на-
носы мельче, тем высота порога должна быть больше. Для промы-
ва наносов, отложившихся перед порогом, устраивают специальные
промывные галереи 3. В некоторых случаях вместо порога в от-
верстиях шлюза устанавливают шандорную стенку соответствую-
щей высоты.
При проектировании шлюза приходится решать вопрос о ши-
рине его водосливного фронта и о разбивке этого фронта на от-
дельные отверстия. Обычно рекомендуют устраивать в шлюзе не
менее трех отдельных отверстий: в случае одного отверстия (од-
ного пролета) при ремонте затворов шлюз, а следовательно, и ка-
нал должны вовсе выключаться из работы; в случае двух отвер-
стий при ремонте одного затвора получается неравномерная (одно-
сторонняя) подача воды в канал (через второе отверстие). Число
отверстий в шлюзе должно устанавливаться на основании техни-
ко-экономического сопоставления соответствующих вариантов.
Общую ширину шлюза назначают обычно равной ширине кана-'
ла по дну или немного больше, при этом упрощается сопряжение
канала со шлюзом. В отдельных случаях, когда напор на шлюзе
достаточно большой, ширина шлюза может оказаться меньше, чем
ширина канала по дну (рис. 25.14). При такой конструкции шлю-
за, с тем чтобы добиться расширения потока на сравнительно не-
большой его длине, устраивают специальные раздельные стенки 3.
Работают не все отверстия, в канал из шлюза может поступать
вода в виде отдельных сосредоточенных струй. Чтобы смешивать
эти струи и выпускать воду в канал равномерно по его ширине,
поперек водобоя устраивают смесительный колодец 4.
Конструктивное оформление головного шлюза может быть са-
• мым различным.
Головиной шлюз с забралом (без входного порога). Железобе-
245
J 4
Рис. 25.14. Схема головного шлюза*
(при ширине его меньше ширины ка-
нала):
1 — река; 2 — головной шлюз; ' 3 — раз-
Дельная стенка; 4 — смесительный коло-
дец; 5 — канал.
Рис. 25.15. Головной шлюз с забра-
лом:
1 — подходная выемка; 2, 6 — пазы для ре-
монтных затворов; 3 — забрало; 4 — мост;
5— сегментный затвор; 7 —канал; 8 — флют-
-бет.
Рис. 25.16. Схема плановой компонов-
ки головного шлюза:
/ — подходная ваемка; 2 —река; 3 — ус-
той; 4 — затворы; 5 — быки; 6 — канал.
Рис. 25.17. Схема плановой компоновки
головного шлюза:
1 — река; 2 — устой; 3 — быкн; 4 — канал.
Рис. 25.18. Схема плановой компо-
новки головного шлюза:
/ — река; 2 — входной порог; 3 — устой;
4—-затворы; 5 —быки; 6 — канал.
Рис. 25.19. Расположение головного
шлюза 5 вдали от уреза воды:
/ — река; 2, 3, 4 — прокопы; 6 — канал; 7 —
промывная галерея. -
246
тонное забрало (рис. 25.15) устраивают с целью уменьшения высо-.
ты затворов. Наличие забрала несколько облегчает сооружение
моста. Толщину забрала в первом приближении назначают 6 =
= (1/5...1/10)/? и до (1/15)/?, где /?—-пролет, перекрываемый за-
бралом (ширина отверстия). Отметку низа забрала намечают с
расчетом, чтобы при полностью открытом отверстии шлюз работал
как водослив с широким порогом. Верх стен шлюза располагают
на 0,5...1,0 м над самым высоким уровнем воды в реке.
При наличии шлюза такой конструкции при открытии затвора
получают истечение из-под датвора. При этом вода в канал по-
ступает из придонных слоев реки, обогащенных наносами. Имея
шлюз без забрала (а в некоторых случаях и с забралом), в вер-
ховых пазах ремонтных затворов шлюза устанавливают невысокую
шандорную стенку; в этом случае вода в канал поступает, перели-
ваясь через эту стенку, и содержит относительно мало наносов,
так как забирают ее их поверхностных слоев реки.
Компоновка шлюза. На рис. 25.16...25.18 показаны три схемы
шлюза в плане (при различных углах отвода'а). Иногда при боль-
шой ширине шлюза его входной порог в плане намёчают криволи-
нейным. Проектируя формы шлюза в плане, обращают внимание
на возможность возникновения водоворотных областей (что неже-
лательно); стремятся к тому, чтобы при подходе к шлюзу не от-
лагались наносы, а также чтобы во все отверстия поступали оди-
наковые расходы. В ответственных случаях компоновку шлюза в
плане, так же как и форму подходной выемки, проверяют на мо-
делях шлюза в лаборатории.
Дополнительное замечание. При неблагоприятных топографиче-
ских и геологических условиях шлюз 5 (рис. 25.19) иногда прихо-
дится располагать не вблизи уреза, а вдали от реки. В этом случае
шлюз соединяют с рекой прокопами 2, 3, 4, причем иногда проко-
пы делают большого поперечного сечения, чтобы они могли выпол-
нять роль как бы отстойников.
Имеется несколько схем водозаборов с боковым отводом воды:
1) на схеме рис. 25.5, а, г показан нешлюзованный водозабор;
2) на схеме рис. 25.5, ж изображен головной шлюз 3, поступление
воды в который улучшено путем устройства специальной направ-
ляющей дамбы 4; 3) на схеме рис. 25.5, и показан забор воды в
канале с помощью устройства трех подходных каналов, в начале
каждого из которых устроено особое наносонаправляющее соору-
жение; 4) на схеме рис. 25.5, к изображен водозабор, работа кото-
рого улучшена путем устройства специального вспомогательного
канала 6; 5) на рис. 25.5, б, в, д, е, з показаны некоторые дополни-
тельные возможные схемы водозаборов.
4. Замечание о гидравлическом расчете головного бесплотинно-
го водозаборного шлюза. При выполнении гидравлического расче-
та шлюза строят прежде всего две следующие кривые: а) кривую,
выражающую зависимость отметки VK уровня воды, в канале не-
посредственно за шлюзом от времени VK=fi(/); эту кривую 1
(рис. 25.20) легко получить, рассчитав магистральный канал на
247
Рис. 25.20. К гидравлическому
расчету головного бесплотинного
водозаборного шлюза:.
{—кривая изменения во времени уров-
ней воды в канале
зом); 2 — то же, в
ным шлюзом).
(за головным шлю-
реке (перед голов-
момент
сматриваемыи
равномерное движение воды с уче-
том графика водопотребления (т. е.
с учетом того, как во времени дол-
жны изменяться в канале расходы
QK воды, направляемой потребите-
лю); б) кривую 2, выражающую
зависимость отметок уровня воды в
реке перед шлюзом для расчетного
года от времени Vp=/2(0; При по-
строении этой кривой пользуются
имеющейся для рассматриваемого
створа реки кривой связи V=f (QP);
при этом в качестве расхода Qp
принимают Qp = QP—Qkt где Qp—
расход воды в реке в естественном
ее состоянии в данный момент вре-
мени. Здесь мы полагаем, что уро-
вень воды в реке отвечает (в рас-
i) не створу реки перед шлюзом, а
створу реки, намеченному несколько ниже (по течению) входного
отверстия шлюза (где имеется расход Qp).
Разность ординат двух построенных на рис. 25.20 кривых
1 и 2 будет давать нам перепад Z на шлюзе в некоторые моменты
времени. Эти перепады будут различны для различных моментов
времени. Расход QK воды, поступающей в канал .при этих перепа-
дах Z, также должен изменяться во времени (согласно графику
водопотребления).
Рассматривая отдельные моменты времени i, характеризую-
щиеся определенным сочетанием Z и QK, и намечая среди этих со-
четаний наиболее тяжелые для работы шлюза (когда Z сравни-
тельно мал, a QK — сравнительно велик), определяют по соответст-
вующей водосливной формуле ширины b водосливного фронта
шлюза, отвечающие указанным тяжелым сочетаниям Z и QK.
Среди найденных значений b остановимся на наибольшем. При
сочетании Z и QK, отвечающих этому Ь, затворы шлюза должны
быть полностью открыты. При остальных сочетаниях Z й QK от-
верстия шлюза принятой ширины должны прикрываться затво-
рами.
5. Наносонаправляющие (или струенаправляющие) лопасти си-
стемы М. В. Потапова. Это весьма простое устройство, которое лег-
ко позволяет создать перед водозаборным отверстием головного
шлюза весьма выгодную картину движения воды в реке, при кото-
ром в боковое водозаборное отверстие шлюза, устроенного на пря-
молинейном участке реки, поступает вода из поверхностных слоев
реки (т. е. вода относительно чистая). Это устройство (рис.
25.21) представляет собой раму АВ, удерживаемую на плаву тро-
сами в определенном положении. Рама плавает в реке на понто-
нах 1 в виде стальных сегментов. Размеры рамы и параметры, оп-
ределяющие ее расположение по отношению к водозаборному от-
248
Рис. 25.21. Наносопере-
хватывающие (или
струенаправляющие) ло-
пасти системы М. В. По-
тапова:
АВ — плавающая рама на
понтонах (лопастях) '/;
CD — входное отверстие го-
ловного шлюза шириной Ь;
/ — понтоны; 2 — тросы; 3 —
лебедки; 4 — поверхностные
линии тока; 5 — донные ли-
нии тока.
верстию шлюза CD, следующие: (1,2..,1,4)Ь, где b — ширина
водозаборного отверстия; Ф = 45...60°; р=18...20°; а=18..25°; с=
— (0,3...0,4) h, где /г —глубина погружения понтонов 1 в воду.
С помощью понтонов, выполняющих одновременно' роль направ-
ляющих лопастей, искусственно на прямолинейном участке реки
создаем винтообразное движение: поверхностные струи (см. сплош-
ные линии на рис. 25.21) оказываются направленными в отверстие
шлюза; донные же струи, обогащенные относительно крупными на-
носами (см. пунктирные линии на рис. 25.21), оказываются направ-
ленными от шлюза.
Практика показала, что система струенаправляющих лопастей
М. В. Потапова дает значительный эффект: объем наносов, отла-
гающихся в канале при применении этой системы, уменьшается
иногда в 2...3 раза'.
§ 25.5. Бесплотинный фронтальный водозабор
Схемы. бесплотинных фронтальных водозаборов (согласно
Н. Ф. Данелия) показаны на рис. 25.6. В случае бесплотинного во-
дозабора фронтальный забор воды из реки в большинстве случаев
осуществляется путем устройства шпоры (того или другого вида),_
о которой мы говорили в § 25.2. Таким образом, шпора позволяет
не только поднять уровень воды при входе в канал, но также и
осуществить более выгодный (р гидравлической Точки зрения)
фронтальный забор воды.
Что касается кармана, который обычно образуется шпорой, то
этот карман (см. рис. 25.2) характеризуется сравнительно малыми
скоростями и потому в нем, так же как и в отстойнике, отлагается
часть наносов. Имея это в виду, в шпоре обычно делают промыв-
ные шлюзы. Иногда же в кармане располагают наносонаправля-
ющие устройства. В остальном фронтальный водозабор проектиру-
ют с учетом тех ука.заний, которые были приведены в § 25.4.
Б. ПЛОТИННЫЙ ВОДОЗАБОР
§ 25.6. Выбор створа плотины
В случае речного плотинного водозабора имеем плотину во-
доподъемного типа. Место-расположения плотины' должно выби-
раться с учетом топографических и геологических условий. До-
249
Рис. 25.22. К выбору местоположения
створа плотины:
/-^холостая часть магистрального ороси-
тельного канала 2; 3 —варианты расположе-
ния водозабора; 4—берег реки; 5—река в
плане; 6— варианты расположения оси пло-
тины.
полнительно необходимо учи-
тывать еще и следующие сооб-
ражения. Рассматриваемый во-
дозабор можно расположить в
различных створах реки (см.
рис. 25.22, на котором показано
четыре возможных варианта
расположения водозабора <3).
Сопоставляя, намеченные
варианты расположения водо-
забора, видим следующее:
а) располагая водозабор в
створе 1, получают длинную
холостую часть 1 магистраль-
ного оросительного канала;
однако в этом случае уровень
воды в реке оказывается на от-
носительно больших отметках (7УВ) и поэтому можно обойтись'
без устройства плотины (можно сооружать бесплотинный водоза-
бор); б) при расположении водозабора в створе 2, где уровни воды
в реке оказываются па более низких отметках, чём в створе 1, мо-
жет возникнуть необходимость поднять уровень воды в створе 2
(с помощью плотины) на некоторую сравнительно небольшую вы-
соту, чтобы подать воду в холостую часть магистрального канала;
в этом случае холостая часть магистрального канала получается
более короткой (следовательно, более дешевой), но вместе с тем
появляется необходимость в сооружении плотины; в) переходя к
створу <3, должны предусматривать устройство в этом створе водо-
подъемной плотины относительно большой высоты (а следователь-
но, и большой стоимости); вместе с тем сооружение холостой части
магистрального канала в данном случае удешевляется (в связи с
сокращением его длины); г) при наличии водозабора в створе 4
уровень воды в реке может оказаться расположенным столь низко
(на отметке VyB4^WBi), что воду от этого створа на поля оро-
шения нельзя подавать самотеком; в этом случае приходится пере-
ходить к машинному водозабору; длина магистрального канала мо-
жет быть значительно сокращена.
Имея в виду все сказанное, окончательно принимаемый створ
плотины устанавливаю^ на основании технико-экономического со-
поставления описанных выше вариантов.
§ 25.7. Схемы плотпнных фронтальных водозаборов
1. Водозабор с отстойным карманом индийского типй. Этот во-
дозабор имеет карман 4 (рио. 25.23), образованный бетонной стен-
кой 2. Карман- выполняет до некоторой степени роль отстойника.
Наносы, отложившиеся в нем, периодически промываются через
промывной шлюз 7. Головной водозаборный шлюз 5 имеет входной
порог ab (высотой с), защищающий магистральный канал 6 от
250
Рис. 25.23. Водозабор с
отстойным карманом
(индийский водозабор):-
1 — плотина; 2 — бетонная
стенка; 3 — река; 4 — кар-
ман; 5 — головной водоза-
борный шлюз; 6 — канал;
7 — промывной шлюз; 8 —
крепление дна нижнего
бьефа.
Рис. 25.24. Водозабор
Ферганского типа:
/ — река; 2 — криволиней-
ная дамба; 3 — струенаправ-
ляющая дамба; 4 — плоти-
на; 5 — выносной полок; 6 —
криволинейный порог шлю-
за; 7 — головной шлюз; 8 —
канал; 9 — берег.
попадания в него донных наносов. Такой водозабор имеет недо-
статок: во время промыва наносов, отложившихся в кармане, вода
в нем взмучивается, причем в этот перйод времени в канал начина-
ет поступать относительно большое количество наносов. Имея это
в виду, иногда в кармане устанавливают наносонаправляющие
лопасти М. В. Потапова. В нижнем бьефе промывного шлюза 7
устраивают соответствующее крепление 8.<
2. Водозабор Ферганского типа (рис. 25.24). Его устраивают на
повороте реки, причем естественную поперечную циркуляцию реки
здесь усиливают приданием криволинейной формы входному поро-
гу 6 головного шлюза. Дополнительно у этого порога делают вы-
носной полок 5. За счет сооружения соответствующей криволиней-
ной в плане струенаправляющей дамбы 2 боковой отвод воды осу-
' • '251
Рис. 25.25. Схема водозабора с прямо-
точными промывниками (водозабор
Эльсдена):
1 — река; 2 — плотина; 3 — направляющие
стенки; 4 — канал; 5 — промывные галереи;
5 — крепление дна ннжнего бьефа; аЬ — вер-
тикальный порог высотой —V|.
ществляют через плотину 4 в
реку; забор же воды в канале
получается фронтальным.
3. Водозабор с прямоточны-
ными промывниками (водоза-
бор Эльсдена). Бетонные на-
правляющие стенки 3 (рис.
25.25) в начале водозабора
(в пределах русла реки) пря-
молинейны в плане, затем они
по дугам окружностей повора-
чиваются в сторону магист-
рального канала 4, йаправляя
в него воду. По линии аЬ уст-
роен порог • высотой c = V2—
—Vi, где.5?] — отметка дна
реки; V2 — отметка дна отво-
дящего канала.
. В пороге аЬ устраивают
входные отверстия донных про-
мывных галерей 5 (прямолщ
нейных в плане), за которыми
сооружают крепление 6 дна
нижнего бьефа. Через промыв-
ные отверстия осуществляют промыв наносов, отложившихся пе-
ред порогом аЬ. По линии АВ располагают затворы, перекрываю-
щие промывные отверстия; по линии CD — затворы, перекрываю-
щие вход в канал 4. 'Дополнительно устанавливают еще затворы
по линии MN.
§ 25.8. Схемы плотинных водозаборов с боковым отводом воды
На рис. 25.7 показаны различные схемы водозаборов с боковым
отводом воды. Ниже ограничимся более подробным пояснением
только двух схем такого рода водозаборов.
1. Водозабор системы А. В. Троицкого (водозабор Среднеази-
атского типа). Отличительной особенностью этого водозабора явля-
ется устройство на уровне порога головного’ шлюза 2 (рис. 25.26)
горизонтальной железобетонной плиты S; эта плита (полок) в пла-
не имеет очертание (в области верхнего бьефа), показанное лини-
ей abed-, в нижнем бьефе она ограничена линией тп. При наличии
такой плиты крупные наносы отлагаются перед и под ней; мелкие
же наносы — на ней. Открывая затворы 6, можно промывать в ниж-
ний бьеф относительно крупные наносы, не взмучивая воду непо-
средственно перед головным шлюзом; такому взмучиванию препят-
ствует полок 8. Мелкие наносы, отложившиеся на полоке 8, смы-
ваются с него при открытии затвора 5.
2. Боковой водозабор с отстойником и промывными галереями
(рис. 25.27). Этот водозабор может быть устроен на прямолиней-
ном участке русла. Русло реки на значительной её части преграж-
252
Рис. 25.26. Схема водоза-
бора системы А. В. Троиц-
кого (водозабор Среднеази-
атского типа):
1— река; 2~-порог головного
шлюза; 3 — затвор головного
шлюза; 4 — канал; 5 — затвор
верхнего промывного отверстия;
6 — затвор нижнего промывного
отверстия; 7 — плотина; 8— по-
лок.
Рис. 25.27. Боковой водоза-
бор с отстойником и про-
мывными галереями:
/ — река; 2 — донные промыв-
ные галереи; 3 — головной во-
дозаборный шлюз; 4 — отстой-
ник; 5 — пульповод; 6 — канал;
7 — водоподъемная бетонная
плотина; 8, 10 — направляющие
дамбы; 9 — земляная плотина.
дают плотиной 9. У -берега земляная плотина переходит в бетонную
водоподъемную водосливную плотину 7, причем непосредственно у
бетонной плотины устраивают отстойник 4, имеющий водозаборный
шлюз 3. При входе в этот шлюз делают порог соответствующей вы-
соты с промывными галереями 2.
Если предположить, что в данный момент времени два левых
отверстия шлюза 3 закрыты, причем работает только одно правое
отверстие, то главная масса донных наносов должна отлагаться не
непосредственно перед этим работающим отверстием, а несколько
выше его по течению (левее его).
253 .
Рис. 25.28. Схема донного решет-
чатого водозабора (простейшего
типа):
/ — решетка; 2 — водосборная (отводя-
щая) галерея.
§ 25.9. Донные решетчатые водо-
заборы
Две схемы донных решетчатых
водозаборов показаны на рис. 25.9.
Эти водозаборы часто применяют на
горных реках. Имеется много раз-
личных видов конструктивного
оформления донного решетчатого
водозабора. Основная идея устрой-
ства эдих водозаборов заключается
в следующем. Горную реку, характе-
ризующуся в определенные периоды
времени весьма малыми расходами
воды, преграждают невысокой бетонной плотиной (рис. 25.28). В
гребне этой плотины устраивают водосборную галерею 2, которую
перекрывают сверху решеткой 1. Эта решетка защищает галерею
от попадания в нее наносов. Вода по галерее направляется к бе-
' рег.у и поступает в отводящий канал. Такие водоприемники называ-
ют иногда водозаборами тирольского типа. Решетчатые водозаборы
в наших условиях (на .Кавказе, в Казахстане, Таджикистане) были’
в значительной мере усовершенствованы и приспособлены для за-
бора относительно больших расходов воды. В некоторых случаях
устраивают водозаборные 'отверстия, перекрываемые решетками не
в гребне плотины, а в быках (в нижней их части), причем такие
решетки располагают в вертикальной плоскости.
§ 25.10. Режим работы верхнего и нижнего бьефов реки
при устройстве плотинного водозабора. Шугосбросы
При проектировании плотинных водозаборов на реках, влеку-
щих наносы, необходимо учитывать следующие обстоятельства:
1. Сооружая водоподъемную плотину, получают в верхнем бье-
фе небольшое водохранилище, которое выполняет роль отстойника;
вода отстаивается в этом водохранилище и поступает в нижний
бьеф в некоторой мере осветленной. В нижнем бьефе вода снова
начинает насыщаться наносами (в соответствии с транспортирую-
щей способностью потока). В связи со сказанным, в первое время
эксплуатации плотины русло нижнего бьефа на некотором его про-
тяжении должно размываться. Такой размыв иногда может быть
нежелательным: начинают подмываться опоры мостов в нижнем
бьефе; в связи с понижением дна реки в нижнем бьефе снижается
и уровень воды в реке, а также и уровень грунтовых вод в берегах,
что иногда является недопустимым и т. п.
2. С течением времени упомянутое выше водохранилище, обра-
зованное плотиной, должно заилиться, причем вода в верхнем
бьефе уже не будет осветляться и поэтому размывы в нижнем бье-
фе прекратятся.
3. Небольшие относительно быстро заиляющиеся водохранили-
ща, образованные водоподъемными плотинами, нельзя рассматри-
254
Рис. 25.29. Отложение наносов перед
входным отверстием головного шлю-
за:
/ — река; 2— область отложения наносов;
3 — забор воды в канал.
У////////////////////////////////////////////////////////////////,
Рис.. 25.30. Схема Простейшего шуго-
сброса:
/ — верховая шандорная стенка; 2 — желе-
зобетонная плита; 3 — ннзовая шандорная
стенка; 4 — бык.
вать, как водохранилища, которые можно использовать для регу-
лирования стока реки.
4. Если вода в верхнем бьефе предельно насыщена наносами,
причем часть расхода этой воды идет в магистральный канал, очи-
стив предварительно ее от наносов, то при этом возникает следую-
щее; наносы, удаленные из воды, направленной в канал, сбрасыва-
ются в Нижний бьеф плотины и отлагаются в нем; вода, оставшая-
ся в реке и сбрасываемая через плотину в нижний бьеф, не сможет
промыть упомянутые отложившиеся в нижнем бьефе наносы, в свя-
зи с чем с течением времени поверхность дна нижнего бьефа до-лж-
Рис. 25.31. Гидроузел Бжужа (Грузинская ССР, р. Бжужа. 1950...1956 гг;
Япл = 8,5 м):
1 — бетонная водосливная плотина; 2 —сбросной туннель; 3 — промывной шлюз; 4 — грязе-
спуск; 5 — безнапорный деривационный туннель ГЭС; 6 — двухкамерный подземный отстой-
ник; 7 — водоприемник ГЭС.
255
Рис. 25.32. Гидроузел Читахеви (Грузинская
ССР, р. Кура, 1944...1950 гг.; /7пл=7,0 м):
/ — водоприемник; 2 — промывные галереи; 3 — во-
досливная плотина.
Рис. 25.33. Гидроузел Сацхе-
нисский (Грузинская ССР,
р. Иори, 1947...1955 гг.;
ЯПл= 12,0 м):
/ — отстойник; 2 — бетонная во-
досливная Ълотнна; 3 — земля-
ная плотина; 4 —канал; 5 — де-
ривационный туннель.
на подниматься. Имея это в виду, приходится анализировать воп-
рос о возможности промыва (смыва) наносов, отложившихся в
нижнем бьефе, например в период паводков и т. п.
5. УстраиЬая плотину и соответствующие водозаборные шлюзы,
стремятся к тому, чтобы возможно меньше нарушить режим реки
в верхнем бьефе и возможно меньше снизить скорости воды перед
плотиной. Поднимая уровень воды в верхнем бьефе, само русло
верхнего бьефа несколько сужают подходными направляющими
дамбами. Гребень таких подходных продольных дамб должен иметь
продольный уклон, равный примерно уклону русла реки в естест-
венном ее состоянии.
В случае неудачного расположения водозаборных и промывных
отверстий поток в верхнем бьефе может отлагать наносы при под-
ходе к водозаборному отверстию. При этом в подходном сечении
этот поток может быть в значительной мере оттеснен отложивши-
256
мися наносами от водозаборных отверстиу, что, естественно, не-
желательно (рис. 25.29).
6. В определенных случаях необходимо анализировать работу
водозабора в зимних условиях. Здесь могут встретиться такие за-
труднения: а) решетки, устраиваемые перед водозаборными отвер-
стиями, могут забиваться шугой, а также обмерзать; для борьбы
с этим явлением применяют, например, электрообогрев решеток;
б) перед водозаборным сооружением могут образовываться зажо-
ры, в связи с чем приходится проводить соответствующие регуля-
ционные работы в русле реки; в) шуга может заполнять отстойник
и канал.
Что касается борьбы с шугой, то надлежит отметить следую-
щее. Устраивая плотину, можно уменьшить скорость воды в реке.
При этом в начале зимы ускорится образование ледяного покрова.
Такое положение выгодно: шуга образуется главным образом при
отсутствии ледяного покрова. Чтобы не допустить шугу в канал, ее
сбрасывают через плотину в нижний бьеф. При этом приходится
иногда терять много воды из верхнего бьефа. Чтобы снизить эти
потери воды, при плотине устраивают иногда особые сооружения —
шугосбросы. Шугосбросы позволяют сбрасывать шугу в нижний
бьеф с минимальным количеством воды. Конструкции шугосбросов
различны. На рис. 25.30 показана простейшая схема шугосброса:
между быками 4 устраивают железобетонную плиту 2, образую-
щую дно лотка А; левый борт / лотка образован шандорами, че-
рез которые переливается верхний слой воды, обогащенный шугой;
правый борт 3 также выполняется шандорами на достаточно боль-
шую высоту. Шуга вместе с небольшим количеством воды отводит-
ся по лотку А через быки и устои в нижний бьеф. Шандоры 1 и 3
летом убирают.
Шуга, сбрасываемая в нижний бьеф, должна промываться во-
дой нижнего бьефа. Иногда шугу из бьефа удаляют чисто механи-
ческим путем с помощью особых шуготасок.
На рис. 25.31...25.33 приведены примеры компоновки речных во-
дозаборов в плане (дополнительно см. рис. 24.18 и 24.19).
17 Р. Р. Чугаев
Раздел VII. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
РАБОТ. КОМПОНОВКА ПЛОТИННЫХ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Глава 26. ПРОПУСК РЕЧНЫХ ВОД ЧЕРЕЗ СТВОР
ГИДРОУЗЛА В ПЕРИОД СТРОИТЕЛЬСТВА
§ 26.1. Общие сведения
Строительство речного напорного гидроузла может длиться, на-
пример 2...3 года, а в некоторых случаях и значительно дольше.
В течение этого периода через створ гидроузла приходится пропус-
кать в общем случае не только воду, но и лед, суда и сплавляемый
лес; следует также заботиться о проходе рыбы через участок стро-
ительства плотины. Все это в целом представляет иногда весьма
сложную задачу, не решив ее, нельзя правильно запроектировать
конструкции отдельных сооружений, входящих в гидроузел, а так-
же выбрать их местоположение и общую компоновку. Решив удач-
но этот вопрос, можно сократить срок строительства и значительно
удешевить его.
В задачу инженера, проектирующего гидроузел, должен входить
выбор общей схемы пропуска через створ гидроузла строительных
расходов. Такая схема в дальнейшем должна дорабатываться в де-
талях уже при составлении проекта производства работ по соору-
жению данного узла.
Принятая компоновка отдельных сооружений выбранного типа
часто предрешает способ пропуска строительных расходов, а так-
же и срок строительства. Вообще говоря, срок строительства уста-
навливают на основе технико-экономических подсчетов, причем ми-
нимально возможный срок строительства не является наиболее вы-
годным с экономической точки зрения.
Намечая схему пропуска строительных расходов, необходимо
считаться с естественными условиями данного створа: топографи-
ческими, геологическими и гидрологическими. Дополнительно надо
учитывать оснащенность строительства соответствующими механи-
ческими средствами. Особенно следует обращать внимание:
а) на условия пропуска судов через створ гидроузла в период
строительства (если река судоходная);
б) на условия, определяемые зимним режимом, — возможные
зажоры и заторы при пропуске строительных расходов, навалы
льда на сооружения и т. п. -
258
•§ 26.2. Расчетные строительные расходы воды
В процессе строительства гидроузла приходится совершать це-
лый ряд различных операций в русле реки: устанавливать и разби-
рать перемычки, под защитой которых возводят плотину; пропус-
кать воду через недостроенную плотину и т. д. Поскольку все эти
операции носят временный характер, то расчетные расходы воды в
реке, отвечающие этим операциям, принимают такими же, как для
временных гидротехнических сооружений.
В настоящее время расчетные расходы для строительных водо-
сбросов надлежит устанавливать согласно СН 435—72, пользуясь
кривой обеспеченности максимальных расходов, построенной на
основании гидрологических данных для рассматриваемого створа
реки. При этом ежегодную вероятность превышения максимальных
расходов воды для строительных водосбросов следует принимать
10%, в особых случаях, при наличии соответствующего обоснова-
ния, строительные водосбросы (временные сооружения) допуска-
ется относить к IV классу, а иногда даже к III классу и принимать
для них расчетную ежегодную вероятность превышения максималь-
ных расходов воды, равной соответственно 1 и 0,5%.
При установлении расчетных строительных расходов учитыва-
ют время года, в течение которого осуществляют данную строи-
тельную операцию. При этом, приняв согласно приведенным выше
данным соответствующий процент обеспеченности расхода, строят
график месячных расчетных строительных расходов (рис. 26.1).
Каждому месяцу должен соответствовать свой расход необходимой
обеспеченности. Пользуясь этим графиком, и назначают расчетные
строительные расходы воды для различных операций, осуществляе-
мых в русле реки (в различное время года).
Встречаются случаи, когда, например, перемычка, построенная
в реке, работает более одного года, а следовательно, в период ее
работы включается время весеннего паводка. При этом приходится
интересоваться во всяком случае двумя различными строительны-
ми расходами: а) максимальным годовым расходом принятой обес-
печенности QcTp.maxl на этот расход нужно рассчитывать, напри-
мер, стеснение русла реки перемычками при пропуске весеннего
паводка; б) максимальным расходом принятой обеспеченности в
период межени QcTp.min; с учетом# ^
этого расхода, например, проектиру-
ем установку перемычек, закрытие
донных водопропускных отверстий
и т. п. (см. ниже).
§ 26.3. Приемы перекрытия русл рек
в период строительства гидроузла
Перекрытие реки в зависимости
от местных условий и вида запроек-
тированного гидроузла может, осу-
ществляться различными способами.
Рис. 26.1. График месячных рас-
четных строительных расходов за- .
данной обеспеченности.
17*
259
а)
Вх. пор
Вых. пор
77772
1
УНЕ

L
2
<7/7.
*77777777777777777777.
2
-if.
®стр
7777^’77727
8}
6» _ ! 7
И——
1. Прием перекрытия
русла реки с помощью
наброски камня в теку-
щую воду. Для перекры-
тия русла реки использу-
ют не только камень, но и
специально приготовлен-
ные бетонные кубы, бе-
, тонные пирамиды, желе-
зобетонные каркасы и т. п.
Однако далее мы буде.м
говорить Только о на-
броске камня.
Перекрытие реки бан-
кетом из каменной на-
броски осуществляют в
меженный летний период,'
когда расходы воды в ре-
ке малы и льда нет. Об-
щая схема такого пере-
крытия показана на рис.
26.2, где 1—1 — ось стро-
ящейся плотины, 3—3—
. ось банкета, образуемого
наброской камня в теку-
щую воду, 2—2 — ось
временного моста.
Работы по перекрытию
реки упомянутым банке-
том ведут в определен-
ной последовательности:
1) в обход места, где предполагают сооружать плотину 2, устраи-
вают деривационный канал 6. Входной порог 1 этого канала рас-
полагают на уровне (или немного ниже) естественного уровня 5
воды в реке (в межень). В некоторых случаях вместо специально
построенного канала 6 удается использовать те или другие отвер-
стия в уже построенной бетонной части плотины, судоходный
шлюз и т.п.; 2) далее по оси 3—3 от берегов пионерным способом
отсыпают на полную высоту (установленную расчетом) каменно-
набросной банкет 4. По мере все большего и большего стеснения
русла соответствующими частями банкета ширина b прорана меж-
ду ними уменьшается.
С уменьшением ширины b прорана уровень воды перед банке-
том повышается и скорость v в проране увеличивается; поэтому
дно реки в проране может начать размываться; при наличии такого
размыва объем камня, идущего на образование банкета, должен
увеличиваться, что нежелательно. Если попытаться устраивать
банкет в зимних условиях, то при подъеме уровня воды перед бан-
кетом лед верхнего бьефа взломается и возникнет ледоход, ‘что
260 . - - ’
Рис. 26.2. Схема перекрытия реки банкетом из
наброски камня в текущую воду:
а — поперечное сечение строящейся плотины; б —
план; /—/ — ось плотины 2; 2—2 — ось банкета 4;
3—3 — ось временного-моста 3; 4—4 — ось прорана 7;
/ — входной порог деривации; 5 — естественный* уро-
вень воды в реке; 6 — обходная деривация.
Рис. 26.3. Фронтальная наброска камня в проран:
/ — временный мост; 2 — сбрасывание камня с моста; 3 — окончатель-
ный контур банкета.
нежелательно; поэтому в зимних условиях реку перекрывать банке-
том избегают; 3) доведя ширину прорана b до допустимого значе-
ния, при котором скорость v в проране максимальна, отсыпку бан-
кета пионерным способом прекращают и переходят к закрытию
прорана фронтальным способом.
При фронтальной наброске камня в проран поступают следую-
щим образом: а) по оси 2—2 (рис. 26.3) сооружают временный
мост; б) далее.с этого моста по всей ширине прорана сбрасывают
камень, например, из самосвалов. Эту наброску ведут до тех пор,
пока гребень банкета не выйдет из воды, причем вся вода реки бу-
дет полностью поступать в обходную деривацию.
Из рассмотрения этого момента времени устанавливают необ-
ходимую отметку гребня банкета (VTp. банк), вычисляя ее по
формуле (рис. 26.2 и 26.3) VTp. банк = \7УНБ4-2°, где WHB
отвечает расходу реки, равному QCTp.min, и Z°— максимальный пе-
репад, при котором гребень банкета выходит из воды, принимают
Z° = 1,6...2.,О м и более (например, до 5,0 м). Обходную деривацию
приходится рассчитывать на пропуск расхода фрасчтш при отмет-
ке VyBB = VTp. банк (с учетом уклона I этсй деривации).
Вопрос о фронтальном перекрытии потока каменной наброской
имеет свою теорию; эта теория позволяет, в частности, устанавли-
вать необходимый объем камня, который следует запасти для от-
сыпки банкета, а также крупность его, которая оказывается раз-
личной на разных этапах наброски. Достаточно часто, особенно
при наличии скального основания, оказывается возможным возве-
сти весь банкет пионерным способом, вовсе не прибегая к фрон-
тальной наброске камня. В этом случае мы избавляемся от необ-
ходимости сооружать дорогостоящий временный мост.
На рис. 26.4 показан общий вид перекрытия каменной наброс-
кой в текущую воду р. Зеи при сооружении Зейской ГЭС.
2. Прием водосливных отверстий с переменным порогом (прием
«гребенки»). Предположим, что тем или иным способом в русле ре-
261
ки были построены (рис. 26.5): а) фундаментная часть плотины,
возведенная до отметки временного порога (до VBp. пор), и б) бы-
ки плотины на полную высоту. Что касается водосливных участков
плотины, то считаем, что они еще не возведены. Задача заключа-
ется в том, чтобы в меженный период (при строительном расходе
QcTp.min) забетонировать продеты между быками при одновремен-
ном пропуске строительного расхода через недостроенную плотину,
т. е. через так называемую гребенку.
Эту задачу (называемую задачей «закрытия гребенки») реша-
ют следующим образом: одни недостроенные отверстия перекрыва-
ют затворами и под защитой их бетонируют данные отверстия; в
это время через другие недостроенные отверстия пропускают стро-
ительный расход. Положим, что число недостроенных отверстий
равно п. Разбиваем все недостроенные отверстия на ряд одинако-
вых секций (групп отверстий); положим, что каждая секция (груп-
па) содержит k отверстий. При этом число отдельных секций ока-
зывается равным n.Q—n/k. Число k может быть принято равным 2,
3, 4 и т. д. Все выделенные секции недостроенных-отверстий бето-
нируют одинаково, каждую секцию обслуживает один затвор. .
Рассмотрим для примера одну секцию, состоящую из трех (k —
= 3) отверстий (рис. 26.6). После двух начальных положений за-
твора, при которых высоту бетонирования за затвором назначают
несколько неполной (рис. 26.6, а), дальнейшее бетонирование сек-
ции осуществляют, как показано на рис. 26.6, б, в, г. В данном слу-
чае (при £ = 3) получают трехступенчатую гребенку. Высота h на-
зывается шагом гребенки. После каждой перестановки затвора
уровень воды верхнего бьефа поднимается на й; высота слоя бе-
тонирования за затвором равна kh = 3h. Исключение здесь состав-
ляют только две «начальные» установки затвора (рис. 26.6, а).
При двухступенчатой гребенке (й=2) выделяют пролеты (рис.
26.7) четные и нечетные. Когда четные пролеты перекрывают за-
творами, вода проходит через нечетные пролеты, и наоборот. Если
глубина нижнего бьефа велика, то помимо верховых затворов пре-
дусматривают еще низовые затворы, защищающие бетонируемые
пролеты от подтопления их со стороны нижнего бьефа. Каждый
пролет при пропуске через него воды работает обычно, как водо-
слив с широким порогом (часто как неподтопленный).
Исходя из элементарных соображений, можно получить (для
случая неподтопленного водослива) следующие формулы, дающие
Связь между элементами гребенки:
h = [Q/(nmb/2^) ]2/3; •
N = (k/2p312)™ 1
где m — коэффициент расхода водослива; р — целые числа от еди-
ницы до (k—1) включительно; b — расстояние в свету между бы-
ками; Q — расход, при котором осуществляется достройка плоти-
ны с помощью гребенки.
262 ' '
Рис. 26.4. Общий вид работ по пионерному перекрытию-р. Зеи каменно-набросным банкетом (СССР, 1972 г.)
Рис. 26.5. Гребенка (число пролетов п=9):
А — фундаментная часть плотины; Б — бык.
Пользуясь приведенными формулами, можно.решать различные
задачи, например: а) задаваясь п и k, найти шаг гребенки й; б) за-
даваясь h и k, найти п, а следовательно, и ширину водосливного
фронта гребенки, равную nb.
При проектировании гребенки следует устанавливать следую-
щие размеры: VBp. пор; h\ п; k-, h3ar, где /iaaT — высота затвора.
Кроме того, приходится интересоваться необходимым числом за-
творов, а также количеством перестановок затворов в процессе бе-
тонирования гребенки.
Можно наметить много вариантов решения отмеченных вопро-
сов. При выборе наиболее рационального варианта учитывают, на-
пример, что с увеличением k (при заданных п и Ь) уменьшается h,
причем уменьшается также высота затворов и число затворов; вме-
сте с тем увеличивается .количество перестановок затворов.
Рис. 26.6. Схема бетонирования одной секции трехступенчатой гребенки:
/ — бетонировалось при первой установке затвора; 2 — то же, при второй установке За-
твора; 3 — третья установка затвора; 4— забетонированная часть отверстия; 5, 6 — четвер-
тая и пятая установки затвора (при перестановке затвора его устанавливают на самый
ннзкнй порог).
Рис. 26.7. Схема бе-
тонирования двухсту-
пенчатой гребенки:
Л — фундаментная часть
плотины; Б — бык; 3 —•
затвор.
264
Дополнительные указания к про-
ектированию гребенки. Обычно чис-
ло k назначают равным 2 и 3. Шаг
гребенки принимают часто равным
/г= 1,0...1,5 м. Высоту слоя бетони-
рования за затворами, равную kh,
увязывают с принятой высотой бло-
ков бетонирования. Затворы, под
защитой которых производят бето-
нирование и которые в процессе
производства работ переставляют
из одного отверстия в другое, при-
нимают обычно плоские металличе-
ские; по контуру этих затворов пре-
Рис. 26.8. Бетонирование плотин с
помощью приема водосливных от-
верстий (приема гребенки):
/—строительные пазы затворов; 2 —•
эксплуатационные пазы затворов; 3 —
отдельные слои бетона; 4—фундамент-
ная часть плотины.
дусматривают соответствующее уп- '
лотнение. Перестановку затворов
осуществляют после того, как бетонная смесь, уложенная под их
защитой, схватилась и бетон достаточно отвердел.
Высоту затворов /гзат принимают равной /i3a’T=/j/i+d, где d —
запас над высотой слоя бетонирования (например, d=0,5 м). Про-
леты Ь, перекрываемые затворами, делают обычно 15...20 м. Ес-
ли пролет между соседними быками более указанного размера, то
в промежутке между соседними быками устраивают промежуточ-
ные строительные бь1ки, которые в дальнейшем входят в тело Пло-
тины.
В случае невысокой плотины, чтобы уменьшить число переста-
новок затвора, можно иногда назначить высоту затвора равной вы-
соте всей бетонируемой плотины: Однако при этом надо иметь в
виду, что напор Н' на водосливах полностью забетонированных от-
верстий, получающийся при пропуске через них строительного рас-
хода, в период окончания бетонирования последних пролетов мо-
жет оказаться излишне большим.
Вместо металлических затворов применяют железобетонные
шандоры, которые могут быть использованы как опалубка и остав-
лены в теле плотины. Если верховая грань плотины вертикальна,
то для затворов или железобетонных шандор предусматривают
в быках один ряд вертикальных пазов. Если же верховая грань пло-
-тины наклонная (рис. 26.8), то в быках приходится устраивать не-
сколько рядов вертикальных пазов («строительных пазов»).
Принимаемые параметры гребенки иногда влияют на выбор
ширины эксплуатационных отверстий плотины, а также на распо-
ложение деформационных швов.
Приближенный расчет ширины водосливного фронта гребенки и отметки
временного порога. Предположим, что в начальный период порог гребенки рабо-
тает как подтопленный водослив с широким порогом; значение Qcip min известно
.(см. § 26.2).
Задаемся входным перепадом свободной поверхности на временном пороге
Za = 1,0... 1,5 м, при этом средняя скорость на пороге будет
v = <р K2gZB » 0,9 К2gZB.
265
Принимая эту скорость, находят площадь живого сечения на временном по-
роге /1 = <2стр min/e.
Далее, полагая, что устройства нижнего бьефа (гасители энергии и т. п.)
уже созданы, принимают удельный расход для гребенки как для временного
сооружения <7т «= 1 ,25<7пл, где <7пл— удельный расход плотины.
Затем определяют ширину водосливного фронта гребенки ВгР = (?стр min/?rP,
а также глубину .воды на-временном пороге а=Л/Вгр.
Отметка временного порога уВр. пор=уУНБ— а.
Назначая отметку временного порога, необходимо учитывать, что при нали-
чии под ним потерны поверхность порога должна возвышаться над потолком
потерны не менее чем на 1...2 м. Горизонтальную поверхность временного поро-
га иногда делают не плоской, а предусматривают выступы отдельных блоков
бетонирования на высоту 0,2 м.
3. Прием водоспускных отверстий или водосливных отверстий с
постоянным порогом и сопоставление этого приема с приемом гре-
бенки. Для пропуска строительного расхода можно использовать
не водосливные, а водоспускные отверстия (рис. 26.9) или водо-
сливные отверстия, но с постоянным порогом. Здесь различают:
а) временные водопропускные отверстия в теле -плотины или в
других сооружениях; эти отверстия устраивают специально для
пропуска строительных расходов; после возведения плотины такие
отверстия закрывают (при малых расходах в реке), например,
шандорами и затей} заделывают; б) эксплуатационные водопро-
пускные отверстия; здесь имеется, в виду использование для про-
пуска строительного расхода уже построенных водоспусков пло-
тин, различных промывных отверстий, турбинных камер (до уста-
новки в них турбин, причем камер иногда недостроенных) и т.п.
В некоторых случаях комбинируют временные и эксплуатаци-
онные отверстия. Все эти отверстия рассчитывают по правилам
гидравлики.
После закрытия рассматриваемых водопропускных отверстий
верхний бьеф начинает наполняться водой и уровень воды в нем
поднимается, причем напор на плотине соответственно растет; рас-
тет также и гидростатическое давление, действующее на плотину.
В период наполнения водой верхнего бьефа поступление воды в
нижний бьеф может прекратиться и расход в нем может снизиться
до нуля. Такое положение часто недопустимо. Поэтому, перекры-
вая данные отверстия, обычно предусматривают сброс воды в ниж-
ний бьеф некоторого минимально допустимого расхода воды, кото-
рый иногда называют санитарным расходом.
Недостатки приема гре-
бенки и достоинства приема
водопропускных отверстий с
постоянным порогом. В слу-
чае гребенки необходимо
иметь большое количество
Рис. 26.9.
отверстий
расходов.
7
Схема временных водоспускных
1 для пропуска строительных
металлических затворов.
Кроме того, при использова-
нии метода гребенки строи-
тельные работы осложняют-
ся постоянной перестанов-
266
кой затвора (или установкой
шандор). В случае водопро-
пускных отверстий с постоян-
ным порогом все эти отрица-
тельные моменты отпадают.
Достоинства приема гре-
бенки и недостатки приема во-
допропускных отверстий с по-
стоянным' порогом. В случае
гребенки уровень воды в верх-
нем бьефе поднимается мед-
ленно и находится все время в
руках строителей: при возник-
новении какого-либо аварийно-
го положения подъем уровня
можно приостановить. В слу-
чае же отверстий с постоян-
Р;гс._ 26.10. Схема бетонирования пло-
тины с., использованием кессонов:
1 — продольная стенка, соединяющая полу-
быки; 2 — гребень этой стенки; 3 — полубык
плотины; 4 — затвор; 5 — пространство, охва-
ченное «кольцевым» кессоном;’ J—J — ось пло-
тины.
ным порогом подъем уровня
воды в верхнем бьефе не мо-
жет регулироваться строите-
лем: после закрытия водопро-
пускных отверстии уже нельзя
будет приостановить этот подъ-
ем. Кроме того, прием водопропускных отверстий с постоянным
порогом имеет еще следующие недостатки: а) при протекании во-
ды с большими скоростями через напорные водоспускные 'Отвер-
стия может возникнуть нежелательная вибрация сооружения;
б) в связи с большими скоростями могут возникнуть затруднения
при закрытии напорных отверстий; в) в водопропускные отверстия
могут попадать плавающие тела и застревать в них, что усложнит
закрытие отверстий.
4. Прием перекрытия русла реки с помощью кессонов (или
опускных колодцев). В реке в соответствующих местах по оси пло-
тины с помощью кессонов можно возвести отдельные быки, между
которыми будет проходить строительный расход. Если Зтот расход
мал, причем основание плотины достаточно хорошее, то, перекры-
вая Тот или другой Пролет, получившийся между быками, невы-
сокими перемычками, можно под защитой этих перемычек забе-
тонировать рассматриваемый пролет на полную высоту. В это вре-
мя строительный расход будет проходить через соседние пролеты.
Если этот расход велик и основание требует устройства относи-
тельно глубокого котлована, то идут на сооружение кессонов коль-
цевой формы (рис. 26.10). Каждый кессон представляет собой
часть (секцию) плотины, в состав которой входят два полубыка 3,
которые соединяются двумя продольными бетонными стенками 1.
Внутри кессона имеется пространство 5, в пределах которого в
дальнейшем откапывают соответствующий котлован. После пре-
граждения реки или ее части кессонами (создающими своеобраз-
ную перемычку, включаемую затем в тело плотины) строительный
267
расход проходит между полубыками 3, причем вода переливается
через пороги 2 стенок 1. Далее в пределах отдельных кессонных
секций устанавливают плоские затворы 4. Под защитой этих за-
творов и выполняют соответствующие строительные работы в кот-
ловане 5 данной секции плотины.
При использовании рассматриваемого приема приходится спе-
циально анализировать вопрос о пропуске строительного расхода
при бетонировании последних секций плотины (когда все осталь-
ные секции уже забетонированы на полную высоту). Кессоны со-
оружают обычно не у места их установки, .а в стороне и затем на-
плаву транспортируют к месту установки. Данный прием имеет
тот существенный недостаток, что швы аЬ («прогалы») между от-
дельными кессонами могут получаться неправильной формы. При
этом уплотнять эти швы будет трудно. На одной из построенных
ГЭС ширина таких, «прогалов» составила 1,0 м, причем разраба-
тывались специальные методы бетонирования их.
§ 26.4. Стеснение русла реки перемычками
При постройке плотины приходится иногда в русле реки уста-
навливать перемычки, например П-образной формы (в плане), ко-
торые стесняют поток с боков (рис. 26.11). В результате этого в
месте установки перемычек (в створе 1—1) ширина реки Вр сни-
жается до Вс; средняя же скорость реки vp увеличивается до vc.
В связи с увеличением скорости в
Рис. 26.11. Стеснецие рус-
ла реки одной (а) и двумя
(б) перемычками:
Л—перемычки; 2—котлован; /—
1 — ось плотины.
створе 1—1 в суженной части русла мо-
жет возникнуть размыв его дна, что уве-
личит объем работ по возведению плоти-
ны; кроме того, могут быть подмыты пе-
ремычки, ухудшатся условия судоходства
и лесосплава. Ранее считали, что стес-
нять реку более 'чем на 30 %, не следует.
В настоящее в,ремя идут на значительно
большие стеснения, например до 60 %.
При проектировании стеснения рус-
ла перемычками учитывают следующие
обстоятельства: 1) если река судоход-
ная, то должно быть выдержано условие
vc 1,8...2,0 м/с; в исключительных слу-
чаях допускают скорость до 2,8 м/с; ши-
рина Вс должна быть достаточна для
пропуска судов; -2) если река лесосплав-
ная, то vc<2,5...3,0 м/с; 3) ширина Вс
должна быть достаточна для пропуска
льда; 4) при наличии нескального русла
реки возникает его размыв: глубина это-
го размыва должна быть приемлемой.
Стеснение русла подвергают гидравличе-
скому расчету.
268
Рис. 26.12. Протекание воды* в пре-
делах стесненного русла:
1 — естественный уровень воды в реке;
2— перемычка; 3— водоворотные области;
4 — котлован.
Сведения о гидравлическом
расчете. С помощью гидравличес
кого расчета устанавливают:
а) перепад свободной поверхно-
сти потока, образующийся в мес-
те стеснения русла и необходи-
мый для определения отметки
гребня верховой части перемыч-
ки; б) скорость ос; в) глубину
размыва в месте стеснения русла;
этот размыв оценивают с учетом
так называемой отмостки, возни-
кающей на поверх’ности размыва-
емого дна. На рис. 26.12, а пока-
зано стеснение русла перемычка-
ми. При расчете получающегося
здесь потока считают заданными
vc, Вс, Q и WHB (эта отметка
отвечает заданному расходу
Qctp max) -
' Отметка гребня верховой части перемычки Vfp. пер = \7УНБ4-’
-\-Z-\-a, где « — некоторый запас — превышение гребня перемычки
над уровнем воды.
Поток в районе стеснения расчленяется на три фрагмента: .
I, II, III (рис. 26.12,6). Этот поток принципиально отличается от
потока в случае водослива тем, что в пределах фрагментов I и III
данного потока получаем существенные потери напора, при расче-
те обычных водосливов этими потерями пренебрегают. *
Наличие таких потерь напора значительно усложняет расчет и
делает его иногда трудно выполнимым, поэтому в первом прибли-
жении стеснение русла иногда, рассчитывают .по формуле затоп-
ленного водослива с широким порогом:
Z = (l/<p2^[(n|-n2p)/(2^)],
где <р — коэффициент скорости, <р = 0,70...0,90.
Задавшись скоростью ис, по этой формуле легко можно опре-
делить Z и, наоборот, задавшись Z, можно найти vQ. .
Что касается весьма приближенной оценки глубины- размыва,
то поступают следующим образом. Условно принимают для имею-
щегося нескального грунта максимальную допускаемую скорость
Птах по данным, относящимся к равномерному движению воды.
Далее определяют площадь живого сечения в створе С — С, кото-
рая будет после размыва ЛПред=ф/пшах.
Затем находят площадь поперечного сечения размыва в створе
С—С: Дразм=-'4пред — Ас, где Ас — площадь живого сечения пото-
ка (в створе С—С между установленными перемычками) при ес-
тественном уровне воды и естественном уровне дна. Средняя глуби-
на размыва в створе С — С: йраЗМ=ДразМ/Вс.
269
Часто предварительно землечерпательными снарядами удаля-
ют грунт в пределах стеснения на глубину hva3Ii, чтобы н^ допус-
тить размыва.
§ 26.5. Пропуск строительных расходов через створ гидроузла »
в период строительства '
Различают два способа пропуска строительных расходов через
створ гидроузла: 1) пропуск воды без отвода ее из русла реки,
2) пропуск воды с отводом ее из русла реки.
В каждом из этих методов можно различать: а) способ пере-
мычечный, т. е. способ, предусматривающий использование пере-
мычек в процессе строительства; б) способ бесперемычечный, ког-
да при строительстве гидроузла обходятся без перемычек.
Таким образом имеется четыре основных способа пропуска
строительных расходов через створ гидроузла. Встречается в прак-
тике строительства сочетание перечисленных основных спосо-
бов.
1. Секционный способ. Согласно этому способу вооружения, раз-
мещающиеся в русле реки, разбивают на очереди строительства,
каждую из которых ограждают перемычками. Из пространства,
огражденного перемычками, откачивают воду и затем в этом про-
странстве откапывают запроектированный котлован, применяя при
-этом водоотлив или водопонижение. В осушенном котловане воз-
водят соответствующую часть сооружения.
Положим, что работы по сооружению плотины намечено вы-
полнить в три очереди. При этом поступают следующим образом
(рис. 26.13). В период первой очереди работ за возведенной пере-
мычкой (перемычкой первой очереди /) возводят гребенку 7 (см.
§ 26.13) или сооружают часть плотины, в которой предусматрива-
ют строительные водоспускные отверстия. После этого котлован 2
первой очереди затапливают, перемычку первой очереди разбира-.
ют и устанавливают перемычку второй очереди 6 (см. рис. 26.13),
под защитой которой в котловане 5 второй очереди возводят ос-
тавшуюся часть плотины. В это время строительные расходы про-
пускают через гребенку 7 (или водоспускные отверстия). Наконец,
закончив вторую очередь работ, завершают третью очередь: уда-
ляют перемычку второй очереди .и закрывают гребенку (или водо-
спускные отверстия).
Рис. 26.13. Секционный способ (три очере-
ди строительства; две секции перемычек):
1 — перемычка первой очереди; 2 — котлован пер-
вой очереди; 3 — бык, включенный в состав про-
дольной переходной перемычки; 4 — продольная
переходная перемычка; 5 —котлован второй оче-
реди; 6 — перемычка второй очереди; 7—гребен-
ка.
270
Рассматривая секционный
способ, следует различать: а) чи-
сло очередей строительства и
б) -число устанавливаемых сек-
ций перемычек. Например, рас-
сматривая выше строительство в
три очереди, мы имели только две
отдельные секции перемычек.
На рис. 26.14 показаны схемы
строительства гидроузла, разби-
ваемого на различное число оче-
редей строительства. Число про-
летов плотины, охватываемых
той или другой очёредью, уста-
навливают на основе технико-эко-
номических соображений.
Замечания о перемычках. Раз-
Рис. 26.14. Разбивка сооружения на
очереди строительства:
1—111— очереди строительства.
личают следующие типы перемы-
чек по их назначению (рис. 26.15): 1) поперечная перемычка 1,
которая мало подвергается воздействию со стороны потока, поэто-
му ее часто делают земляной; 2) продольная перемычка 2 — под-
вергается воздействию стесненного потока. Ее делают ряжевого,
ячеистого или шпунтового типа. Гребень такой перемычки в общем
случае должен иметь переменную отметку, изменяющуюся (усту-
пами) от отметки гребня верховой поперечной перемычки до от-
метки гребня низовой поперечной перемычки; 3) продольная пере-
ходная перемычка 3, сооруженная в котловане первой очереди, ее
частично располагают на построенной фундаментной части пло-
тины; в некоторых случаях в состав этой перемычки включают уже
построенный бык (рассчитанный на одностороннее боковое-давле-
ние воды) (см. рис. 26.13).
Различают еще перемычки русловые и пойменные.
Намечая перемычки, необходимо выбрать: а) отметку их греб-
ня; б) конструкцию и размеры; в) плановое расположение.
При определении отметки гребня перемычки (см. § 26.4) запас
а (превышение гребня перемычки над УВ)
принимают: для земляных перемычек —
а»0,50..-.0,75 м; для ряжевых — ах0;2 м.
Ширину перемычек поверху назначают
обычно из условий устройства на ее_гребне
проезжей дороги.
В плане перемычки располагают не толь-
ко с учетом гидравлических условий, но
также и с учетом удобства проезда по их
гребню. При размещении перемычек в пла-
Рис. 26.15. Виды пе- '
ремычек:
1 — поперечная; 2 — про-
дольная; 3 — продольная
переходная.
не стараются использовать имеющиеся ост-
рова.
По отношению к котловану перемычки
следует располагать, как показано на
271
Рис. 26.16. Расположение перемычек по отношению к котловану:
1 — верховая, 2 — продольная и 3 — низовая перемычки; 4 — котлован.
рис. 26.16. Расстояние между верховой и низовой перемычка-
ми должно быть не менее L = b0-\-2mh-\-2c, где Ьо — шири-
на котлована по дну; h — глубина котлована; т — коэффициент
откоса; с — запас (ширина-полос, необходимых для размещения
на них водоотливных средств, прокладки дорог и т. д.), с= 10..,20 м.
Из рис. 26.16 ясно также, исходя из каких условий следует на-
значать длину продольной перемычки.
Время прохождения .весеннего паводка (в отличие от ливнево-
' го) всегда можно с известным приближением установить. Имея
это в виду, в тех случаях, когда перемычки, рассчитываемые на
пропуск весеннего паводка, получаются высокими, идут на устрой-
ство перемычек и котлована, затопляемых во время весеннего па-
водка (снижая при этом отметку гребня перемычек). Перемычки
сниженной высоты получаются дешевле; однако при таком реше-
нии вопроса мы терпим известный ущерб в связи с перерывом
строительных работ, вторичной откачкой котлована и т.п. Вопро-
сы об устройстве затопляемых перемычек и расходе воды, при ко-
тором эти перемычки должны затопляться, решают на основании
технико-экономических подсчетов.
2. Кессонный способ. Согласно этому способу для перекрытия
реки (по всей ее ширине) используют кессоны, т. е. здесь применя-
ют четвертый прием перекрытия рек (см. § 26.3). В данном случае
перемычки отсутствуют и вода из русла (в обход места строитель-
ства) не отводится.
3. Способ поперечных перемычек. В этом-случае русло на всю
его ширину преграждают верховой и низовой перемычками (в ча-
стном случае низовая перемычка может и отсутствовать); из про-
странства между перемычками воду откачивают; в этом прост-
ранстве и осуществляют возведение плотины. В период сооруже-
ния плотины строительные расходы пропускают по той или другой
деривации, устроенной вне русла (в обход котлована).
Этот способ был рассмотрен, когда мы поясняли возведение
земляных плотин; при этом был пояснен также технико-экономиче-
ский расчет, с помощью которого устанавливают отметку гребня
верховой перемычки, а также уклон обходной безнапорной дери-
272
вации (в виде канала или тун-
неля), сооружаемой до возве-
дения перемычек.
Применяя способ попереч-
ных перемычек, стремятся в со-
ответствующих ’ случаях ис-
пользовать имеющиеся эксплу-
атационные водопропускные
сооружения, устроенные в бе-
регах.
4. Пойменный способ. Со- Рис- 2617- Пойменный способ:.
гласно пойменному способу, /-подводящий канал; 2 -гребенка; 3-кот-
лован на пойме; 4 — отводящий канал.
разработанному в СССР, по-
ступают следующим образом:
1) в первую очередь работ откапывают на пойме котлован 3 (рис.
26.17) и в осушенном котловане (не незатопленной пойме) соору-
жают бетонную плотину, но не полностью: создают только гребен-
ку (см. § 26.3) или оставляют в теле плотины строительные водо-
спускные отверстия; 2) далее откапывают подводящий 1 и отводя-
щий 4 каналы; 3) затем русло реки по оси 4—1 перекрывают на-
броской камня в текущую воду (см. § 26.3), причем воду пропуска-
ют через гребенку (или водоспускные отверстия); 4) осуществляют
закрытие гребёнки. Согласно данному способу производства работ,
бетонные сооружения всегда должны размещаться на пойме. При-
нятый способ пропуска строительных расходов через створ гидро-
узла в значительной мере определяет компоновку, отдельных со-
оружений, входящих в гидроузел.
§ 26.6. Выбор способа пропуска строительных расходов
через створ гидроузла
Секционный и пойменный способы обычно применяют при
строительстве гидроузлов на средних и крупных реках равнинного
типа, особенно когда имеется судоходство или сильный ледоход.
Кессонный способ иногда рекомендуют использовать, когда рус-
ло узкое и не допускает стеснения, а также при наличии глубокого
заложения фундаментов быков и зубьев. В этом случае примене-
ние кессонов может ускорить работы.
Способ сплошных поперечных перемычек используют в случае
горных рек, устраивая в скальных берегах обходные туннели. Этот
способ можно применять и в ряде других случаев (когда имеются
соответствующие топографические условия: излучины реки и т.п.).
Расходы Q для обходных дериваций могут доходить: а) в случае
туннеля — до 1000...5000 м3/с; б) в случае деривационных кана-
лов— до 2000 м3/с; в) в'случае небольших лотков, перебрасывае-
мых через место строительства, — до 30 м3/с.
При выборе способа пропуска строительных расходов необходи-
мо: а) стараться использовать эксплуатационные отверстия — су-
доходный шлюз, турбинные камеры ГЭС, прсулывные шлюзы, водо-
18 Р. Р. Чугаев.
спуски и т. п.; б) не нарушать судоходства- и предусматривать
возможность пропуска льда через створ строящейся плотины. •
Низконапорные узлы на реках обычно строят с помощью сек-
ционного метода в три очереди. Требование судоходства заставля-
ет иногда намечать четыре очереди и более. Если в состав гидро-
узла входит судоходный шлюз или водозаборы с низкорасположен-
ными промывными отверстиями, то в 1-ю очередь возводят именно
эти сооружения, с тем чтобы их использовать в период 2-й очереди
для пропуска строительных расходов. Если в состав гидроузла
входит ГЭС, то ее всегда начинают строить в 1-ю очоредь, так как
сооружение ГЭС наиболее продолжительно.
§ 26.7. Дополнительные сведения о перемычках
Перемычки являются временными устройствами. Вместе с тем
они представляют собой существенную часть гидротехнического
сооружения. Стоимость перемычек (месте с водоотливом) состав-
ляет иногда 5... 12 % от стоимости всего гидроузла. В некоторых
случаях постройка самих перемычек затруднительна в связи с ха-
рактером реки. В таких случаях для постройки перемычек прихо-
дится делать вспомогательные пёремычки, создавать тиховодья,
отводить реку и т. п. Перемычки, как правило, строят в меженный
период.
Ответственным моментом является замыкание сплошных по-
перечных перемычек. Здесь применяют различные приемы: а) за-
крытие образовавшегося в перемычке прорана наброской камня в
текущую воду (см. § 26.3); б) закрытие прорана ряжевой-пере-
мычки особым ряжем, транспортируемым наплаву и входящим в
проран как пробка; в) закрытие прорана ряжевой перемычки шан-
дорами (если основание скальное) и т. п.
. Перемычки должны удовлетворять следующим требованиям:
а) постройка и разборка их должны осуществляться достаточно
быстро; б) габариты перемычек должны бртть невелики; в) в со-
ответствующих случаях перемычка должна допускать перелив во-
ды через гребень.
Необходимо обращать внимание на стоимость разборки пере-
мычек; она составляет иногда до 20 % от стоимости устройства пе-
ремычек.
Г л а в а 27. КОМПОНОВКА ПЛОТИННЫХ ГИДРОУЗЛОВ
НА РЁКАХ
§ 27.1. Общие сведения.
Кйк известно, плотинные гидроузлы на реках создают с целью
комплексного решения тех или других водохозяйственных проблем.
В зависимости от рода этих проблем в рассматриваемый гид-
ротехнический узел могут входить помимо плотины различные спе-
циальные гидротехнические сооружения: гидроэлектростанция,
274
судоходный шлюз, водоприемники и т.п. Параметры специальных
гидросооружений устанавливают при проектировании соответству-
ющих хозяйственных объектов, например оросительных систем, си-
стем водоснабжения и энергоснабжения и т.п. Эти параметры.оп-
ределяют и основные требования, которые следует представлять ко
всему гидроузлу в целом.
Выбор створа гидроузла и технико-экономическое сопоставле-
ние различных его вариантов, разработанных применительно к дан-
ному створу, следует выполнять с учетом водохозяйственной роли
специальных сооружений, входящих в данный узел. Все эти вопро-
сы изучают в курсах «Использование водной энергии», «Инженер-
ная мелиорация», «Водные пути» и др.
Рассмотрим основные положения, касающиеся только общего
подхода к проектированию рассматриваемых гидроузлов: 1) реч-
ные плотинные гидроузлы всегда носят индивидуальный характер;
в связи с разнообразием местных условий рет возможности* при
сооружении данного гидроузла использовать какие-либо типовые
проекты; 2) главнейшей задачей при составлении индивидуального
проекта рассматриваемого гидроузла является правильный учет
многообразия местных условий; необходимо добиться наиболее
рационального сочетания различных хозяйственных функций, ко-
торые должен выполнять данный гидроузел; 3) достаточно часто
при проектировании гидроузла может возникнуть противоречие:
облегчая строительство и. удешевляя его, мы при этом можем ухуд-
шить условия эксплуатации и, наоборот, можно добиться улучше-
ния условий эксплуатации сооружений за счет усложнения и удо-
рожания строительства. Поэтому при проектировании гидроузла
приходится намечать некоторое среднее оптимальное решение, что
является иногда трудной задачей.
§ 27.2. Компоновка плотинных гидроузлов
При проектировании компоновки отдельных сооружений, вхо-
дящих в гидроузел, необходимо учитывать следующее: 1) каждое
сооружение должно возможно лучше выполнять свои функции;
2) каждое сооружение не должно затруднять или ухудшать работу
соседнего сооружения; 3) во время эксплуатации гидроузла должен
обеспечиваться возможно лучший пропуск через него воды, льда
и наносов; не должны возникать опасные размывы грунта, заторы
льда и т.п.; 4) схема гидроузла должна быть возможно более ком-
пактной; объем и стоимость работ по возведению сооружений, а
также эксплуатационные расходы должны быть возможно мень-
шими; 5) сооружение гидроузла должно осуществляться по воз-
можности в более короткий срок (этот срок должен обосновывать-
ся экономически). Часто до окончания строительства поднимают
напор на плотине на некоторую высоту, с тем чтобы данный гид-
роузел можно было бы ввести в эксплуатацию (хотя и неполную)
до окончания его строительства. ' ~
Обращаясь непосредственно к компоновке гидроузла (в задан-
1в* 275
9Z3
Рис. 27.1. Иваньковский гидроузел (С£СР, р. Волга, 1933...1937 гг., /7пл~20 м):
1 — подводящий канал; 2 — здаине ГЭС; 3 — водосливная плотина; 4 — отводящий канал; 5 — подстанция- 6 — земляная плотина-
7 — судоходный канал; 8 — судоходный шлюз. '• ’ '
277
2
Рис. 27.2. Вольский гидроузел им. В. И. Ленина (СССР, р. Волга, 1949... 1957 гг.; ,77пл«20 м):
/-волнолом; ?-.порт; 3-судоходный шлюз; 4 - водосливная плотина; 3 - земляная плотина; 6 - гидроэлектростанция; 7-ОРУ.
278
Рис. 27.3. Волгоградский гидроузел — Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС (СССР, р. Волга, 1951...1961 гг.; ЯПл~33 м):
/ — ОРУ; 2 —земляная плотина; 3 — рыбоподъемник; 4— бетонная водосливная плотина; 5 — аванпорт; 6 — судоходные
шлюзы; 7 — межшлюзовая гидроэлектростанция; в —нижний подходной канал; 9 — гидроэлектростанция.
ном створе), прежде всего следует определить габариты отдельных
сооружений, входящих в состав гидроузла: здания ГЭС, судоход-
ного шлюза, плотины и т.п. Далее следует рассмотреть, каким
образом в гидроузле должны располагаться бетонные сооружения.
С точки зрения производства работ все бетонные сооружения же-
лательно расположить в одном месте; с точки зрения эксплуатации
гидроузла желательно (и даже необходимо) располагать отдель-
ные бетонные сооружения на разных берегах реки.
В случае низконапорных узлов, когда пойма реки при подпоре,
вызванном плотиной, не затапливается (или пойма отсутствует),
Рис. 27.4. Головной узел сооружений Рионской гидроэлектростанции (Грузинская
ССР, р. Риони, 1928...1934 гг.; //Пл~12 м) (размеры в м):
/ — гравиеловка; 2 — затворы в голове туннелей; 3 — деривационный туннель ГЭС; 4 — про-
мывной шлюз; 5 — затворы промывииков; 6 — шаидориые пазы; 7 — служебный мост водо- '
сливной плотины; 8 — плотоход; 9 — сифонный водосброс; 10 — затворы; }1— быки моста
подъемных механизмов; 12 — урез воды до постройки плотины; 13 — порог пролета.
.279
280
Рис. 27.5. Бетонная гравитационная водосливная плотина Ангостура (США. р. Шийен, 1949 г.; /7ПЛ=64 м, ом.
общий вид на рис. 16.8) (размеры в м):
/ — водосливная плотина; 2 — гидроэлектростанция; 3 — трубопровод; 4 — канал; 5 — дорога; 6 — конец бетонной плотины; 7 —
земляная часть плотины. I
4
Рис. 27.7. Бетонная гравитационная водо-
сливная плотина Фриант (США, р. Сан
Уокен, 1942 г.; /7ПЛ = 97 м, см. общий вид
на рис. 16.10):
1 — водосливная плотина; 2 — водоспуск; 3 — до-
рога; 2 — канал; 5 — водоприемник,
Рис. 27.6. Арочная водосливная плоти на. Паркер (США, р. Колорадо, 1938 г.;
/7ил=97 м, см. общий вид на рис. 16.9):
1 — водосливная плотина; 2 — сороудерживающие решетки; 3 — подводящий канал: 4 — решет-
ки; 5 — линия затворов; 6 — напорный водород; 7 — гидроэлектростанция; 8 — дорога; Я —
подъемные механизмы; 20 — затворы.
Рис. 27.8. Общий вид плотины Ангостура.
Рис. 27.9. Общий вид плотины Паркер.
282
Рис. 27.10. Общий вид плотины Фриант.
все сооружения размещают в коренном русле, причем в этом слу-
чае геологические условия мало влияют на компоновку. Когда име-
ющаяся пойма затапливается подпорным уровнем верхнего бьефа,
плотина получает большую протяженность; здесь вдоль оси пло-
тины геологическое строение местности может существенно изме-
няться — по длине этой оси могут залегать как нескальные, так и
скальные грунты. В этом случае бетонные сооружения всегда стре-
мятся расположить на скальном грунте. .
• Компоновка сооружений в условиях горных и равнинных рек
получает обычно различный вид. Такое положение обусловливает-
ся, во-первых, различием местных топографических и геологичес-
ких условий для горных и равнинных рек .и, во-вторых, различием
состава специальных сооружений, входящих в эти узлы, что часто
имеет место.
При проектировании компоновки необходимо учитывать: рас-
положение железнодорожных путей, подъездных путей (дорог) к
месту строительства, а также вопрос о создании местных (в пре-
делах гидроузла) временных дорог и мостов.
/
§ 27.3. Дополнительные замечания к вопросу
- о компоновке сооружений
При проектировании плотинного гидроузла необходимо разли-
чать помимо постоянных гидротехнических сооружений, входящих
в него, следующие сооружения: 1) временные сооружения, непо-
средственно связанные со строительством узла: перемычки, вре-
' 283
менные дороги и мосты, бетонные заводы, временные электростан-
ции, а также рабочие поселки и т.п.; 2) постоянные не гидротехни-
ческие сооружения, часто связанные с эксплуатацией возведенного
гидроузла: хозяйственные здания, различные ремонтные мастер-
ские, транзитные дороги и т. п. -
, Часть временных сооружений стремятся всегда сохранить на
период эксплуатации, обратив эти сооружения в постоянные.
Намечая компоновку гидроузла, предусматривают расположе-
ние в пределах его перечисленных выше постоянных не гидротех-
нических и временных сооружений.
Ограничившись поясненными выше общими замечаниями, ка-
сающимися проектирования компоновок плотинных гидроузлов, на
рис. 27.1...27.7 приведены примеры плановых компоновок некото-
рых построенных гидроузлов на равнинных и горных реках (до-
полнительно см. рис. 27.18 и 27.19, а также рис. 25.31...25.33). На
рис. 27.8...27.10 показаны общие виды бетонных водосливных пло-
тин.
Приложение Б. РАСЧЕТЫ ГРАВИТАЦИОННОЙ
БЕТОННОЙ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ
§ БЛ. Определение экономически наивыгоднейшего значения
удельного расхода для водосливного фронта плотины
на нескальном основании
При выборе экономически наивыгоднейшего значения q следует рассмотреть
несколько вариантов плотины, проектируемой на различные удельные расходы q.
Для упрощения пояснений рассмотрим варианты плотины, проектируемой без
гасителей энергии в нижнем бьефе.
Поперечный профиль тела бетонной плотины вместе с креплением нижнего
бьефа для каждого варианта, рассчитанного на определенное значение q, можно
представить эскизным чертежом (рис. Б.1). Если q'<q"<q"'то имеем обрат»
ное соотношение: В'>В">В"'...
Для каждого намеченного варианта по чертежу (см. рис. Б.1) можно под-
считать объем бетона Ебет и объем выемки грунта Еаем, приходящиеся на 1 м
длины водосливной части плотины. Объем интересующих нас работ, выражен-
ный в «приведенном бетоне», для каждого варианта плотины
У = (Гбет.+ «Гзем)В+аД(В0-В), (Б.1)
где а — коэффициент перехода от земляных работ к бетонным; А — средняя
площадь поперечного сечения глухой земляной плотины, примыкающей к бетон-
ной; Во — ширина водосливного фронта, отвечающая минимальному рассмот-
ренному значению q*.
Формула (Б.1) относится к случаю, когда водосливная бетонная плотина
сопрягается с берегами земляными дамбами.
Использованный выше метод «приведенного бетона» носит условный харак-
тер. При желании уточнить данный расчет необходимо исходить из соответст-
вующих стоимостных показателей.
Сопоставляя значения V, полученные для каждого намеченного варианта,
можно выбрать экономически наивыгоднейший удельный расход q, при котором
V будет минимальным.
Технически данный расчет удобно оформлять следующим образом:
1) сначала устанавливают минимальное значение удельного расхода <7min,
которым следует задаваться при проектировании вариантов плотины. В качест-
ве такого минимального удельного расхода можно принимать, например, удель-
ный расход на стрежне реки в естественном ее состоянии при расходе QralIt:
?min = ?есттах > а ?есттах = Р^тах >
где Лтах — глубина воды на стрежне в естественном состоянии; о — средняя
скорость для всего- живого сечения
V = Qmax/®-
В приведенных формулах ш площадь живого сечения реки в естественном
ее состоянии (при Qmax); -Р — коэффициент перехода от скорости v к средней
скорости на вертикали, где измеряется глубина ЛШах (Р« 1,2... 1,5);
* Формула (Б.1) учитывает объем работ, относящийся не ко всей плотине,
а только к ее части длиной Bq.
285
Рис. Б.1. Схемы вариантов плотины для различных значений q (q"<q').
2) установив flmin, далее задаются рядом значений:
Я’ — ?min> Я" = 2?min> Я’" — 3?min и т. Д.
При этом в табл. Б.1 выполняют всё необходимые подсчеты, а затем, руко-
водствуясь значениями, полученными в гр. 3...5 таблицы, вычерчивают попереч-
ные сечения бетонной плотины, отвечающие различным ее вариантам;
Таблица Б.1
Определяемые значения* Удельные расходы ПримечанЙе
Q' 1 1 ч'" 1 q”"
_ 1 * В гр. 1 табл. Б.1 определяют: 1. 1 1
B=Qpac4^t /вод=(410.. .5,5) Л2; > /рисб^^Лг /вод!
?Гр. пл=уФПУ— И; Нпп=(Еа—Н)- hK—]fя1 2lg’ /пл~
1,5 Нпл; Z = уФПУ—уУНБ;
СОбем! Z//lK=T|'; (0зем; Э'", СОбет“Ьа шзем! £*о—(Л 4"^ ) /1к! ^(шбет4"а ^зем)! h Z;
Вд—В- /i2=l,l/i"; (В0-В)аЛ; у вод=у УНБ—/i2; V [по формуле (Б. 1)]; ds»0,5/i2
3) по данным табл. Б.1 выбирают искомое значение q, отвечающее (мини-
мальному значению V.
§ Б.2. Расчет устройств нижнего бьефа в случае гладкого
сопряжения сливной поверхности с поверхностью водобоя
при отсутствии гасителей энергии (основание пескальное)
1. Постановка задачи. Обычно удельный расход для водосливного' фронта
плотины принимают большим, чем удельный расход на стрежне реки в естест-
венном состоянии. В связи с этим, а также в связи с созданием на плотине
перепада свободной поверхности цри расположении поверхности водобоя на
уровне дна реки в нижнем бьефе почти всегда получают отогнанный гидравли-
ческий прыжок за плотиной.
Чтобы затопить такой прыжок без применения гасителей энергии, приходит-
ся опускать поверхность водобоя и рисбермы ниже поверхности дна реки; в
результате получают схему расположения крепления нижнего бьефа, показан-
ную на рис. Б.2. Необходимо отметить, что в связи с неровностью дна реки
размеры /гп и а могут быть приблизительными.
Задача расчета схемы (см. рис. Б.2) состоит в следующем. Задано: 1) при-
мерное значение отметки поверхности земли (у дна); 2) отметка гребня плотины
(V Гр. пл.) или удельный расход <?; 3) отметка уровня воды верхнего бьефа;
4) кривая связи QH.6=f (у УНБ).
286
Рис. Б.2. К расчету устройств нижнего бьефа (гасители отсутствуют; основание
нескальное):
/ — понур;. 2 — строительный порог; 3 — плотина; 4 — подобой; 5 — рисберма; 6 — ковш;
а —понижение крепления по отношению к дну реки; йц — естественная глубина воды в
реке; Л/— Глубина воды в пределах крепления.
Требуется определить: 1) отметку поверхности водобоя, при которой пры-
жок оказывается затопленным на 5... 10 % (Л = 1,05...1,10) при самых тяжелых
условиях сопряжения бьефов; 2) длину водобоя; 3) толщину водобойной пли-
ты, при которой она будет достаточно устойчива, и степень ее армирования,
обеспечивающую достаточную прочность этой плиты; 4) предельную длину рис-
бермы (длину неукороченной рисбермы, за которой воронка размыва практически
не возникает); 5) крупность камня на рисбер'ме; 6) толщину бетонных плит на
рисберме (если Лаковые применяют для образования рисбермы); 7) размеры
укороченных рисберм, а также размеры их концевого устройства; варианты
укороченной рисбермы намечаем для технико-экономического сопоставления с
вариантом рисбермы предельной длины и для сравнения их между собой.
Решение поставленной задачи выполняют, исходя из рассмотрения первого
расчетного случая (см. § 16.6); второй расчетный случай используют только для
проверки затопления прыжка.
2. Определение отметки поверхности водобоя (V вод):
1) в соответствии с рекомендациями § 16.5 устанавливают QH.6 и, поль-
зуясь имеющейся кривой связи Qn-e=f(WHB), определяют расчетную отметку
уровня воды нижнего бьефа, (^УНБ);
2) пренебрегая скоростью подхода v0, находят перепад Z на плотине Z—
= VHIiy— ?УНБ;
з г----
3) зная q, вычисляют критическую глубину hK= |/ q2/q\
4) определяют относительный перепад: r\'=Z/hK и по графику находят Э';
5) определяют Ео (см. рис. Б.2): Ео= (t|' + 3')/ik;
6) находят глубину, сопряженную с глубиной в сжатом сечении: h"~Ea—Z;
7) увеличивают эту глубину на 10 %, с тем чтобы получить требуемое за-
топление прыжка: при этом и определяют с некоторым приближением глубину
на водобое h2 (см. рис. Б.2): Н2~ 1,1 h"\
8) искомая отметка водобоя: Veofl = vyHB—h2.
Дополнительно определяют примерные значения ha и a: ha = vyHB—VflHa;
a—h2—hn.
3. Определение длины водобоя. Разделение крепления нижнего бьефа на
водобой и рисберму носит несколько условный характер, поскольку какого-либо
резкого местного снижения размывающей способности потока по длине крепле-
ния нижнего бьефа не наблюдается. Как правило, водобой заканчивают в сече-
нии 2—2, проведенном в конце поверхностного вальца гидравлического прыжка
(см. рис. 16.13). В связи с этим длина водобоя, измеряемая от сжатого сечения
1—1 (ом. рис. 16.13), может быть принята равной длине затопленного гидравли-
ческого прыжка 7вод = /п, где, как указывалось ранее (см. § 4.1), /п= (5,2...5,5)h2.
В некоторых случаях длину водобоя принимают несколько отличной от указан-
ной (см. § 15.6).
287
Рис. Б.З. К расчету водосливной плиты (без
гасителя энергии):
/—.дренаж; 2— фильтрационное отверстие; 3 —
водобой; П — воображаемый пьезометр; Do —де-
фицит давления; бвод — вес водобоя.
котором воображаемом пьезометре П будет
бьефе. В запас отметку уровня воды в конце
4. Определение толщины во-
добойной плиты. Толщину водо-
бойной плиты без гасителей энер-
гии устанавливают из рассмотре-
ния ее устойчивости на всплыва-
ние (на отрыв ее от основания).
На рис. Б.З дана схема водо-
бойной плиты без гасителей энер-
гии. На эту плиту действуют сле-
дующие силы:
1) давление воды снизу (со
стороны дренажа) находят, пре-
небрегая потерями напора в дре-
наже, уложенном под водобоем.
При этом считают, что вода в
дренаже сообщается с водой ниж-
него бьефа, в частности, через
дренаж соседних закрытых про-
летов. В связи с этим принято
считать, что горизонт воды в не-
стоять на уровне воды в нижнем
водобоя (см. точку Ь') принимают
на уровне воды нижнего бьефа, т. е. пренебрегают небольшим подъемом свобод-
ной поверхности потока вдоль рисбермы. Имея в виду сделанные допущения,
можно найти рассматриваемое давление воды;
2) вес воды, расположенной сверху на водобое, определяют положением
свободной поверхности abb' потока в пределах водобоя (см. поверхность abc
на рис. 16.1) и, естественно, будет зависеть от степени затопления прыжка;
3) сила, обусловленная пульсационной добавкой гидродинамического-дав-
ления, действующего сверху на водобойную плиту;
4) центробежное давление воды в начале водобоя, возникающее в связи с
поворотом транзитной струи, имеет мЪсто только в том случае, если водобойная
плита в своем начале ограничена сверху не горизонтальной плоскостью, а ци-
линдрической поверхностью; ' « •
5) собственный вес водобойной плиты;
6) реакция грунта основания, которую можно установить; пользуясь теори-
ей внеценТренного сжатия или теорией упругости;
7) горизонтальное давление воды, действующее на торцы водобойной пли-
ты (см. эпюры А и В на рис. Б.З);
8) горизонтальная сила трения (влечения), приложенная к верхней горизон-
тальной поверхности водобоя (не имеющего гасителя энергии) со стороны дви-
жущейся по нему воды, а также горизонтальная сила трения (реакция) между
водобойной плитой и грунтом.
Необходимо отметить, что упомянутыми горизонтальными силами можно
пренебречь. Что касается перечисленных вертикальных сил, то в настоящее вре-
мя некоторые из этих сил с достаточной точностью установить трудно, поэтому
в случае эскизного проектирования приходится учитывать только три из назван-
ных вертикальных внешних сил (см. п. 1, 2 и 5). Эти три силы могут быть
представлены следующими двумя силами:
1) собственным весом водобойной плиты, рассчитываемым в предположении,
что бетон, образующий ее, взвешен в воде;
2) так называемым дефицитом давления, который выражается эпюрой давле-
ния в виде треугольника abc. Горизонтальный катет этого треугольника длиной
/0 следует располагать на уровне воды в нижнем бьефе. Вертикальный
катет са с некоторым приближением выражается зависимостью са=/гдеф шах =
= (0,6...0,7) (h2— he). Вершину b треугольной эпюры давления надо распола-
гать: а) при отсутствии в водобойной плите фильтрационных отверстий в точ-
ке ь' — в конце-водобоя; б) при наличии фильтрационных отверстий в водобой-
ной плите—на вертикали, проведенной через второй ряд фильтрационных отвер-
стий (считая по течению).
288
На эти две внешние силы практически и следует рассчитывать устойчивость
водобойной плиты при рассмотрении эксплуатационного расчетного случая.
Сам расчет водобойной плиты (см. § 15.6) выполняют следующим образом.
Случай армированной водобойной плиты постоянной толщины d (d = const).
Такая плита может принимать растягивающие напряжения, причем она должна
работать как одно целое жесткое тело. Для обеспечения нормальных условий,
работы такой плиты необходимо, чтобы вертикальное нормальное напряжение
(Ту в точке М (см. рис. Б.З), передающееся-от плиты на грунт, было сжимающим
(т. е. плита в этой точке прижималась бы к грунту).
Исходя из расчетной схемы, приведенной на рис. Б.З и используя теорию
внецентренного сжатия, можно показать, что толщина d плиты, обеспечивающая
в точке М нормальное напряжение <т!/=0, равна
, d — (2,0 — 10//вод) ТвДТб.взв ^дефтах)•
где /о, /вод и йдеф max—показаны на рис. Б.З; ув и вэв— соответственно уделв»
ные веса воды и взвешенного бетона.
Принимая ув=1>0 т/м3, Уб- ВЗВ-- 1,4 т/м3 и определяя ^деф шах по приведен-
ной выше формуле, получают для армированной плиты постоянной толщины
расчетную зависимость (дающую минимально допустимую толщину d):
d = (2 - /0//вод) 44- 0,7 (h2-hc) = 0,5 (2 - /0//В0д) (Л2- Лс) » 0,4 (2-
1,4 ,
“ /о/^вод) ^2-
При отсутствии в плите фильтрационных отверстий (когда /о=/вод) мини-
мально допустимое значение d«0,4 h2.
Задавая такую толщину армированной плиты (или с запасом несколько
большую), не опасаются отрыва ее от основания, а также и опрокидывания
относительно точки -V.
По конструктивным и строительным соображениям" (см. § 15.6)- d можно
назначать больше, чем дает приведенная выше зависимость.
Что касается расчета прочности рассматриваемой плиты (расчета ее арма-
туры), то здесь приходится в первом приближении также использовать теорию
внецентренного сжатия (строя в соответствии с этой теорией эпюру напряже-
ний, действующих на грунт, а следовательно, и эпюру реакций грунта). Имея
такую эпюру и эпюру дефицита давления (см. рис. Б.З), для рассматриваемой
плнты легко можно построить эпюры изгибающих моментов и перерезывающих
• сил, необходимые для расчета арматуры.
Случай неармированной водобойной плиты постоянной толщины. Такую пли-
ту приходится рассчитывать на устойчивость, анализируя возможность ее всплы-
вания. При этом' учитывают условие, которое должно быть выдержано в любом
вертикальном сечении водобоя
‘Л’б.взвЛ/гдёФТв) > 1.1 или d/Лдеф^ 1,1 -1,0/1,4 = 0,8,
откуда минимальная допускаемая толщина плиты в данном вертикальном сече-
нии d = 0,8 Лдеф.
ЧВ точке М имеется максимальный дефицит давления /гДСф max’, толщина пли-
ты в этом месте должна быть наибольшая и равная (из условия невсплывания)
d = 0,8 (0,6.. .0,7) (hz — hc) = (0,48.. .0,56) (h2 — hc) « 0,4/i2.
5. Определение предельной длины рисбермы (неукороченной). В соответствии
с графиком на рис. 4.14 общая длина крепления нижнего бьефа (считая от сжа-
того сечения 1—1 на рис. Б.З), найденная из условия, чтобы в ее койце коэф-
фициент размывающей способности k был равен единице, получается /креп-п- б =
=21/i2. Следовательно, предельная длина рисбермы /рисб — /креп. и. б — /вод—-
= 21/г2—5,5 Л2« 15,5 Л2, где /вод —длина водобоя, найденная выше. Такая длина,
рисбермы относительно большая; в практике /креп- н- б-^ 12 h2, т. е. /рисб^6,5 /12,
откуда видно, что практически, намечая предельную длину рисбермы, мы все
же идем на некоторый небольшой размыв за ней.
Следует учитывать, что кривые, приведенные на рис. 16.14, асимптотически
приближаются к горизонтальной оси координат; поэтому теоретически предель-
ная длина рисбермы равна бесконечности. Принимая предельную длину рисбер-
19 Р. Р. Чугаев 289
мы:
А — плита рисбермы; M—N — мгновенная пьезо*
метрическая линия, отвечающая поверхности рис-
бермы (в некоторый момент времени); В — эпю-
ра давления воды на плиту А; 1 — дренаж; 2 —
воображаемый пьезометр (уровень воды в нем^на
линии 1—1).
мы, конечным значением прене-
брегаем Ak = (йпр—1,0), где йпр—
действительное значение коэффи-
циента размывающей способности
k, отвечающее концу рисбермы.
Таким образом, предельная дли-
на рисбермы будет зависеть от
того значения Д/г, которым мы в
данных условиях сочтем возмож-
ным пренебречь.
6. Определение крупности
камня («диаметра» камня d), вы-
полняющего поверхность рисбер-
мы предельной длины. Расчет
крупности камня, выполняющего
рисберму, ведется, как пояснялось
в § 16.7. Практически приходится
вводить некоторый запас в зна-
чения, полученные расчетом, при-
чем самую крупность камня сле-
дует изменять вдоль рисбермы не
непрерывно, а «скачками».
В конце рисбермы- предельной
длины всегда получают относи-
тельно малый диаметр d материа-
ла крепления, т. е. для конца рис-
бермы будут иметь в качестве
крепления относителеьно мелкий
камень, а иногда гравий или да-
же песок. В связи с этим в конце
рисбермы у нас собственно может
иметь место в некоторых случаях
не крепление, а замена естествен-
ного грунта некоторым искусст-
венным грунтом, образованным
более крупными фракциями. Тол-
щину таких слоев искусственного грунта приходится назначать по конструктив-
ным соображениям. '
Что касается толщины слоев камня, то эта толщина должна быть равна
или более (3...4)d. Наиболее крупные камни будут получаться в начале рисбер-
мы. Часто с экономической точки зрения бывает выгодно на участке рисбермы,
где крупность камня по расчету больше 0,25...0,30 м, устраивать рисберму в
виде бетонных плит.
7. Определение размеров плит рисбермы. На рассматриваемую плиту
А рисбермы должны действовать следующие вертикальные силы (рис. Б.4, а):
1) собственный вес плиты во взвешенном' состоянии; 2) давление воды, выра-
жаемое эпюрой В (рис. Б.4, а); 3) реакция дренажного слоя, на котором распо-
лагается плита.
Согласно предложенному Е. Д. Кадомским способу, упомянутая эпюра В
давления воды на плиту А строится следующим образом:
а) линию MN, ограничивающую сверху эпюру мгновенного гидродинамиче-
ского давления воды, действующего на поверхность рисбермы сверху, принима-
ют в виде синусоиды, причем считают, что гребни волн рассматриваемой вол-
новой нагрузки (обусловленной пульсацией гидродинамического давления) с
некоторой скоростью перемещаются вдоль рисбермы; в связи с этим при ра-
счете плиты А выбирают такое положение волн пульсирующей гидродинамиче-
ской нагрузки по отношению к плите А, которое будет отвечать наиболее опас-
ным условиям загружения данной плиты;
б) пьезометрическую линию 1—1, ограничивающую сверху эпюру давления
воды, действующей снизу на плиты рисбермы, принимают в виде горизонталь-
290
ной прямой, расположенной на уровне воды нижнего бьефа; считают дополни-
тельно, что уровень воды нижнего бьефа 1 — /в связи с восстановлением кине-
тической энергии вдоль рисбермы стоит выше уровня воды, находящейся на!
рисберме (см. линию 2—2), на 0,5hv^0,5v2/(2g), где v — средняя скорость дви-
жения воды на рисберме. , ’
Под действием суммарной силы, выражаемой эпюрой В, рассматриваема»
плита А может потерять свою устойчивость: один конец этой плиты может при-
подняться, после чего плита легко выскользнет из той «ячейки», в которой она
находится.
Имея в виду такой характер нарушения устойчивости плиты рисбермы, со-
ставляют уравнение моментов внешних снл, действующих на плиту относитель-
но крайней точки а (см. рис. Б.4, а). Предполагая, что момент собственного веса
взвешенной плиты должен быть в k раз больше момента силы мгновенного
гидродинамического давления, выражаемого эпюрой В, Е. Д. Кадомский и на-
ходит необходимую толщину плиты d, обеспечивающую достаточную ее устой-
чивость на вращение относительно точки а:
а = й(Е6-[-О,5/гт)ДТб-1).
где k — коэффициент запаса, fe=l,25; ус— относительный удельный вес бетона,
Уб=2,3; 6 — расчетная высота отрицательной полуволны (см. рис. Б.4, а), кото-
рая в соответствии с данными Н. А. Преображенского может быть выражена
формулой
' / х Зл- • \ *
6= 1,1320/ ——у x//iKl,
\ hK J
где Zo превышение уровня воды верхнего бьефа над поверхностью тран-
зитной струи в сжатом сечении; х — расстояние от сжатого сечения до рассмат-
риваемой плиты рисбермы; hK — критическая глубина; F— коэффициент
(рис. Б.4, б), зависящий от отношений L/l; L—длина плиты рисбермы (изме-
ренная вдоль течения); I — длина полуволны (см. рис. Б.4, а), согласно данным
Д. И. Кумина, /«2 hK.
График на рис. Б.4, б составлен в предположении, что линия MN является
синусоидой. При выводе приведенной выше формулы для d предусматривалось
наиболее невыгодное расположение гребня волн относительно рассматриваемой
плиты рисбермы.
Что касается прочности армобетонных плит рисбермы, то в соответствии с
описанной выше работой их Е. Д. Кадомский предлагает рассчитывать верхнюю
и нижнюю арматуру этих плит (в обоих направлениях) на изгибающий момент
М= ±0,416 6А2/8, нижнюю арматуру (в обоих направлениях) дополнительно
проверять на изгибающий момент Л4"=Е6£2/8, где находят, как было указано
выше, a F берут по кривой н,а рис. Б.4, б, предполагая, что по горизонтальной
оси графика вместо L/Z отложены значения L/21.
8. Расчет концевого крепления в случае «укороченной» рисбермы. Замеча-
ния о выборе окончательной конструкции рисбермУ. Данный расчет сводится к
установлению глубины воронки размыва или глубины ковша. Глубину воронки
размыва н глубину ковша рассчитывают, как то описано в .§ 16.7. Задаваясь
различными длинами хо (см. рис. 16.15 и 16.17), для каждой такой длины мо-
жем найти (см. § 16.7) глубину воронки размыва или глубину ковша (с предо-
хранительным откосом определенной пологости). Зная глубину вбронки размы-
ва, можно наметить глубину концевого зуба укороченной рисбермы. В резуль-
тате соответствующей конструктивной разработки, проведенной на основании
данных расчета, можно составить ряд вариантов рисбермы, отличающихся друг
от друга Хо н конструкцией концевого крепления. ,
Все, эти варианты при выборе окончательной конструкции следует сравни-
вать между собой в техниксь-экономическом отношении.
19*
291
§ Б.З. Расчет устройств нижнего бьефа в случае гладкого
сопряжения сливной поверхности с поверхностью водобоя
при наличии гасителей анергии (основание нескальное)
1. Гасители энергии простейшего типа (колодцы, водобойные стенки). В
курсе гидравлики подробно поясняется, как рассчитывают габариты этих гаси-
телей (глубину колодца и длину колодца, высоту стенки). В результате такого
гидравлического расчета получают различные варианты простейших гасителей
энергии, которые в дальнейшем необходимо сравнивать в технико-экономиче-
ском отношении. ' ।
При проектировании водобойных колодцев следует обращать внимание на
то, чтобы плита, образующая дно колодца, не была приподнята давлением воды
снизу (в связи с наличием некоторого дефицита давления, обусловленного по-
нижением уровня воды в районе сжатого сечения). За водобойной стенкой по-
лучают затопленный прыжок, характеризуемый определенной степенью затопле-
ния А. Крепление русла за этим прыжком практически следует рассчитывать
так же, как и в случае, описанном в предыдущем параграфе. При наличии
водобойного уступа (рис. Б.5) по выходе потока из водобойного колодца полу-
чают участок русла АВ, который может быть назван послеводосливным участ-
ком. На длине этого участка наблюдается в качественном отношении та же
картина, что и на послепрыжковом участке: деформация эпюры ос_редненных
скоростей, повышенная пульсация актуальных скоростей, повышенная пульса-
ция гидромеханического давления.
Вопрос о длине, на которой затухают все эти явления, в количественном -
отношении мало изучен, поэтому в настоящее время достаточно трудно дать
обоснованны^ рекомендации для назначения длины и мощности крепления в .
пределах послеводосливного участка.
Ориентировочную длину крепления в данном случае можно считать /Нр®<
~ (4...12) hB, где ha — см/на рис. А.5.
2. Специальные гасители энергии (в виде пирсов и зубьев). Диссипативные
и регулирующие гасители энергии (см. § 15.5) устанавливают на водобое, от-
метку поверхности которого определяют, как было рассмотрено, в предыдущем
параграфе. В результате действия таких гасителей значение коэффициента раз-
мывающей способности русла k несколько снижается (см. § 16.7), при этом
длина рисбермы и ее мощность уменьшаются. Степень этого уменьшения в дан-
ном случае можно установить расчетом, исходя из тех данных, которые были
приведены в § 16.7.
В. большинстве случаев применяют реактивные гасители энергии. Они позво-
ляют поднять поверхность водобоя на ао (рис. Б.6), сохранив при этом необхо-
димую степень затопления прыжка.
Если степень затопления прыжка А = 1,1 при отсутствии гасителей обеспечи-
вается некоторой глубиной h2 за прыжком (рис. 5£,а), то эта же степень затоп-
ления прыжка (А= 1,1) при наличии гасителей будет обеспечиваться меньшей
глубиной воды за гасителями, равной eh2, где коэффициент уменьшения затоп-
ляющей глубины е<1, причем .(рис. Б.6, б) ao=h2—е/г2.
Реактивные гасители (см. § 15.5) уменьшают так называемую затопляющую
глубину, что позволяет при заданной отметке УНБ снизить объем землянцх работ
1кр
по устройству выемки за плотиной, а
также уменьшить высоту самой пло-
тины (измеренную в нижнем бьефе);
при этом стоимость плотины, конеч-
но, уменьшится.
Рассмотрим расчеты, связанные
с устройством только реактивных га-.
сителей энергии.
Определение отметки поверхности
Рис. Б.5. Крепление 1 на послеврдослив- - зодобоя. Основываясь на лаборатор-
ном участке. ных исследованиях, Д. И. Кумин
292
Рис. Б.6. К расчету устройств нижнего бьефа при наличии гасителей (основание
нескальное):
а — водобой без гасителей; б — водобой с гасителями.
утверждает, что с помощью гасителей энергии Затопляющую глубину можно
уменьшить на 20...30 %. Принимая такую степень снижения затопляющей глуби-
ны, видим, что коэффициент е=0,80...0,70.
Найдя глубину h2, как было пояснено в предыдущем параграфе (ом. п. 2),
далее вычисляют а0=Й2— ей,, а затем и отметку поверхности водобоя
- ^вод.с гас = ^вод.без гаоЧ"^0* *
Определение размеров водобойной плиты. Длину водобойной плиты в рас-
сматриваемом случае определяют, как и в предыдущем параграфе; дополнительно
учитывают, что в пределах водобойной плиты должны разместиться проектируе-
мые гасители энергии. В данном случае искомую толщину плиты d следует нахо-
дить не из рассмотрения устойчивости плиты на всплывание или приподнятие
одного ее конца, а из рассмотрения устойчивости плиты на сдвиг горизонтальной
силой F, которая приложена со стороны потока к гасителям, составляющим одно
целое с плитой.
Рассматривая устойчивость водобоя на сдвиг, помимо упомянутой силы F,
учитывают внешние силы, действующие на водобой: собственный вес плиты во-
добоя, взвешенного в воде, Свод вертикальное давление воды на водобой Do (де-
фицит давления.
В соответствующих случаях при выполнении поясняемого расчета необхо-
димо учитывать еще дополнительные силы: горизонтальное н вертикальное
динамическое давление льда на гасители, возникающее при сбросе льда
через плотину; вертикальное давление воды на гасители; собственный вес гаси-
телей; пассивный отбор плиты рисбермы и грунта, действующий на низовой то-
рец водобойной плиты, и т. п. Однако ниже в приближенных расчетах эти силы не
учитываются.
Проверку устойчивости водобоя на сдвиг приходится выполнять в отношении
двух возможных поверхностей сдвига:
1) горизонтальной плоскости, являющейся границей между плотиной
и уложенным Под ней дренажем, при этом коэффициент трения можно принимать
/=0,5;
2) горизонтальной плоскости, являющейся границей между обратным фильт-
ром и грунтом основания, считая, что вместе с плитой может быть сдвинут и
дренаж (в состав которого входит обратный фильтр); коэффициент трения при
этом следует принимать в зависимости от рода грунта основания; к весу плиты
водобоя следует прибавить вес дренажа (взвешенного в воде). Коэффициент за-
паса устойчивости на сдвиг йСдв=КСВОд—Do)/F; минимальное допустимое значе-
ние его можно считать £Сдв min —1,3.
Чтобы воспользоваться для расчета d приведенной формулой, необходимо
знать помимо силы Свод еще силы F и Do. Значение Do не может быть установле-
но достаточно точно. В первом приближении Do можно определить так же, как
и при отсутствии гасителей (см. § Б.2), принимая условно, что йДВфтах=
= (0,7...0,6) (е/12^Лс).
Сила F может быть теоретически установлена только в случае, когда прыжок
находится в сжатом сечении (а не является затопленным). При расположении
прыжка в сжатом сечении сила F——R, где/?— горизонтальная реакция гасите-
293
лей энергии, которая, как известно, может быть представлена в виде разности
прыжковых функций, вычисленных для сечений 1—1 и 2—2 (см. рис. Б.6, б).
F = [П (hc) — П (e/i2) ув = [П (/12) — П (e/i2)l Ув.
где прыжковая функция
n(h) = q*/(gh) + h*/2,
причем в этой зависимости под h следует понимать соответственно hc, е/г2 и hi—
Найденную таким образом силу F и следует учитывать при проверке устой-
чивости водобоя. Приведенная зависимость дает запас в силе F (когда прыжок
затоплен на 5...10 %).
Замечания о расчете рисбермы. Практически рисберму вместе с <концевым»
устройством приходится рассчитывать, руководствуясь рекомендациями, приведен-
ными в предыдущем параграфе. Дополнительно учитывают замечания, сделанные
в § 16.7, п. 1, где говорилось об уменьшении коэффициента размывающей способ-
ности русла k с помощью гасителей энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Айрапетян Р. А. Проектирование каменно-набросных и каменно-земляных
плотин. М., 1968. •
2. Большие плотины СССР. М.—Л., Госэнергоиздат, 1962.
3. Володенков П. И. Технические условия по возведению земляных сооружений
способом отсыпки грунта в воду. Л., 1967.
4. Гаджиев А. Б. Деформационные швы гидросооружений. Л., 1.969.
5. Гидротехнические сооружения/Васильев И. А. и др. Под ред. Розанова Н. П.
М„ 1978.
6. Гидротехнические сооружения комплексных гидроузлов/Под ред. П. С. Непо-
рожнего. М., 1973.
7. Гидротехнические сооружения/Под ред. Гршиина М. М. М., 1979. '
8. Данелия Н. Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными на-
носами. М., 1964.
9. Евдокимов П. Д. Прочность оснований и устойчивость гидротехнических
сооружений на мягких грунтах. Л., 1956. «
10. Мелентьев В. А., Колпашников Н. П., Волнин Б. А. Намывные гидротехничес-
кие сооружения. М., 1973.
11. Методы расчета устойчивости и прочности гидротехнических сооружений (же-
лезобетонные сооружения на нескальных основаниях)/Под ред. Гриши-
на М. М. М„ 1961 и 1966,-
12. Можевитинов А. Л. Статический расчет высокой бетонной плотины (методи-
ческое указание). Л., 1968.
13. Можевитинов А. Л. О статическом расчете нейлонового затвора водосливной
плотины. Ин. сб. № 21. М., 1961.
14. Моисеев С. Н. Каменно-земляные и каменно-набросные плотины. М.т-Л., 1970.
15. Моисеев С. И., Моисеев И. С. Каменно-земляные плотины. М., 1973.
16. Полонский Г. А. Механическое оборудование и металлические конструкции
гидротехнических сооружений и их монтаж. М., 1967.
17. Панченко С. Н. Альбом проектов деформационных швов гидротехнических
сооружений. М.—Л., 1969.
18. Праведный Г. X. Рекомендации по проектированию обратных фильтров гид-
ротехнических сооружений. Л., 1981.
19. Радченко В. Г., Заирова В. А. Каменно-земляные и каменно-набросные пло-
тины. Л., 1971.
20. Чугаев Р. Р. Земляные гидротехнические сооружения (теоретические основы
расчета). Л., 1967.
21. Чугаев Р. Р. Плотины из местных материалов (курс лекций). Ч. L Л., 1968.
22. Чугаев Р. Р. Указания по расчету устойчивости земляных откосов. М., 1971.
23. Чугаев Р. Р. Подземный контур гидротехнических сооружений (проектирова-
ние подземных частей плотин на нескальном основании). М„ 1974.
24. Чугаев Р. Р„ Дерюгин Г. К. Рекомендации по гидравлическому расчету во-
досливов. Ч. I. Прямые водосливы. Л., 1974.
25. Чугаев Р. Р., Дерюгин Г. К. Рекомендации по гидравлическому расчету водо-
сливов. Ч. II. Косые, боковые, криволинейные и кольцевые водосливы. Л., 1976.
295
26. Чугаев Р. Р. Руководство по проектированию и расчету подземного "контура
плотин на нескальном основании и их сопрягающих устоев. Л., 1978.
27. Чугаев Р. Р. Гидравлика. Л., 1982.
28. Юфин А. П. Гидромеханизация. М., 1965.
29. СНиП П-7—81. Строительство в сейсмических районах. Нормы проектиро-
вания. Госстрой СССР, М„ 1982.
30. СНиП II-А. 10—71. Строительные конструкции н основания. Основные поло-
жения проектирования. Госстрой СССР. М., 1972.
31. СНиП 11-13—83. Плотины из грунтовых материалов. Нормы проектирования.
Госстрой СССР. М., 1983. ,
3?. СНиП П-50—74. Гидротехнические сооружения речные. Основные положе-
ния проектирования. Госстрой СССР. М., 1975.
33. СНиП П-15—74. Основания зданий н сооружений. Госстрой СССР, М., 1975.
34. СНиП П-52—74. Сооружения мелиоративных систем. Нормы проектирования.
Госстрой СССР. М., 1975.
35. СНиП П-57—75. Нагрузки н воздействия на гидротехнический сооружения
(волновые, ледовые и от судов). Госстрой СССР. М., 1975.
36. СНиП Ш-8—76. Земляные сооружения. Правила производства и приема
работ. Госстрой СССР. М., 1976. ' .
.37. СНиП II-16—76. Основания гидротехнических сооружений. Нормы проекти-
рования. Госстрой СССР. М., 1977.
38. СНиП П-54—77. Плотины бетонные и железобетонные. Нормы проектнрова-
ния. Госстрой СССР. М.-, 1977.
39. СНиП П-56—77. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических
сооружений. Госстрой СССР. М., 1977.
40. СН 435—72. Указания по определению расчетных гидрологических характе-
ристик. Госстрой СССР. М., 1972.
41. СН 238—73. Указания по проектированию гидротехнических туннелей. Гос-
строй СССР. М., 1973.
42. ГОСТ 4781—55*. Сталь прокатная для шпунтовых свай. М., 1972.
43. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений.
Водоприемники с открытым водозабором деривационных гидроэлектростанций.
Л,—М., 1949.
44. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений..
Отстойники гидроэлектростанций. Л.—М., 1949.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Активная зона фильтрации 92
Анкеры 52
Арматура 145
Армобетонные плиты 44
Асфальтовые ядра 131
Аэрация потока 30
Банкет 260
Бифуркация потока 244
Вибрация сооружения 30
Водоадбор бесплотинный 238, 242
— боковой с отстойниками и про-
мывными галереями 252
— машинный 239 w
— плотинный 237, 238, 249
— системы А. В. Троицкого 252
— с прямоточными промывниками
252
— с отстойным карманом 250
— ферганского типа 251
— фильтрацинный 239
, — шпориый 238
Воздухообдув обшивки 200
Воронка размыва 23, 26, 31, 48, 53,
72
Выпор 74, 104
Габионы 46
Гасители энергии 29, 34, 36
Градиент напора критический 102,
103 -
Глубины затопляющие 37
Давление гидродинамическое 136
— гидромеханическое 135 1
— гидростатическое 135, 137
— пассивное 138
— льда динамическое 139
---статическое 139
Дефицит давления 43
Диафрагмы металлические 131
— резиновые 131
Длина крепления предельная 31
— отстойной камеры 231
Дренаж вертикальный 75, 132
— горизонтальный 74, 78
Затворы катковые 162
— колесные 162
— с водо- и лесосбросным клапаном
170
— сдвоенные 168
— секционные 170
— скользящего трения.161
— опускные 155, 170
Затор аккумуляционный 13, 14
— вынужденный 13
Зубья бетонные 85
Каменная мостовая 46
— наброска 47
Ковш 47; 72
Колодец водобойный 34
---комбинированный 35
— дренажный 88
Коэффициент вертикального расши-
рения струи 55
Ледопропускная способность 10
Линии равного напора 99
Лопасти наносонаправляющие 248
f
Мосты служебные 151, 195
Метод коэффициентов сопротивле-
ний 91, 93
— удлиненной контурной линии 98
— контролирующего градиента 100
Механизмы подъемно-опускные 151,
178, 187, 191
Мутность воды 218
297
Напряжения в бетоне 144, 145
Носок-расщепитель 41
Откос предохранительный 50, 72
Открылки верхорые 118
— низовые 119
Отстойники деривационных гидро-
электростанций 202
— двухкамерные 224
— ирригационные 221
— многокамерные 224
— однокамерные 224
— системы Дюфура 229
---Д. Я. Соколова 230
Перемычки 271
Пирсы 38
Плотина арочная 207
— водосливная 15
— водоподъемная 237, 238
— глухая бетонная 15
— деревянная 210
— контрофорсная 204
— облегченная массивная 204
Подошва плотины 86
Пол-трамплин 48
Понур 79
Послепрыжковый участок 31 *
Пороги зубчатые 39
Прием водопропускных отверстий с
постоянным порогом 266
— гребенки 261
— перекрытия русл с помощью кес-
сонов 267
Простенки королевые 212
Противодавление 73, 74, 75, 91, 95,
136
Прочность грунта казуальная 74, 120
---нормальная 74, 100
Профиль безвакуумный 16
— вакуумный 16
— Кригера-Офицерова 17
— начальный 16
— окончательный 16
Прыжок гидравлический затоплен-
ный 53 w
Размывающая способность потока
28, 68
Размыв дна безопасный 31
---опасный 31
Растекатели 39
Ригели 157, 158
Рисберма 31, 42, 44
Ряжи 46
Сбойность потока 65
Свайный ряд королевый 214
----понурный 214
Способ перекрытия русл кессонный
272, 273
------пойменный 273
------поперечными перемычками
272, 273
------секционный 270, 273
Стенка водобойная 35
Стойки 1-57, 159
Суффозия внешняя 73, 106
— внутренняя 73, 106
— химическая 106
Транспортирующая способность во-
ды 219
Тюфяки фашинные 46
Угол отвода 243, 244
Уплотнения затворов 164, 179, 183,
195, 196
— контурные 132
Устройства нижнего бьефа 29
— концевые 31
У стои 5
— комбинированные 115
— раздельные 113
— с косыми плоскостями 115
— с обратными стенками 113
— сопрягающие ИЗ
— с откосными крыльями 115
У ровень нормальный подпорный 5
— форсированный — 5 ’
Фильтрация безнапорная 89
— контактная 121
— плановая 121
- Флютбет 31
— воображаемый 123
Шарниры опорные 175, 176
Шашки 38
Шероховатость искусственная 37, 39,
45
Шлюз головной 244, 245, 247
Швы деформационные несквозные
126, 130 '
----сквозные 126, 130
Шпора 48, 238, 249
Шпунт 81
Шпунтовый ряд 81, 84
Шугосброс 81, 257
Эрозия кавитационная 24, 26, 30, 38
298
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ......................................................... 3
РАЗДЕЛ IV
ГРАВИТАЦИОННЫЕ БЕТОННЫЕ ВОДОСЛИВНЫЕ ПЛОТИНЫ НА
СКАЛЬНОМ И НЕСКАЛЬНОМ ОСНОВАНИЯХ
Глава 13. Водосливной фронт плотины . .................. 4
§ 13.1. Классификация отверстий водосливных плотин .... 4
§ 13.2. Предварительное назначение ширины водосливного фронта
плотины ........................................................ 5
§ 13.3. Предварительное определение отметки гребня водосливной
плотины....................................................' . 8
§ 13.4 Выбор окончательной ширины водосливного фронта и отметки
гребня плотины ............................................... 9
§ 13.5. Пропуск льда через плотину..............................10
Глава 14. Поперечное сечение тела бетонной гравитационной водослив-
ной плотины....................................................". 15
§ 14.1. Классификация водосливных плотин ......................15
§ 14.2. Начальный профиль безвакуумной водосливной стенки нор-
мального очертания, имеющей гладкое сопряжение с дном
нижнего бьефа..................................................17
§ 14.3. Преобразование начального профиля безвакуумной водослив-,
ной стенкн в окончательный . ...................20
§ 14.4. Безвакуумная водосливная стенка нормального очертания с
низким уступом.................................................21
§ 14.5. Безвакуумная водосливная стенка нормального очертания с
высоким уступом . . .- . . . . ..................23
§ 14.6. Вакуумная водосливная стенка, имеющая гладкое сопряже-
ние с дном нижнего'бьефа .....................................23
§ 14.7. Области применения рассмотренных водосливных стенок . 25
§ 14.8. Замечания о кавитационной эрозии, бетона и конструкции
сливной поверхности плотины .................................. 26
§ 14.9. Порядок проектирования профиля водосливной плотины . 28
Глава 15. Нижний бьеф, назначение, конструкция и условия работы . 28
§ 15.1. Общие сведения.......................................28
А. Случай плотины на нескальном основании............................31
§ 15.2. Основные элементы нижнего бьефа........................ 31
§ 15.3. Проектирование крепления нижнего бьефа..................33
§ 15.4. Гасители энергии простейшего типа.......................34
§ 15.5. Специальные гасители энергии............................36
§ 15.6. Водобой . ... -...................................' . 42
299
§ 15.7. Рисберма .........................................44
§ 15.8. Концевое устройство рисбермы............47
§ 15.9. Крепление нижнего бьефа и нескальных берегов в пределах
водобоя и рисбермы................................................. 48 .
Б. Случай устройства плотины на скальном основании ......................51
§ 15.10. Проектирование устройств-нижнего бьефа.. . . . . 51
Глава 16. Исходные данные и основные положения гидравлического
расчета нижнего бьефа ...........................................53
§ 16.1. Общие сведения...........................................53
§ 16.2. Кривые связи уровней и расходов воды нижнего бьефа в ус-
ловиях установившегося движения воды . 57
§ 16.3. Исходные данные и основные параметры и размеры устройств М
нижнего бьефа....................................................57
§ 16.4. Эксплуатационный график маневрирования затворами . . 58
§ 16.5. Особенности движения- воды в нижнем бЬефе............... 65
§ 16.6. Размывающая способность потока в пределах послепрыжко-
вого участка.................................................> 68
Глава 17. Подземные части плотин на нескальном основании ... 73
§ 17.1. Общие сведения ......................................... 73
§ 17.2. Принципиальные схемы подземного контура плотин ... 74
§ 17.3. Основные элементы подземной части плотины. Устройство вы-,
хода фильтрационного потока в нижний бьеф 79
§ 17.4. Подготовка поверхности основания. Контактная фильтрация 88
§ 17.5. Фильтрационный расчет подземного контура при заданных
отметках горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах . . 90
§ 17.6. Расчет казуальной фильтрационной прочности основания
плотины..........................................................99
§ 17.7. Проверка нормальной фильтрационной прочности грунта
основания ....................................................Ю4
-Глава 18. Быки н устои бетонных плотин. Постоянные деформационные
швы...................................................................107 •
А. Быки плотин....................................................... 107
§ 18.1 . Общие сведения..........................................107
§ 18.2 . Замечания о конструкции быков и их статическом расчете . 111
Б. Устои бетонных плотин . ИЗ
§ 18.3 . Общие сведения...........................................ИЗ
§ 18.4 . Типы бетонных сопрягающих устоев.........................ИЗ
§ 18.5 . Выбор типа устоя. Проектирование внешнего контура устоя . 116
§ 18.6 . Замечания о проектировании внутренней поверхности устоя . 120
§ 18.7 . Расчет фильтрации в обход устоя и казуальной фильтрацион-
ной прочности засыпки пазухи устоя . . ................121
§ 18.8 . Замечания о статическом, расчете береговых устоев . . . 124
§ 18.9 . Дополнительные замечания о конструкции устоя . . . . 125
В. Постоянные деформационные швы плотины..............................126
§ 18.10. Общие сведения...........................................126
§ 18.11. Схемы разрезки плотины деформационными швами . . . 127
§ 18.12. Форма и ширина постоянных деформационных швов . . . 130
§ 18.13. Уплотнение постоянных деформационных швов .... 131
Глава 19. Проверочные расчеты устойчивости и прочности гравитацион-
ных бетойных водосливных плотин .....................................135
§ 19.1. Общие сведения................... . ..............135
§ 19.2. Силы, действующие на водосливную плотину, расположенную
на нескальном основании........................................135
§ 19.3. Проверка устойчивости водосливной плотины на сдвиг ее по
нескальному основанию . . .'................139
§ 19.4. Общие сведения об армировании водосливных бетонных мас-
сивных плотин .................144
300
РАЗДЕЛ V
МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПЛОТИН
Глава 20. Общие сведения..........................................151
§ 20.1. Основные задачи инженера-гидротехника при проектировании
механического оборудования плотин........................151
§ 20.2. Схемы водосливных затворов......................... 152'
§ 20.3. Классификация водосливных затворов................154
§ 20.4. Общие условия работы водосливных рабочих затворов'. . 154
§ 20.5. Силы, действующие на затвор ..............................156
§ 20.6. Дополнительные сведения . . . ,.................156
Глава 21. Водосливные затворы, передающие давление воды на быки
или устои...............................................157
§ 21.1. Обычный плоский металлический затвор . ..........157
§ 21.2. Плоские металлические затворы особого типа........168
§ 21.3. Шандоры ..................................................171
§ 21.4. Сегментный металлический затвор . . . . . . . . 173
§ 21.5. Вальцовый затвор..................................180'
•§ 21.6. Подъемно-опускные 'устройства затворов. Служебные мосты. 187
Глава 22. Водосливные затворы, передающие давление воды на гребень
плотины . ................................194
§ 22.1. Секторные зйтворы с низовой осью вращения . . . .. . 194
§ 22.2. Секторные затворы с верховой осью вращения............197
§ 22.3. Клапанные затворы . ..............198
§ 22.4. Мероприятия по обеспечению нормальной работы затворов в
зимнее время................................................ 199
§ 22.5. Тканевые, затворы......................................... 201
РАЗДЕЛ VI
ВОДОСЛИВНЫЕ ПЛОТИНЫ, ОТЛИЧНЫЕ ОТ ГРАВИТАЦИОННЫХ
БЕТОННЫХ МАССИВНЫХ ПЛОТИН. СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПЛОТИНАХ.
РЕЧНЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
Глава 23. Виды водосливных плотин. Замечания о специальных соору-
жениях, устраиваемых при плотинах . . ,....204
.§ 23.1 . Бетонные плотины облегченные массивные, контрфорсные и -
арочные ...................................................... 204
§ 23.2. Деревянные плотины................................. . 210
§ 23.3. Другие виды плотин...................................215-
§ 23.4. Специальные сооружения, создаваемые при плотинах . . . 218
Глава 24. Отстойные бассейны . . . .................218
§24.1. Общие сведения о взвесенесущих потоках............... 218
§ 24.2. Общие сведения об отстойниках........................220
§ 24.3. Схема работы обычного отстойника.....................222
§ 24.4. Классификация отстойников............................223
§ 24.5. Устройство отстойника с периодическим промывом и условия-
его работы................................................... 225
§ 24.6. Устройство отстойника с непрерывным промывом и условия
его работы................................................... 229
§ 24.7. Общие сведения о проектировании и расчете отстойников . 230
Глава 25. Речные водозаборы . 237
§ 25.1. Общие сведения............................................237
§ 25т2. Виды водозаборов................................. .... 238
§ 25.3. Классификация основных видов бесплотинных и плотинных .
речных водозаборов..................’ ........240
А. Бесплотинные водозаборы................. . .............242
§ 25.4. Бесплотинный водозабор с боковым отводом воды .... 242
§ 25.5. Бесплотинный фронтальный водозабор '.................'249
Б. Плотинный водозабор . . ............................... . 249
§ 25.6. Выбор створа плотины..................................249
§ 25.7. Схемы плотинных фронтальных водозаборов...............250
§ 25.8. Схемы плотинных водозаборов с боковым отводом воды . 252
§ 25.9. Донные решетчатые водозаборы........................ 254
§ 25.10. Режим работы верхнего и нижнего бьефов реки при устрой-
стве плотинного водозабора. Шугосбросы . .; . . . . 254
РАЗДЕЛ VII
-ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ. КОМПОНОВКА ПЛОТИН-
НЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Глава 26. Пропуск речных вод через створ гидроузла в период строитель-
• ства..................... . . . ...................258
§ 26.1. Общие сведения .........................258
§ 26.2. Расчетные строительные расходы воды..................' 259
§ 26.3. Приемы перекрытия русл рек в период строительства гидро-
узла .........................................................259
§ 26.4. Стеснение русла реки перемычками ..................../ 268
§ 26.5. Пропуск строительных расходов через створ гидроузла в пе-
риод строительства .......................................... 270
§ 26.6. Выбор способ^ пропуска строительных расходов через створ
гидроузла.....................................................273
§ 26.7. Дополнительные сведения о перемычках..................274
Гл а в а 27. Компоновка плотинных гидроузлов на реках..............274
§ 27.1. Общие сведения..................................... '274
§ 27.2. Компоновка плотинных гидроузлов ....................275
§ 27.3. Дополнительные замечания к вопросу о компоновке сооруже-
ний ......................................................... 283
Приложение Б. Расчеты гравитационной бетонной водосливной плотины . 285
§ Б.1. Определение экономически наивыгоднейшего значения удель-
ного расхода для водосливного фронта плотины на нескаль-
ном основании................................................285
§ Б.2. Расчет устройств нижнего бьефа в случае гладкого сопряже-
ния сливной поверхности с поверхностью водобоя при от-
сутствии гасителей энергии (основание нескальное) . . . 286
' §• Б.З. Расчет устройств нижнего бьефа в случае гладкого сопряже-
ния сливной поверхности с поверхностью водобоя при нали-
чии гасителей энергии (основание нескальное) 292
Литература. . « . . . ............................295
Предметный .указатель..............................................297
РОМАН РОМАНОВИЧ ЧУГАЕВ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
В двух частях
Часть II
ВОДОСЛИВНЫЕ ПЛОТИНЫ
Заведующий редакцией Б. А. Я г у п о в
Редактор Н. Н. Попова
Младший редактор Ю. П. Кочергина
Художественный редактор С. В. Соколов
Технические редакторы Н. В. Суржева, Т. Н. Меренкова
Корректоры Е. В. Шепелева, Т. М. Завгородняя
ИБ № 4910
Сдано в набор 27.05.85. Подписано к печати 14.0^85. Т-14102. Формат бОХЭО'Лв.
Бумага тип. № 3. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 191
Усл. кр.-отт. 19. Уч.-изд. л. 22,15. Изд. № 401. Тираж 15 000 экз. Заказ № 222.
Цена 1 р. 10 к.
Ордена Трудового Красного Знамени ВО «Агропромиздат», 107807, ГСП,
Москва, Б-53, ул. Садовая-Спасская, 18-.
Владимирская типография Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
600000, г. Владимир, Октябрьский пр., д. 7