Гидротехнические сооружения. Часть 2 - Гришин М.М., Воробьев Г.А., Слисский С.М., Антипов А.И., Иванищев В.Ф.

Автор: Гришин М.М. Воробьев Г.А. Слисский С.М. Антипов А.И. Иванищев В.Ф.

Теги: гидротехническое строительство гидротехника в целом отдельные виды строительства строительство строительное проектирование гидротехнические сооружения гидротехника

Год: 1979

Похожие

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

Приливные электростанции

Гидротехнические сооружения

Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Текст

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ
СООРУЖЕНИЯ
ЧАСТЬ 2
Под редакцией заслуженного деятеля
науки и техники РСФСР,
докт. техн, наук, проф. | М. М. Гришина |
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов
строительных специальностей
высших учебных заведений'.
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1979
ББК 38.77
Г46
УДК 626/627 (075.8)
| Гришин М. М. Слисский С. М., Антипов А. И.,
Воробьев Г. А., Иванищев В. Ф., Орехов В. Г.,
Пашков Н. Н., Поспелов В. Н., Рассказов Л. Н.
Рецензенты:
кафедра «Гидротехнические сооружения» Ленинградского
политехнического института (зав. кафедрой проф. А. Л. Можевитинов)
Гидротехнические сооружения (в двух частях). Ч. 2:
Г46 Учебник для студентов вузов/Под ред. | Гришина М. М.| —
М.: Высш, школа, 1979.—336 с., ил.
Авт. указ, на обороте тит. л.
В пер.: 1 р. 20 к.
В книге рассматриваются гидротехнические сооружения, общие для различных
отраслей водного хозяйства (гидроэнергетика, ирригация, водный транспорт, водо-
снабжение). Подробно освещаются водоподпорные сооружения, даются современные
методы расчетов и конструирования сооружений.
Г 30211-486 П8_79
001(01)—79
3302000000
6С7
ББК 38.77
© Издательство «Высшая школа», 1979
ПРЕДИСЛОВИЕ
Со времени выхода (1962) последнего издания учебника «Гидротехни-
ческие сооружения» докт. техн, наук, проф. |М. М. Гришина \ прошло не-
мало лет, в течение которых были построены крупнейшие гидросооружения
в СССР: Братская, Красноярская, Чиркейская, Токтогульская гидроэлектро-
станции и заканчивается строительство Нурекской, Саяно-Шушинской и дру-
гих с плотинами высоких напоров (до 300 м).
Решения XXV съезда КПСС и государственный план развития народ-
ного хозяйства СССР на десятую пятилетку наметили дальнейшее грандиоз-
ное строительство в стране, в том числе и гидротехническое.
Все это делает более ответственной задачу повышения уровня и качества
подготовки специалистов в области гидротехнического проектирования и
строительства, для которых и предназначается настоящий учебник. При напи-
сании его авторы учли опыт и достижения последних лет в науке и технике.
Учебник состоит из двух частей. В шести разделах второй части освеще-
ны вопросы,' связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией
гидротехнических сооружений различного назначения. Большое внимание уде-
лено проблемам расчета и конструирования гидротехнических затворов
(разд. III); по-новому излагаются вопросы проектирования водохранилищ и
охраны водной среды (разд. IV); должное внимание уделено специальным
гидротехническим сооружениям (судоходным, рыбопропускным, водозаборным
и т. п.) и пропуску через сооружения строительных расходов. Рассматрива-
ются водопроводящие сооружения (каналы, лотки, туннели), вопросы русло-
вой гидротехники и регуляционные сооружения (разд. VI и VII), особенности
технической эксплуатации и результаты исследований гидротехнических соору-
жений.
Гл. 18—21 написаны докт. техн, наук, проф. С. М. Слисским; гл. 22, 23—
канд. техн, паук, доц. В. Н. Поспеловым; гл. 24, 28 — канд. техн, наук, доц.
А. И. Антиповым; гл. 25 — докт. техн, наук, проф. | М. М. Гришиным | ; гл. 26—
27 — канд. техн, наук, доц. Г. А. Воробьевым; гл. 29, 30 — докт, техн, наук,
проф. ' М. М. Гришиным \ н канд. техн, наук, доц. Г. А. Воробьевым; гл. 31, 32
канд. техн, паук, доц. Н. Н. Пашковым.
В работе над отдельными главами и по технической подготовке руко-
писи книги принимал участие канд. техн, наук, доц. В. В. Малаханов.
Авторы приносят благодарность официальным рецензентам — препода-
вателям кафедры «Гидротехнические сооружения» Ленинградского ордена
Ленина политехнического института им. М. И. Калинина (зав. кафедрой
докт. техн, наук, проф. А. Л. Можевитинов) за их труд по просмотру ру-
кописи и сделанные замечания.
Авторы
РАЗДЕЛ HI
ЗАТВОРЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
ГЛАВА 18
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАТВОРАХ
§ 18.1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ
К механическому оборудованию гидротехнических сооружений
относят устройства и приспособления, перекрывающие водопро-
пускные отверстия и позволяющие регулировать уровень верхнего
бьефа и расход воды, пропускать или задерживать плавающие
тела.
Затворы представляют собой подвижные конструкции для пере-
крытия отверстий гидротехнических сооружений и регулирования
пропускаемого расхода воды.
Сороудерживающие решетки служат для защиты отверстий
от попадания в них плавающих тел.
Закладные части — конструкции, заделанные в тело сооружения
и предназначенные для направления движения затворов и решеток,
передачи давления от опорно-ходовых частей затворов на соору-
жение, для обеспечения водонепроницаемости в местах контакта
затвора с сооружением, обогрева этих контактов, защиты кромок
и поверхностей бетона от разрушения.
К механическому оборудованию относят также подъемно-транс-
портные механизмы для маневрирования затворами во время
их эксплуатации и монтажа, устройства для очистки решеток, ком-
пенсаторы и арматуру трубопроводов.
Насчитывается более ста видов затворов, и тем не менее разра-
батываются новые схемы и конструкции их. Затворы судоходных
шлюзов, обладающие по сравнению с затворами водопропускных
отверстий некоторыми особенностями, здесь не рассматриваются.
§ 18.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАТВОРОВ
1. Общая классификация затворов. В зависимости от положения
отверстия относительно уровня воды верхнего бьефа различают
затворы: а) поверхностные, предназначенные для перекрытия водо-
сливных отверстий; б) глубинные, служащие для перекрытия глу-
бинных отверстий. Глубинные затворы могут располагаться во вход-
ном отверстии, посередине или в конце водовода. Глубинные затво-
ры для напоров 50 м и более относят к высоконапорным затворам.
По эксплуатационному назначению затворы делят на: а) основ-
ные, постоянно используемые при эксплуатации сооружения;
4
б) ремонтные, предназначенные для закрытия отверстий на время
ремонта основного затвора или сооружения, расположенного за
затвором; в) аварийные — для перекрытия отверстия в случае ава-
рии, грозящей катастрофическими последствиями (например, раз-
рыв напорного трубопровода перед зданием ГЭС); отверстие
закрывают в условиях текущей воды; г) строительные — для пе-
рекрытия отверстий в период строительства сооружений.
Целесообразно совмещение функций затвора (аварийно-ремонт-
ные затворы), использование основных затворов в качестве и ре-
монтных, и строительных.
По материалу различаются затворы: а) стальные — наиболее
распространенные благодаря высокой прочности материала; сорт
стали выбирают в зависимости от условий работы затвора, назначе-
ния и способа изготовления того или иного его элемента; при этом
учитывают способ монтажа — сваркой или клепкой, влияние темпе-
ратуры воздуха (с понижением температуры до —40-4—65° С
у некоторых сортов стали ухудшается вязкость, и она может стать
хрупкой). Детали, у которых по условиям эксплуатации невозмож-
но восстанавливать антикоррозийное покрытие, изготавливают
из нержавеющих сталей; б) из алюминиевых сплавов, позволяю-
щих уменьшить массу затвора и поддерживающих конструкций,
грузоподъемность механизмов, а также увеличивающих стойкость
конструкций против коррозии; в) железобетонные, имеющие огра-
ниченное распространение ввиду значительной массы; применение
предварительно напряженных конструкций позволяет в значитель-
ной мере преодолеть этот недостаток; г) деревянные, используемые
преимущественно для перекрытия отверстий с напорами до 4—5 м,
пролетами до 3—4 м; д) тканевые — из тканей прорезиненных или
синтетических (нейлона, капрона, лавсана и др.).
По способу передачи давления воды на сооружение различают
затворы, передающие давление на быки и устои, на порог соору-
жения, на порог и быки (устои), на часть сооружения по перимет-
ру глубинного отверстия и не передающие давление воды на со-
оружение.
По режиму работы затворы бывают регулирующие, т. е.
приспособленные работать при частичном открытии, и нерегули-
рующие.
По характеру движения имеются затворы: перемещающиеся по-
ступательно; вращающиеся; перекатывающиеся; плавающие. Раз-
личают перемещение затворов поперек потока и вдоль потока.
За последнее время получили распространение затворы (сег-
ментные глубинные), имеющие помимо вращательного движения
при подъеме и опускании также движение поступательное для при-
жатия затвора к контуру отверстия в целях обеспечения герметич-
ности затвора. Имеется пример вкатывающегося вальцевого затво-
ра (при его всплывании).
Затворы перемещаются с помощью механизмов с электриче-
ским, гидравлическим или ручным приводом или могут быть водо-
5
действующими, т. е. использующими для перемещения силу давле-
ния воды.
2. Классификация поверхностных затворов. Основным признаком
затвора, определяющим характер его конструкции, является спо-
соб передачи давления воды на сооружение.
Различают следующие затворы, передающие давление на быки
и устои: а) плоские затворы и балочные заграждения (шандоры)
а — г — на быки и
Рис. 18.1. Типы поверхностных затворов
Передача давления на сооружения:
устои; д — н — на порог; о — р — на порог и быки; с — давление на
сооружение не передается
(рис. 18.1, а, б), их движение поступательное; плоские затворы на-
зывают иногда щитами, а съемные щиты пролетом 1 —1,5 м, высо-
той 0,7—1 м — щитками; б) сегментные, имеющие вращательное
движение (рис. 18.1, в); в) вальцовые, перекатывающиеся
(рис. 18.1, а).
Затворы, передающие давление воды на порог сооружения, бы-
вают: а) секторные, вращающиеся вокруг оси, расположенной
6
со стороны нижнего или верхнего бьефов (рис. 18.1, <3, е); б) кры-
шевидные, состоящие из двух щитовых полотнищ, вращающихся
на горизонтальных осях (рис. 18.1, ж); в) клапанные, состоящие
из одного полотнища, поворачивающегося на горизонтальной оси
(рис. 18.1, в); г) откатные, которые для закрытия отверстия выдви-
гаются из ниши в устое (рис. 18.1, и); д) затворы с поворотными
фермами, закрепленными на осях, расположенных вдоль потока
и устанавливающиеся для перекрытия отверстия в вертикальное
положение, после чего пролеты между фермами перекрываются
щитками или спицами (рис. 18.1, к); е) поворотные рамы, повора-
чивающиеся на осях, расположенных вдоль потока, непосредствен-
но закрывающие отверстие при вертикальном положении рам
(рис. 18.1, л); ж) подкосные в виде стоек с подкосом, пролеты меж-
ду которыми перекрываются плоскими щитками (рис. 18.1, .и);
з) мягкие, оболочка которых выполнена из ткани, заполняются они
водой или воздухом (рис. 18.1, н).
Затворы, передающие давление воды и на порог и на быки (ус-
тои), бывают: а) стоечно-плоские (мостовые) в виде спаренных
стоек, воспринимающих нагрузку от щитов, перекрывающих про-
леты между стойками; стойки опираются на порог и нижний пояс
моста (рис. 18.1, о); б) клапанные, вращающиеся (рис. 18.1, п);
в) плавучие (,батопорты), подводящиеся к отверстию на плаву
и для опускания, заполняемые водой (рис. 18.1, р).
Затворы откатные, поворотные рамы, плавучие, некоторые ви-
ды клапанных затворов являются нерегулирующими.
Кольцевые затворы не передают давление воды на сооружение
за счет его уравновешивания по всей напорной поверхности и име-
ют поступательное движение (рис. 18.1, с).
3. Классификация глубинных затворов. Характерным признаком
глубинного затвора является, как и у поверхностных затворов,
способ передачи давления воды на сооружение.
Затворы, передающие давление на сооружение непосредственно
через опорно-ходовые части, бывают: а) плоские, аналогичные по-
верхностным (рис. 18.2, а); б) сегментные (рис. 18.2, б).
Затворы, передающие давление через корпус, в котором разме-
щен собственно затвор, бывают: а) в виде плоской задвижки,
имеющей поступательное движение (рис. 18.2, в); б) дисковые
(дроссельные)—движение вращательное на горизонтальной или
вертикальной оси (рис. 18.2, г); в) игольчатые, имеющие поршень,
выдвигающийся из цилиндра 1 и закрывающий иглообразной ча-
стью 2 отверстие 3— движение поступательное (рис. 18.2, <?);
г) конусные (телескопические), при которых поступательно дви-
жущийся цилиндр 1 закрывает отверстие между неподвижным
цилиндром 2 в конце водовода и конусом 3 (рис. 18.2, е); д) по-
воротные цилиндрические (рис. 18.2, ж) и шаровые (рис. 18.2, з).
Дроссельные, поворотные цилиндрические, шаровые затворы
предназначены для работы только при полном открытии, т. е. от-
носятся к нерегулирующим затворам.
7
Затворы уравновешенные, не передающие давление на сооруже-
ние, бывают: а) цилиндрические или кольцевые (без торцовой
а)
Рис. 18.2. Основные типы глубинных затворов
стенки) с уравновешенным давлением воды, движение поступа-
тельное (рис. 18.2, и, к)-, б) затворы с камерой противодавления
(см. § 2Q.4).
§ 18.3. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЗАТВОРОВ
1. Пропуск воды и плавающих тел. Для регулирования расхода
воды через отверстие поверхностный затвор или поднимается
на некоторую высоту — подъемные затворы (рис. 18.3, а), или
опускается — опускные затворы (рис. 18.3, б). Глубинные затворы
или поднимаются, или поворачиваются вокруг своей оси (рис.
18.2, г, ж, з), или же перемещаются в направлении оси водовода
(рис. 18.2, д, е).
Для уменьшения подъемного усилия, а также для большей ма-
невренности применяют поверхностные затворы — плоские и сег-
ментные (рис. 18.3, в), выполненные из двух элементов, отдельно
приводимых в движение и позволяющих пропускать воду поверх
затвора, под ним или одновременно сверху и снизу, а также исполь-
зуют затворы с клапанами (рис. 18.3, г).
8
Неблагоприятные условия работы создаются (см. ниже) при
истечении из-под затвора под уровень. Поэтому подтопление за-
творов при частичном их открытии нежелательно, а при больших
размерах затвора и больших напорах недопустимо.
Подныривание под затвор плавающих тел, в том числе льда,
наблюдается при образовании воронок перед затвором и может
7) S) в) । V
Рис. 18.3. Пропуск воды при маневрировании
поверхностным затвором
привести к повреждению уплотнений нижней кромки и обшивки
затвора, что также ограничивает величину открытия затвора.
Поэтому свобода маневрирования затворами водосливных пло-
тин ограничивается допустимым частичным открытием затворов
до (0,25-ГО,3) Я, после которого затвор поднимается полностью.
Уменьшению воронкообразованйя способствуют удлинение быков
и обтекаемая форма оголовков.
2. Действующие нагрузки. Нагрузка на затвор изменяется в за-
висимости от открытия затвора и гидравлического режима. Гидро-
статическая нагрузка на затвор при полном закрытии отверстия
является главной нагрузкой. Расчет элементов затвора на проч-
ность производится по максимальной нагрузке, которая может
быть в диапазоне всех возможных при эксплуатации положений
затвора и гидравлических режимов.
Основное сочетание нагрузок определяется при максимальном
уровне воды (с учетом ветровых изменений уровня) и максималь-
ном напоре при нормальной эксплуатации. Особое сочетание на-
грузок определяется при форсированном уровне воды с учетом
влияния волнения и условий, которые могут возникнуть в катастро-
фической ситуации (нарушение нормальной работы сооружения).
Волновое давление воды на затвор может быть учтено тем же
путем, что и на плотину (см. § 2.2). По лабораторным и расчетным
данным волновое давление на затвор в некоторых условиях может
составлять до 50% от гидростатического давления («Гидротехни-
ческое строительство», 1973, № 8, с. 39). При малой высоте волны
и незначительном пролете отверстия волновое давление не учиты-
вают. Давление наносов определяют как активное или пассивное
•в соответствии с характером взаимодействия отложившихся перед
затвором наносов и затвора. На давление льда затворы не рассчи-
тывают. Давление ветра учитывают при полностью поднятом затво-
9
ре. Действие атмосферного давления на конструкцию проявляется
при наличии вакуума, величину которого принимают на основании
Рис. 18.4. Гидродинамиче-
ское давление на обшивку
плоского затвора
(пунктиром обозначено гидроста-
тическое давление)
опытных или расчетных данных.
Вес затвора на стадии предварительных проработок определяют
по эмпирическим формулам и графикам.
Гидродинамическое давление дает нагрузку иа обшивку мень-
шую, чем гидростатическое (рис. 18.4), что иногда целесообразно
учитывать при определении зависимости
подъемного усилия от открытия затвора.
Величина и направление гидродинамиче-
ской и гидростатической нагрузок на
нижнюю грань затвора зависят от ее
формы, размеров и наклона.
Пульсация гидродинамической на-
грузки может вызвать вибрацию затвора,
чему способствует: а) подтопление затво-
ра со стороны нижнего бьефа, приводя-
щее к образованию вальца за затвором и
непрерывному срыву вихрей с нижней
кромки затвора; б) перелив воды через
затвор при неблагоприятных очертаниях
верхней части затвора и при образовании
между пульсирующей струей и затвором
области вакуума; в) неблагоприятное
затвора, обуславливающее образование
мешках при отжиме потока от
очертание ннжнеи грани
вакуума в замкнутых вихревых
нижней грани; г) фильтрация через щели между уплотнениями и
закладными частями затвора.
Вибрация вызывает усталостные явления в материале затвора,
передается закладным частям, нарушает их связь с бетоном, воз-
действует на быки и другие элементы сооружения. Для некоторых
конструкций затвора вибрация опасна возникновением резонанса,
при котором деформации конструкций могут получать разрушаю-
щие величины.
Наиболее благоприятный режим истечения из-под затвора обе-
спечивает плавноочерченная нижняя грань затвора, наклоненная
в сторону верхнего бьефа (рис. 18.5, б). При отжиме потока от ниж-
ней грани в замкнутой области отжима возникает вакуум (рис.
18.5, а), появляется направленная вниз сила, имеющая пульсаци-
онный характер. Ножевое уплотнение (рис. 18.5, в) практически
не имеет площади, на которую могло бы действовать в вертикаль-
ном направлении давление. При опущенном затворе уплотнение
из бруса испытывает направленное вверх фильтрационное давле-
ние (рис. 18.5, г), а при истечении из-под затвора отрыв потока
от бруса с образованием замкнутой области отрыва (рис. 18.5, д)
дает силу, направленную вниз.
Вертикальная сила, действующая на нижнюю кромку затвора,
может быть направлена вниз или вверх в зависимости от степени
открытия затвора. Так, в момент посадки затвора на порог и при
10
полностью закрытом отверстии (рис. 18.5, а, б, г) сила направлена
вверх. Величина силы противодавления при закрытом отверстии
легко определяется расчетом по площади эпюр давления, при час-
5) S) г)
Рис. 18.5. Воздействие потока на нижнюю грань затвора:
1 — эпюра давления при закрытом отверстии (расчетная)
тичных открытиях* — расчетом или экспериментально. Прибли-
женно для схем рис. 18.5, а, д можно принимать, что вакуум
в области отрыва потока от низовой грани достигает 0,6 м вод. ст.,
что дает силу WB, направленную вниз, так называемый «подсос»
IFB = 0,6у«, (18.1)
где <в— площадь, на которую воздействует «подсос».
Следует учитывать, что очертание уплотнения нижней грани
затвора может отличаться от показанных на рис. 18.5, например,
в случае применения элементов, вы-
полненных из резины (см. рис. 19.11,
19.23).
Работа поверхностных затворов
без подтопления со стороны нижнего
бьефа обеспечивается соответствующим
положением гребня водослива относи-
тельно уровня воды нижнего бьефа.
Порогу водослива непосредственно за
затвором желательно придавать уклон
в сторону нижнего бьефа (рис. 18.5, в,
д'), чтобы струя свободно оттекала от
затвора.
Избежать подтопления глубинного
Рпс. 18.6. Аэрация простран-
ства за глубинным затвором
затвора удается в определенных усло-
виях подводом воздуха в пространство за затвор (рис. 18.6). Без
подвода воздуха может работать игольчатый (см. рис. 18.2,5) и не-
регулирующие (см. рис. 18.2, г, ж, з) затворы.
* Бедев Б. Д., Лысенко П. Е. Определение осреднениях вертикальных нагру-
зок на плоские гидротехнические затворы. — Тр. координационных совещаний по
гидротехнике. М., 1971, с. 63, вып. 62.
II
Для борьбы с кавитационной эрозией участков водовода за за-
твором, пазов, элементов затвора принимаются специальные меры,
как подвод воздуха в зоны возникновения кавитации и отрыв пото-
ка от граней водовода, подверженных воздействию кавитации.
3. Эксплуатационные требования к затворам. Главнейшие требо-
вания к основным затворам сводятся к следующему: а) безотказ-
ность в работе; б) водонепроницаемость контактов затвора с со-
оружением; в) необходимая быстрота маневрирования; г) мини-
мальная мощность механизмов для операций с затвором *; д) удоб-
ство монтажа, ремонта и смены изнашиваемых в процессе эксплуа-
тации деталей и узлов.
Одним из требований к ремонтным затворам является возмож-
ность перестановки их из одного отверстия в другое, что позволяет
довести число ремонтных затворов до 14-2. Основное требование
к. аварийным затворам — постоянная готовность к немедленному
действию для быстрого перекрытия отверстия.
§ 18.4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ЗАТВОРОВ
НА ПРОЧНОСТЬ
Согласно СНиП II-A.10—71 строительные конструкции рассчи-
тывают по методу предельных состояний. Однако положения
СНиП II-B.3—72, которым руководствуются при расчете стальных
конструкций зданий и сооружений, не распространяются на конст-
рукции, находящиеся в особых условиях, в том числе на конструк-
ции гидротехнических сооружений. Поэтому при расчете затворов
учитывают дополнительные требования, предусмотренные соответ-
ствующими ведомственными нормативными документами.
При расчете затворов различают, как и в случае расчета строи-
тельных конструкций, два предельных состояния: первое — по несу-
щей способности и'второе — по деформациям. Первое предельное
состояние характеризуется потерей несущей способности в резуль-
тате разрушения или потери устойчивости и формы, в том числе
и в результате усталостного разрушения (под действием перемен-
ной систематически действующей нагрузки). Второе предельное
состояние наступает, когда при достаточной прочности и устойчи-
вости конструкция становится непригодной к эксплуатации из-за
появления недопустимых прогибов, углов поворота, колебаний.
Требования расчета конструкций по первому предельному со-
стоянию выражается неравенством
а < Rm, (18.2)
где о — расчетное нормальное или касательное напряжение; R —
расчетное сопротивление материала; гп— коэффициент условий
работы элемента конструкции.
* На случай отказа электрических и гидравлических приводов подъемных
механизмов иногда предусматривается устройство ручного привода.
12
Расчетные сопротивления прокатной стали, отливок, сварных
и иных соединений приведены в СНиПе на проектирование сталь-
ных конструкций.
При проектировании конструкций зданий и промышленных со-
оружений в формулу (18.2) согласно СНиПу вводится для особо
ответственных конструкций коэффициент надежности, понижающий
расчетные сопротивления, а при расчете на выносливость — коэф-
фициент, учитывающий возможность усталостного разрушения.
В формуле (18.2) расчетное сопротивление материала
R^R^c/k^,
где Рн — нормативное сопротивление, определяющееся соответ-
ствующими стандартами на продукцию металлургических заводов;
с — коэффициент перехода к расчетному сопротивлению; йм— ко-
эффициент безопасности по материалу, нормируется для прокатной
стали СНиП П-В.З—72.
По нормативным материалам, действующим в системе Всесоюзного треста
«Гидромонтаж», расчет металлических конструкций, деталей машин, сварных,
клепанных и болтовых соединений производится по формуле (18.2) при m=\lkakY
в<Шу = [Ф (18.3)
где ka — коэффициент надежности, учитывающий степень ответственности детали,
равный для несущей конструкции затвора и се элементов 1, для деталей меха-
низмов, поломка которых не вызывает длительного перерыва в его эксплуата-
ции,— 1,1—1,35, если потребуется приостановка эксплуатации механизмов для
ремонта—1,5, при поломке, вызывающей аварию и требующей капитального ре-
монта,— 1,75; Ау — коэффициент безопасности по условиям работы, учитываю-
щий отклонение расчетной схемы от действительности и возможные отступления
выполненной конструкции от проектного решения, изменяющиеся в пределах от 1
до 1,5. Коэффициент безопасности устанавливается как для отдельных элементов
конструкции (например, для различного вида соединений), так и для конструк-
ции в целом, и в расчет вводится произведение коэффициентов /гу', ky", ky'", ...
Напряжение о в левой части формулы (18.3) определяют со-
гласно схеме действия на конструкцию нагрузок, вызывающих про-
стое напряженное состояние, напряжение от действия осевой силы
и изгибающего момента, совместное действие нормальных и каса-
тельных напряжений. При расчете на выносливость напряжения
определяют с учетом их изменения по симметричному или асим-
метричному циклам переменных нагрузок.
Требование расчета по второму предельному состоянию -выра-
жается неравенством
ДАН < Дпред, (18.4)
т. е. деформация элемента от нормативной нагрузки с учетом ко-
эффициента надежности Айн не должна превышать предельного
значения Апред-
Допускаемые относительные деформации элементов затвора за-
висят от назначения затвора, условий его работы. Например, допу-
стимый прогиб ригеля затворов, работающих в потоке, равен 1/600,
затворов, работающих в спокойной воде и аварийных затворов —
1/500, ремонтных— 1/400, а затворов с верхним горизонтальным
уплотнением— 1/1000. Допускаемые прогибы для вспомогатель-
ных элементов балочной клетки— 1/250, для консолей — 1/300.
Г Л A BA 19
ЗАТВОРЫ ВОДОСЛИВНЫХ ОТВЕРСТИЙ
А. ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ НА БЫКИ
И УСТОИ
§ 19.1. ПЛОСКИЕ ЗАТВОРЫ
1. Общие сведения. Плоский затвор перемещается в пазах бы-
ков и устоев. Выполняются плоские затворы из стали, легких спла-
вов, дерева или железобетона. Затвор состоит из подвижного про-
летного строения, опорно-ходовых основных и вспомогательных
частей, уплотняющих и подвесных устройств. Одиночный затвор
Рис. 19.1. Виды пролетных строений плоских затворов:
а — одиночные; б — секционные; в — сдвоенные; г — с клапаном
представляет собой одну подвижную конструкцию, а секционный
затвор состоит нз нескольких подвижных конструкций, поочередное
маневрирование которыми дает возможность перекрывать высокие
отверстия без увеличения грузоподъемности кранов. В виде двух
подвижных конструкций выполняются сдвоенные затворы и с кла-
паном (рис. 19.1).
Пролетное строение стального затвора состоит из системы балок
и обшивки (рис. 19.2 и 19.3). Оно перекрывает отверстие и воспри-
нимает нагрузку от воды. Вода давит на обшивку 1, которая пере-
14
Рис. 19.2. Схемы плоских затворов:
поперечная система набора; б — продольная система набора (поперечные связи
в виде сплошных диафрагм); в — поперечное сечение и вид сбоку
Рис. 19.3. Элементы пролетного строения плоского затвора';
(позиции см. к рис. 19,2)
15
дает нагрузку на балочную клетку, состоящую из стрингеров
(балок, параллельных ригелям) 2 и поперечных балок (перпенди-
кулярных ригелям) 3. Далее нагрузка передается ригелям 4. По-
перечные связи 5 представляют собой стержневые или сплошные
диафрагмы, которые препятствуют скручиванию затвора и участ-
вуют в передаче на ригели нагрузки, воспринимаемой балочной
клеткой. Если на вертикальные элементы поперечных связей или
непосредственно на диафрагмы опирается обшивка, то они выпол-
няют роль поперечных балок балочной клетки (рис. 19.2, а;
19.3, а). Продольные связи 6 образуют в плоскости параллельной
обшивке подъемно-весовые фермы, воспринимающие вес затвора
и другие вертикальные нагрузки и обеспечивающие взаимное неиз-
меняемое положение ригелей. Поясами подъемно-весовых ферм слу-
жат ригели. Опорные балки 7, расположенные перпендикулярно
ригелям в опорных сечениях, воспринимают горизонтальную на-
грузку от ригелей (передают ее на опорно-ходовые части) и верти-
кальную от подъемно-весовых ферм (передают на подвесные уст-
ройства).
Опорно-ходовые части 8 обеспечивают возможность перемеще-
ния затвора и передают через закладные части нагрузку на соору-
жение. Для ограничения боковых перемещений, перекосов затвора,
его вибрации служат вспомогательные и боковые 9, обратные 10
опорные и направляющие устройства (колеса, распорки). Уплотне-
ния 11 перекрывают зазоры между подвижной частью затвора
и закладными частями, а у секционных затворов — также зазоры
между секциями. Подвесные устройства 13 соединяют затвор
с тягами или с захватной балкой подъемного механизма.
Закладные части 12 являются элементами неподвижных частей
затвора, заделанными в бетон, в том числе пути затвора: рабочие,
обратные, боковые.
2. Конструкция пролетного строения. Основной частью пролет-
ного строения является несущая конструкция затвора, т. е. все его
продольные элементы, попадающие в поперечное сечение и пред-
назначенные передать нагрузку от воды на опоры затвора.
Ригели выполняются в виде сплошных балок или ферм (рис.
19.4). Для пролетов Lp до 5 м применяют прокатные профили,
с увеличением пролета — двутавровые балки составного сечения
высотой (1/74-1/9) Ер и фермы высотой (1/64-1/8) Lp. Для умень-
шения ширины пазов высоту ригеля на опоре принимают 0,404-0,65
от его высоты в пролете.
Поверхностные затворы выполняются, как правило, двухрнгель-
ными; реже трехригельными. Если нижний ригель сплошной, то
между ригелем и поверхностью струи при истечении из-под затвора
может образоваться область с переменным давлением. Во избежа-
ние этого угол у между поверхностью порога водослива и касатель-
ной к кромкам затвора и ригеля должен быть не менее 30° (см.
рис. 19.2, в), что отвечает расстоянию от нижней кромки затвора
до ригеля (0,124-0,20) Н. Вылет верхней консоли вертикальных
элементов обычно принимается не более 0,45/7. Ригели, располо-
16
женные на одинаковом расстоянии от равнодействующей давления,
воды на обшивку, являются равнонагруженными. Положение рав-
нонагруженных ригелей трехригельного или многоригельного затво-
Рис. 19.4. Типы ригелей плоских затворов:
a — h~(4i H-Vs) Lp; б - (‘/6-г V8)Lp; h0= (0,40-4- 0,65) h
pa определяется известным из курса гидравлики графическим по-
строением.
Балочная клетка в общем случае состоит из горизонтальных
(стрингеры) и поперечных балок. Располагается балочная клетка
или между обшивкой и ригелями — выносная балочная клетка
(см. рис. 19.2, б) или так, что ригели и вертикальные элементы
поперечных связей входят в ее состав — встроенная балочная клет-
ка (см. рис. 19.2, а). В первом случае конструкция проще, но умень-
шается участие обшивки в работе всей конструкции и увеличива-
ется толщина затвора. -Различают балочные клетки продольной
системы, если панели обшивки имеют длинную сторону в направ-
лении пролета затвора, и поперечной системы, если длинная сто-
рона панели расположена перпендикулярно ригелям. Возможны
затворы с балочной клеткой смешанной системы. Разбивка сторон
балочной клетки может производиться из условия равнопрочности
обшивки или стрингеров. Затраты металла на стрингеры составля-
ют 64-8% от общей массы затвора, на обшивку — до 30%. Поэто-
му более выгодно размеры балочной клетки определять исходя
из равнопрочности обшивки. При продольном наборе шаг стрин-
геров, исходя из устойчивости обшивки прн работе ее в составе
поясов несущей конструкции, не должен быть более (504-60) 6.
Обшивку, воспринимающую нагрузку от давления воды и пере-
дающую ее балочной клетке и ригелям, у современных затворов
выполняют обычно плоской, из металлических листов — толщиной
не меиее 6 мм (при затворах пролетом меньше 2 м—4 мм), без
добавления металла по толщине на коррозию, поскольку ныне спо-
собы борьбы с коррозией достаточно совершенны. Для крупных
затворов толщину обшивки принимают не меиее 10 мм.
Поперечные связи (диафрагмы) располагают в вертикальной
плоскости, перпендикулярно обшивке и ригелям, при сквозных ри-
гелях— в узлах ферм, при сплошных — по шагу ребер жесткости
или на расстоянии, кратном ему. Диафрагмы из сплошного листа
17
(см. рис. 19.3, а, б) применяют при высоте ригеля до 1 м, как пра-
вило, в многоригельных затворах. Для облегчения в средней нера-
бочей части диафрагмы вырезают отверстия, а для снижения кон-
центрации напряжений вырез подкрепляют трубчатыми или плос-
кими кольцами (см. рис. 19.3). Сквозные поперечные связи выпол-
няют из уголков.
Опорные балки могут быть одностенчатые (см. рис. 19.3, в)
и двухстенчатые (см. рис. 19.2, а).
Размеры затворов должны отвечать размерам отверстий, норми-
руемых СНиП П-50—74. Верхняя кромка поверхностного затвора
при закрытом отверстии должна превышать поддерживаемый затво-
ром уровень не менее чем на 0,2 м, включая нагон ветровой волны,
если по условиям эксплуатации не требуется иное решение (на-
пример, перелив через затвор).
3. Расчет элементов пролетного строения. Обшивку затвора рас-
считывают на: 1) местный изгиб панели обшнвки, как жесткой
пластинки; 2) работу обшивки, как присоединенного пояса стрин-
геров или поперечных балок балочной клетки; 3) участие обшивки
в общем изгибе затвора, как присоединенного пояса ригелей.
При определении изгибающего момента в расчетном сечении
обшивки нагрузку принимают равномерно распределенной, отвеча-
ющей гидростатическому давлению р в центре тяжести панели. На-
пряжение в обшивке толщиной б от местного изгиба вычисляют
по формуле
Л1 6Л4 а 6
---_-------_------- . — pbl.
W 82 100 82
(19.1)
Безразмерный коэффициент « выбирают из табл. 19.1 в зависи-
мости от отношения длинной стороны панели а к короткой Ь. Раз-
меры а и b принимают по расстоянию в свету между поддержива-
ющими обшивку балками (рис. 19.5).
Приведенные в табл. 19.1 значения а отвечают данным совре-
менной теории изгиба прямоугольных пластин * и даны для коэф-
фициента Пуассона ц=0,3. Для других случаев опирания панелей
значения а могут быть найдены в соответствующей литературе.
Наибольшее нормальное напряжение по середине стороны b
в сечении, параллельном оси у.
аХ1(х=0,у=а/2) = (Л®У1(ЛГ=о11/=а/2)> (19.2)
аналогично по середине стороны а в сечении, параллельном оси %:
3//1(лг = й/2,г/ = 0) = Н'°лг1(л:=г>/2,1/ = 0)>
где ц — коэффициент Пуассона.
Суммарные нормальные напряжения в обшивке при участии ее
в работе элементов балочной клетки (стрингеров, стоек) и пролет-
ного строения (ригелей) равны:
3-Г = аг1 + З.г2 + Ол:3> (19.3)
* Тимошенко С. П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М., 1963.
18
(19.4)
аУ = °<Н
-4- <5 ,
Z/2 *
где ах„ Gy; — местные напряжения в обшивке при ее изгибе; оХг,
°У2 — т0 же> ПРИ работе обшивки в составе присоединенного пояса
стрингера или стойки; оЖз— то же, в составе присоединенного пояса
несущей конструкции; при а/&>2 принимают Ох3 = 0.
Рис. 19.5. Элемент балочной клетки и эпюры моментов в обшивке
При вычислении напряжений в обшивке как в присоединенном
поясе балочной клетки или ригелей в работу балки или ригеля
включается полоса обшивки шириной &пр = 0,5&, но не более
0,15А на сторону, где L — расчетный пролет балки или ригеля.
Суммарные касательные напряжения в обшивке
т = т2 + т3, (19.5)
где T2, тз — напряжения от местного и общего изгиба.
Для обеспечения прочности обшивки должны выполняться ус-
ловия
<ыр < R; < R', < R, (19.6)
где R — расчетные сопротивления материала с учетом коэффициен-
тов безопасности по материалу, условий работы и коэффициента
надежности.
Приведенные напряжения оПр определяют согласно четвертой
теории прочности (энергетическая теория) по формуле
°пр = j/'-J- ^T^Xyt (19.7)
19
Таблица 19.1
Значения коэффициента а в формуле (19.2) напряжений в обшивке
а/Ь Условия заделки обшивки но контуру
Защемление всех сторон Свободно опертая одной стороной и защем- ленная по трем остальным сторонам*
х=Л]2, у^0 х=0, у^а/2 „О <=> Н II и о и» °</1 лг=О, «/=0 СГ г X^'b/2, у=о лг-О, у-а/2 Н II !1 ° Q II II о
8,33 5,71 4,17 1,65 12,5 7,86 6,25 1,98
3,00 8,33 5,71 4,12 1,65 12,3 7,85 6,24 2,00
2,00 8,29 5,71 4,12 1,65 11,4 7,84 5,63 2,50
1,90 8,22 5,71 4,07 1,65 11,0 7,82 5,40 2,56
1,80 8,12 5,71 4,01 1,74 10,7 7,78 5,20 2,62
1,70 7,99 5,71 3,92 1,82 10,4 7,73 5,00 2,69
1,60 7,80 5,71 3,81 1,93 9,80 7,67 4,80 2,76
1,50 7,57 5,70 3,68 2,03 9,41 7,58 4,52 2,84
1,40 7,26 5,68 3,40 2,12 8,90 7,49 4,20 2,95
1,30 6,87 5,63 3,27 2,22 8,30 7,30 3,80 3,06
1,20 6,39 5,54 2,99 2,28 7,50 5,90 3,40 3,17
1,10 5,81 5,38 2,64 2,31 6,50 6,50 2,90 3,28
1,00 5,13 5,13 2,31 2,31 5,46 6,00 2,37 . 3,39
* Свободное опирание по стороне х=—Ь/2.
где <ух, ву — суммарные общие и местные нормальные напряжения
в данной точке обшивки; — касательные напряжения.
Пренебрегая величиной касательных напряжений, принимают
Яцр = V + < R-
Устойчивость обшивки проверяют по СНиП П-В.З—72; она заве-
домо обеспечивается при соблюдении условия
д< (60 н-70)В. (19.8)
Балки, поддерживающие обшивку, рассчитывают на местный
и общий изгибы несущей конструкции. Обращенному к обшивке
поясу стрингера присоединяют полосу обшивки шириной &пр (см.
рис. 19.5).
Ригели рассчитывают на изгиб как балку па двух опорах. Ори-
ентировочно ширина полосы обшивки, присоединенной к поясу
ригеля, составляет 0,3Lp (Lp — расчетный пролет затвора):
Лр — 7.ОТВ + (19.9)
где L0TB, d0 — ширина отверстия в свету и расстояние от кромки
паза до оси опоры затвора (см. рис. 19.2).
Допускаемые прогибы ригелей (см. § 18.4) зависят от назначе-
ния и условий работы затвора.
20
Расстояние d0 для скользящих опор меньше, чем для колесных.
При предварительных расчетах d0 принимают в зависимости
от Аотв и Н (размеры в м) (см. рис. 19.2):
с центром
Рис. 19.6.
Распределе-
ние массы G
затвора меж-
ду подъем-
но-весовой
фермой и об-.,
шивкой; G—
= Pi + Р%
Несущую конструкцию можно рассчитывать при определенных
параметрах как тонкостенный брус замкнутого сечения на двух
опорах, подверженный изгибу и стесненному кручению (т. е. круче-
нию с изгибом), возникающему вследствие несовпадения
изгиба плоскости (горизонтальной) действия равно-
действующей сил *.
Подъемно-весовая ферма воспринимает составляю-
щую массу Pi затвора (рис. 19.6). Часть массы Рг=
= G—Рх воспринимается обшивкой. Расчет подъемно-
весовой фермы производят на действие приложенных
в узлах сил, равных Рфп, где п — число узлов весовой
фермы.
Опорно-концевые стойки рассчитывают на изгиб
(горизонтальными силами, действующими в местах
опирания ригелей на стойки), растяжение (силами,
направленными вертикально — вес затвора, силы тре-
ния в опорах, сила подсоса воды), на смятие в местах
закрепления осей.
4. Опорно-ходовые части и их расчет. Для поверх-
ностных затворов применяются скользящие или ко-
лесные опоры. Скользящие опоры (рис. 19.7) выпол-
няют из дерева, металла или синтетических материа-
лов, в Советском Союзе широкое распространение
получил древесно-слоистый пластик (ДСП), внедря-
ется новый материал — маслянит**. Полозья сколь-
зящих опор из ДСП выполняют в виде опорных по-
душек (обойм, кассет), в которые запрессованы вкладыши. Шири-
ну пакета ДСП принимают до 12 см. Полозья стальных опор вы-
полняют в виде полос или опорных подушек с вкладышами.
Рельс или полоз должен иметь шлифованную цилиндрическую по-
верхность из нержавеющей стали, которая при повороте опор на
некоторый угол при прогибе ригеля обеспечивает постоянный кон-
такт полозьев с рельсами.
Применение дерева ограничивается величиной допускаемых на-
пряжений на смятие: для сосны—1,5 МПа (15 кгс/см2), дуба —
3 МПа (30 кг/см2). Оценка допускаемой нагрузки на опоры из
* Петрашень В. И. Гидротехнические затворы с плоской несущей обшивкой.
М. — Л., 1952.
** ДСП — тонкие березовые пластины, пропитанные синтетическими смо-
лами и подверженные термообработке под давлением. Маслянит — специаль-
ный синтетический материал, изготовленный литьем под давлением с последую-
щей термообработкой.
21
пластика производится по ве-
личине погонной нагрузки, на
стальные опоры—по величи-
не допускаемого контактного
напряжения.
Сила сопротивления То дви-
жению затвора на скользящих
опорах, находящегося под дей-
ствием силы давления воды W,
равна:
7’0=/Г. ,(19.10)
Коэффициент трения сколь-
жения покоя стали по стали
равен 0,5, движения — 0,15; де-
рева вдоль волокон по стали
соответственно — 0,45 и 0,2.
Коэффициент трения скольже-
ния ДСП по шлифованной по-
верхности рельса из нержавею-
щей стали уменьшается с уве-
личением удельной погонной
нагрузки: при погонной нагруз-
ке свыше 30 кН/см
(3000 кгс/см)—0,13; при дви-
жении, соответственно — 0,10
н 0,07.
Расчет полозьев из ДСП
заключается в подборе радиу-
са г рабочей поверхности рель-
сов в зависимости от погонной
нагрузки р на полоз: при
рСПО кН/см (1020 кгс/см) и
хорде головки рельса с = 2,5см
принимают г = 10 см, при
/7 = 414-60 кН/см (41804-
4-6120 кгс/см) с = 6,0 см, г =
= 30 см.
Напряжение в полозьях и
рельсах стальных опор опреде-
ляют по формуле контактных
напряжений при передаче уси-
лия через полоз радиуса г на
плоскость
а = 0,418/р£/Д < [а],(19.И)
где р — нагрузка на длине I
полоза; Е — модуль упругости
стали; [о] — допускаемое кон-
тактное напряжение.
22
Колесные опоры по сравнению со скользящими дают возмож-
ность применять для маневрирования затвором механизмы мень-
шей грузоподъемности. Самый простой тип колесного затвора —
одиночный с четырьмя колесами на консольных осях (рис. 19.8, а)
или на осях между стен-
ками опорных балок (рис.
19.8, б). Чем больше на-
пор и размеры отверстия,
т. е. чем больше главная
гидростатическая нагруз-
ка, тем больше диаметр
или число колес, глубина
и ширина пазов. Известен
затвор с колесами D =
= 1200 мм. Так как же-
сткое закрепление боль-
шего числа колес не обес-
печивает равномерного
распределения давления
на колеса, то в этом слу-
чае применяются ходовые
тележки с двумя колеса-
ми на каждой тележке.
Рис. 19.8. Расположение колесных опор:
а — колеса на консолях; б — между стенками опор-
ных балок; в — колеса, объединенные тележками;
/ — ходовая тележка; 2— балансир; 3 — опорная
балка
Между тележками и опор-
ными балками располага-
ются шарниры (баланси-
ры) (рис. 19.8, в).
Радиус колес К опре-
деляют допускаемым на-
пряжением на диаметральное сжатие [о]. При ширине обода b
(рис. 19.9) и силе сжатия колеса Р
Р
2Ь [а] ’
(19.12)
Величина [о] составляет 5,54-7,5 МПа (56,14-76,4 кгс/см2)
в зависимости от марки стали.
Контактные напряжения рельса и колеса определяются по соот-
ветствующей формуле контактных напряжений.
Ширина обода b обычно составляет 84-15 см, а диаметры ко-
лес — 0,34-1 м.
Усилие Q, сдвигающее колесо, равное сопротивлению трения
Тк, складывается из трения скольжения между осью диаметром 2г
и втулкой колеса и трения качения колеса по рельсу и определя-
ется из уравнения моментов
ТКР = f0Pr + fKP, (19.13)
откуда
7K = -|- (/or 4-/к), (19.14)
23
где f0 — коэффициент трения скольжения стальной оси колеса
о втулку в воде с учетом возможного загрязнения; для втулки
из бронзы f0 = Q,3, из баббита
(плечо) трения качения, /к = 0,1
Рис. 19.9. Схема к расчету колес-
ных опор
и ДСП — /о = 0,2; /к— коэффициент
см.
Для п колес полное усилие
для преодоления трения будет
равно:
W
Q^To = nrK = —(for + fK),
(19.15)
где IF— полная сила давления
воды на затвор.
При сравнении величины То
для скользящего (19.10) и колес-
ного ( 19.15) затворов видим, что
в колесном затворе сопротивление
/ f f \
трення меньше в /?/|г ~ + -у]
раз практически при [n~f
и в R/r = 54-7 раз при fK<^f.
Сопротивление трения может быть еще снижено применением
роликовых подшипников, в которых исключено трение скольжения.
Величина То, по сравнению с имеющейся у скользящего затвора,
уменьшается в 204-50 раз; Однако роликовые подшипники не полу-
чили большого распространения из-за сложной конструкции и воз-
можности засорения, которое существенно увеличивает То.
Обратные ходовые устройства выполняются в виде обратной
подушки, одиночных колес (рис. 19.10), тележек с резиновыми или
пружинными буферами, с помощью которых затвор упруго расперт
в пазах с силой, зависящей от жесткости буферов или рессор.
Диаметр одиночных колес—150-4-350 мм, колес буферных теле-
жек— 1504-300 мм, рессорных — 3604-600 мм.
Боковые направляющие устройства могут быть колесными или
скользящими. Их устанавливают на торцах или по бокам затвора
(рис. 19.10) и рассчитывают на действие сил, возникающих при
приложении подъемного усилия с эксцентриситетом, что может
быть, например, следствием неисправности подъемных механизмов,
неравномерной вытяжки подвесок или при различных силах трения
в правой и левой опорах.
5. Уплотнения поверхностных затворов. При малых напорах дон-
ное уплотнение простейшего типа устраивают в виде деревянного
бруса обтекаемой формы (рис. 19.11, а). В современных затворах
применяют ножевые резиновые уплотнения (рис. 19.11, б) или
из резины Р-образной (бульбовой) формы (рис. 19.11, в). Давле-
ние на резину допускается до 1,5 МПа (15,3 кгс/см2), деформа-
ция — до 5 мм.
Боковые уплотнения прижимаются к закладным частям давле-
нием воды. Для небольших затворов находит применение так на-
24
a)
9UU
J00'<
Рис. 19.10. Опорно-ходовые основные и вспомогательные устройст-
ва плоских основных затворов:
а —затвор с балансирными тележками (LXtf=20X12 м); б — затвор с колес-
ными опорами на консолях (16X4 м); 1 — боковые колеса; 2—обратные по-
душки; 3— бульбовые боковые уплотнения; 4 — балансир (размеры в мм)
зываемое листовое уплотнение (рис. 19.11, г), состоящее из гибкого
стального листа толщиной 24-5 мм, укрепленного на напорной
грани затвора и имеющего на конце резиновую ленту. В настоящее
время обычно используют резиновые уплотнения бульбового, угол-
Рис. 19.11. Уплотнения поверхностных за-
творов:
а, б — донные; в, г, — боковые; / — деревянный
брус; 2 — обшивка; 3 — резиновые элементы; 4 —
закладные части
давлению воды; I — длина
кового или О-образного про-
филя. Участки закладных
частей под уплотнениями
покрывают полосами шли-
фованной нержавеющей ста-
ли. Крепление уплотнений
осуществляют болтами из
нержавеющей стали для
возможности смены уплот-
нений. В небольших затво-
рах применяют простые уп-
лотнения из листовой рези-
ны, брезента, резиновых тру-
бок.
Сила трения в боковых
уплотнениях при коэффици-
енте трения f контактирую-
щих элементов равна
Ty = <2fpbl, (19.16)
уплотпепип
где р—среднее гидростати-
ческое давление на уплотне-
ние; b—расчетная ширина
эффективной поверхности
уплотнения, подверженной
на одной стороне за-
твора.
Если давление передается частично на контакт с закладной
частью, а частично на затвор, то в формулу вводится коэффициент
меньше единицы.
6. Вес затвора, усилия подъема и посадки. Для предваритель-
ного расчета собственного веса G3 подвижной части плоского сталь-
ного затвора существует ряд эмпирических формул. Для современ-
ных конструкций стальных затворов СКВ Мосгидросталь рекомен-
дует формулу [72, с. 50].
G3 = k(WLms)n, (19.17)
где IE — нагрузка на затвор, тс; LOtb — ширина пролета в свету, м.
Формула применима: для колесных затворов при
IELOTb>200 кН-м (20 тс-м) (# = 0,12, /1 = 0,71); для скользящих
затворов IELotb>270 кН-м (27 тс-м) (#=0,09, /1 = 0,73).
Для подъема поверхностного плоского затвора необходимо пре-
одолеть: 1) вес затвора G3; в) силы трения — То в опорно-ходовых
частях и Ту в уплотнениях; 3) гидродинамическую нагрузку 1ГВ
на нижнюю грань затвора, если она направлена вниз (см. рис. 18.5).
Для затворов, сдвоенных с клапаном (см. рнс. 19.1, в, г), учиты-
26
вают вес столба воды над верхней гранью затвора и над клапаном.
Опусканию затвора препятствуют силы трения в уплотнениях
и опорно-ходовых частях и сила давления И7В на нижнюю грань,
если она в момент посадки затвора направлена вверх.
Если сила, препятствующая посадке затвора, окажется больше
веса затвора, то требуется принудительная посадка путем исполь-
зования или дожимного механизма, или пригрузки затвора дожим-
ной балкой, или увеличения веса затвора загрузкой балласта. При-
нудительная посадка затвора механизмом требует применения
жестких тяг, способных работать на продольный изгиб. Использо-
вание дожимной балки неудобно при эксплуатации затворов, при-
менение балласта увеличивает подъемное усилие. В качестве бал-
ласта используют чугунные болванки, закрепляемые в пролетном
строении; возможно также обетонирование элементов пролетного
строения. Принудительная посадка обычно необходима для дере-
вянных и, иногда, скользящих стальных затворов.
Усилие для подъема затвора может быть вычислено по формуле
S; = k\ (G3 4- Gg) 4- Л2 (То Т Ту) 4- И7В, (19.18)
где Л'1 — коэффициент перегрузки, учитывающий возможное откло-
нение от расчетного веса затвора (за счет применения проката
с плюсовыми допусками) и балласта, #1 = 1,1; #2— коэффициент,
учитывающий трение в обратных и боковых опорных устройствах
и неточность вычисления сил трения, #2= 1,2; Gq — вес балласта
(вводится в расчет в том случае, если балласт необходим для по-
садки затвора).
Силу трения То вычисляют по формулам (19.10), (19.14), (19.15),
а Ту — по формуле (19.16) при максимальных значениях коэффи-
циента трения. Вертикально направленную силу 1ЕВ давления воды
принимают со знаком «плюс» или «минус» в зависимости от того,
будет ли на затвор действовать подсос [см. формулу (18.1)] или
взвешивающая сила.
Усилие посадки
S2=.k1G3-k2To~-k2Ty-WB + W^, (19.19)
где &i = 0,9 (при применении проката с минусовым допуском);
#2=1,2; 1ГВ—сила, взвешивающая затвор, при его нижнем положе-
нии; И7ф — сила фильтрационного давления на нижнее уплотнение.
При S<0 сила AS дожима затвора или необходимый вес балла-
ста Ge
bS^Ge^k^-k^-^Ty-W^Wb) (19.20)
«1
Грузоподъемность механизма должна быть более суммы сил,
требующихся для подъема затвора и подвесных устройств. Она
назначается в соответствии с существующим рядом номинальных
грузоподъемностей согласно ГОСТ 1575—61.
7. Катковые затворы. Давление от затвора передается через
опорные балки непосредственно на катки, объединенные рамой
27
Рис. 19.12. Схема катко-
вого затвора (затвор
Стонея)
(рис. 19.12). Размеры катков определяют по формуле (19.12),
диаметр их выбирают в пределах 204-30 см, ширину — 204-50 см;
нагрузка на каток может достигать 147—246 кН (154-25 тс). Катки
распределяются в раме по принципу равнонагруженности.
Сопротивление движению катков сво-
дится к трению качения катков по стой-
кам затвора и рельсам в пазах быков.
Силу, которую надо преодолеть при под-
вижке затвора, определяют из уравне-
ния
T0-2R^P-2fK или T0-2R = W-2fK,
откуда
W
Т0 = /к—. (19.21)
А.
По сравнению с силой трения в опо-
рах скользящего затвора, имеющего
стальные полозья, в катковом затворе
расчетная величина То в раз
меньше, т. е. примерно в 504-100 раз. Но
практически То больше расчетной вели-
чины ввиду неравномерного распределе-
ния нагрузки на катки вследствие неточ«
ности изготовления и монтажа, ржавления катков, засорения и пр.
В результате имеет место перенапряжение катков и их смятие.
В американской практике принимают То = 0,1W. В этом случае
катковые опоры в отношении сопротивления подъему мало отли-
чаются от колесных и скользящих на полозьях из ДСП.
Следует отметить, что при подъеме катковый затвор проходит
путь в два раза больший, чем катковая рама; часть катковой
рамы остается в пазах отверстия не прижатой затвором и подвер-
гается засорению влекомыми потоком наносами, мусором и пр.
и зимой обмерзает. Поэтому катковые затворы вытесняются колес-
ными и скользящими, которые конструктивно проще и надежнее.
8. Затворы из легких сплавов и железобетонные. Применение
затворов из алюминиевых сплавов целесообразно вследствие высо-
кой коррозионной стойкости, сохранения механических свойств ме-
талла при температурах до —80° С и снижения массы затвора.
В то же время более низкий, чем у сталей, модуль упругости
(в 24-3 раза меньший) уменьшает жесткость конструкции.
Плоские затворы из легких сплавов целесообразнее в тех слу-
чаях, когда удельный вес собственно подвижной части составляет
значительную долю в величине подъемного усилия (ремонтные за-
творы— 100%, основные колесные затворы — 604-80%, на полозьях
из пластика — 404-60%) *. Это обстоятельство, а также то, что лег-
* Комаров В. К. Перспективы применения алюминиевых сплавов в конструк-
циях механического оборудования гидротехнических сооружений. — Гидротехни-
ческое строительство, 1965, № 7, с. 31.
28
кий основной затвор требует балласта для посадки на порог, не
снижает грузоподъемности механизмов основных затворов; более
экономично применение легких сплавов для ремонтных затворов.
Однако из легких сплавов
пока изготавливаются
только сегментные зат-
воры.
Железобетонные зат-
воры появились благода-
ря успешному освоению
предварительно напря-
женного железобетона.
Масса железобетонного
затвора примерно в 2 раза
больше массы стального,
но расход металла мень-
ше в 34-4 раза и стои-
мость меньше в 24-2,5 ра-
за. Применение железобе-
тонных затворов целесо-
образно при их массовом
Рис. 19.13. Деревянный плоский за-
твор
изготовлении, как это име-
ло место на канале Се-
верный Донец — Донбасс,
где установлено около 50 плоских железобетонных затворов раз-
мером 3X3 м; затвор представляет собой железобетонную ребри-
стую конструкцию из двух опорных стоек и шести ригелей **, свя-
занных плитой толщиной 7 см. Полозья опор выполнены из пласти-
ка ДСП.
9. Деревянными плоскими затворами обычно перекрывают отвер-
ствия шириной 14-1,6 м, высотой 0,64-1,2 м, при напорах 24-3 м,
а иногда и более. Затвор состоит из досок толщиной 64-10 см,
соединенных вчетверть или шпунт (рис. 19.13) шпонками, врубае-
мыми с напорной стороны затвора. Для подъема затвора служат
крючья из полосовой стали (обычно 8x50 мм), приболченные
к доскам затвора. При повышенных напорах концы затвора оковы-
вают полосовой сталью или уголком. Деревянные плоские затворы
могут перекрывать и большие пролеты. В этом случае они анало-
гичны стальным: брусчатые ригели и балочная клетка, обшивка —
дощатая.
10. Параметры плоских затворов, область применения. Плоские
стальные затворы получили наибольшее распространение ввиду
простоты конструкции, малых размеров вдоль потока, удобства
осмотра, ремонта и монтажа (монтаж производится на берегу,
** Бачелис А. С., Лукин В. В. Плоские затворы из предварительно напря-
женного железобетона. — Гидротехническое строительство, 1956, № 2, с. 37.
Осмер Н. А., Бачелис А. С. Сборный и предварительно напряженный железо-
бетон в сооружениях канала Северный Донец — Донбасс. — Гидротехническое
строительство, 1957, № 2, с. 19.
29
а доставка в пролет — готовыми). До 1955 г. применялись в основ-
ном клепанные конструкции. С развитием технологии сварки они
были вытеснены сварными. Применение сталей повышенного ка-
чества позволило за последние два десятилетия существенно умень-
шить вес пролетного строения затворов, упростить их конструкцию.
Широкое распространение получили затворы на скользящих опорах
крываемых стальными плоскими затворами:
I — затворы одиночные многоригельпые; 2 — затворы
одиночные двухригельные; 3 — затворы с клапаном
(многоригсльные — в левой части, двухригсльныс —
в средней части, трехпоясные и одпоригельпыс в пра-
вой части графика); 4 — сдвоенные затворы
из пластика, поскольку
такие опоры проще в экс-
плуатации, нуждаются в
менее глубоких пазах, что
уменьшает толщину быков
и проще в изготовлении.
Плоские затворы требуют
устройства пазов глуби-
ной V20—Vs ширины от-
верстия. Ширина паза
может быть несколько
больше высоты ригеля
или равна ей; для двухри-
гельных колесных она до-
стигает 3,5 м, в сдвоенных
затворах больших проле-
тов — 5 м.
Пролеты поверхност-
ных плоских затворов до-
стигают 404-45 м, высо-
ты— 18 м при общей пе-
рекрываемой площади от»
верстия 300 м2 или большей (рис. 19.14). В особых случаях приме-
няют затворы уникальных размеров. Так, плоские затворы судоход-
ных отверстий вододелителя в дельте р. Волги имеют пролеты по
110 м при высоте затвора около 20 м и разности уровней бьефов
4,25 м. Затворы выполнены в виде пустотелой конструкции, уси-
ленной по верхнему поясу незатопляемыми сегментными ферма-
ми *.
Ниже приводится несколько примеров компоновки поверхностных затворов
в составе сооружения.
Отверстия размером 6X37 м низконапорной плотины Тисалёк на р. Тиссе
(Венгрия) перекрыты колесными затворами (рис. 19.15, а) с клапаном. Пролет-
ное строение представляет собой балку коробчатого треугольного сечения. Уро-
вень нижнего бьефа в паводок поднимается выше НПУ. Затвор в поднятом поло-
жении позволяет использовать пролеты плотины для пропуска судов.
На плотине Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС (рис. 19.15, б) двадцать
семь отверстий по 11,3X20,0 м перекрыты трехригельными затворами [30, с. 440]
на полозьях из ДСП. Эти же затворы использовались в качестве строительных
заграждений, для чего они устанавливались обшивкой в сторону нижнего бьефа.
Четыре аварийно-ремонтных затвора плоские, пятиригельные, имеют по четыре
ходовых и по шесть обратных тележек. Затворы обслуживаются двумя козловы-
ми кранами грузоподъемностью по 2500 кН (250 тс).
Примеры компоновок затворов в составе сооружений даны также в гл. 21.
* Кривкин В. П. Вододелитель в дельте реки Волги.— Гидротехническое
строительство, 1974, № 7, с. 9.
30
Рис. 19.15. Примеры подъемных затворов водосливных отверстий:
а —затвор с пролетным строением в виде треугольной балки; б - плоский затвор пло-
тины Волжской ГЭС
§ 19.2. СЕГМЕНТНЫЕ ЗАТВОРЫ
1. Схема затвора. Пролетное строение ABCD (рис. 19.16, а) сег-
ментного затвора представляет собой как бы изогнутый плоский
затвор, поворачивающийся вокруг оси О, на которой насажены ноги
ВСО, передающие нагрузку на сооружение. Напорная поверхность
обычно выполняется цилиндрической постоянного радиуса. В этом
Рис. 19.16. Схемы сегментного затвора:
а — г — с низовым расположением опорного шарнира; д — с верховым расположением
шарнира
случае при совпадении оси вращения затвора с геометрическим
центром поверхности затвора равнодействующая давления воды
проходит через ось вращения затвора. Обшивка может быть также
цилиндрической переменного радиуса или плоской (рис. 19.16, д).
Применяют одиночные сегментные затворы с клапаном и сдвоен-
ные (рис. 19.16, б, в), подъемные или опускные (например, для пере-
крытия камер судоходных шлюзов). Ось вращения (шарнир) рас-
полагают выше самого высокого горизонта воды; это предохраняет
ноги и шарниры от повреждения при ледоходе, шарниры от засо-
рения наносами и обмерзания. Радиус обшивки затвора принимают
равным (1,24-1,5) Н, где Н — высота затвора; при повышении по-
ложения оси шарниров радиус увеличивается до (24-2,5) Н.
2. Действующие силы. Сила давления воды W со стороны верх-
него бьефа может быть представлена как геометрическая сумма со-
ставляющих горизонтальной Wi и вертикальной W2 (рис. 19.17).
Сила W2 равна весу воды в объеме тела давления АВС (рис.
19.17, а) (сумма объемов, отвечающих площадям треугольника АВС
и сектора ACD). Равнодействующая W = w* + lix- проходит
через точку О и точку Е пересечения горизонтальной силы Wi,
32
проходящей на высоте Уз/Л от порога и на расстоянии Ц от цент-
ра О по вертикали, и вертикальной силы 1^2, проходящей на рас-
стоянии 12 от О по нормали. Величину 12 определяют из уравнения
W2 = 0. (19.22)
Аналогичным образом находят давление воды со стороны ниж-
него бьефа (рис. 19.17, б).
Рис. 19.17. К определению сил гидростатического давления, действующих
на сегментный затвор
Вес затвора предварительно может быть определен по формуле
С3 = й(Г£отв)'г. (19.23)
Формула (19.23) применима для затворов с прямыми ногами
при Ц7А0ТВ> 15 тс-м (& = 0,15, п = 0,70); для затворов с наклонными
ногами при И7АОТ>25 тс-м (Аг = 0,11, п = 0,69).
Рис. 19.18. Пролетное строение сегментного затвора:
а — со сквозными стрингерами и продольной системой балочной клетки; б — с длин-
ной стороной панелей обшивки, перпендикулярной ригелям — поперечная система
балочной клетки; в — с неразрезными поперечными балками; г — с пролетным строе-
нием чечевицеобразной формы
3. Конструкция затвора. Сегментные затворы выполняют из ста-
ли, легких сплавов, дерева.
Пролетное строение (рис. 19.18) состоит обычно из двух риге-
лей 1, балочной клетки, выполненной из горизонтальных балок 2
(обрешетин, стрингеров), криволинейных стоек 3 и обшивки 4.
Поперечные диафрагмы 5 выполняют сплошными или в виде ферм.
2—1777 33
Продольные связи 6 между ригелями образуют подъемно-весовые
фермы, в состав которых входят низовые пояса ригелей. Пролетное
строение (ригели) крепится к двум ногам 7, опирающимся на не-
подвижные опорные шарниры 8.
Для затворов, работающих в тяжелых ледовых условиях, ино-
гда применяют чечевицеобразную конструкцию поперечных диаф-
рагм, обладающих повышенной жесткостью (рис. 19.18).
а)
Рис. 19.19. Порталы сегментных затворов
Ригели и ноги образуют порталы (рис. 19.19, а, б, в), которые
могут быть пространственными или плоскими, с жестким или шар-
нирным соединением ног и ригелей. При значительных пролетах
предпочтительнее пространственные рамы, как более жесткие. Из-
гиб ригелей, жестко соединенных с ногами, вызывает изгиб ног.
В опорных шарнирах появляются горизонтальные силы распора Н,
которые при пространственных ногах будут больше, чем при плос-
ких. Жесткое соединение ригелей и ног дает экономию в металле
затвора, но при этом требуется дополнительно армировать быки
и усилить крепление шарниров в быках из-за действия распора.
Находят применение консольные порталы (рис. 19.19, г, д')
с нормальными или наклонными ногами. Консольные порталы с на-
клонными ногами снижают максимальный изгибающий момент, что
дает экономию в материале ригелей. Однако при этом увеличива-
ется распор в опорных шарнирах. Пространственные порталы и на-
клонные ноги не применяют в затворах с переливом воды. В этом
случае нормальные ноги выполняют в виде плоских рам 1, покры-
тых со стороны, обращенной к отверстию, плоской обшивкой 2,
защищающей конструкцию от застревания в ней ветвей, мусора,
несомых переливающейся водой (рис. 19.20).
Порталы с жестким соединением ригелей и пространственными
ногами образуют пространственные рамы, которые при расчете
разбивают на плоские рамы соответственно числу ригелей. Плоские
рамы рассчитывают как системы с одной статически неопредели-
мой величиной — распором в опорах. При значительных колебани-
ях температуры воздуха следует подсчитывать температурный рас-
пор и вызываемые им напряжения.
34
В некоторых случаях помимо основных напряжений возникают
напряжения от кручения. Наиболее значительные усилия от круче-
ния появляются при подъеме затвора за один конец; в этом случае
проверка напряжений от кручения обязательна.
Опорные шарниры быва-
ют цилиндрические, кониче
ские и шаровые. Цилиндрш
ческие шарниры могут иметь
одну проушину в подвижной
части и две в неподвижной
или наоборот (рис. 19.21, а.
б). Недостатком этих шар-
ниров является возникнове-
ние местных напряжений
при изгибе ног. Конические
шарниры применяют в зат-
ворах с наклонными ногами
средних и больших пролетов
и напоров (рис. 19.21, в).
Шаровые опоры (рис.
Рис.
19.20. Затвор с плоскими ногами при
переливе воды
19.21, г) допускают поворот ног затвора без появления местных на-
пряжений смятия и применяются при жестком соединении ригелей
с опорными ногами затвора. Неподвижная
часть опорного шарнира
Рис. 19.21. Опорные шарниры сегментных затворов (а — г) и их заделка
в быках (д — ж):
1 — подвижная часть; 2 — неподвижная часть
опирается на закладные части, заделанные в бетон сооружения.
При больших нагрузках на опору-устраивают ниши (пазы) в быках
и устоях, а бетон усиливают заделанными в него металлическими
балками (рис. 19.21, д).
2*
35
Рис. 19.22. Сегментный затвор с заанкеренной опорой:
1 — опора; 2 — предварительно напряженные анкеры в теле быка
Рис. 19.23. Уплотнения сегментных затворов:
а — возможное расположение боковых уплотнений; б — донное уплотнение; в, г — боа
ковые уплотнения; 1 —- стальной гибкий лист; 2 — уплотняющий резиновый элемент;
3 — закладная часть; 4— обшивка; 5 — трубы маслообогрева
Затворы могут опираться на консоли (рис. 19.21, е, ж), что
не требует устройства ниш (пазов), уменьшает толщину быков
и благоприятно в гидравлическом отношении. Для воспринятая бе-
тоном опорных усилий или удлиняются быки за шарнирами, или
нагрузка на бык может быть передана с помощью предварительно
напряженных анкеров (рис. 19.22).
Уплотнения сегментных затворов отличаются от уплотнений
плоских тем, что боковые уплотнения расположены по дуге окруж-
ности, а донное уплотнение конструируется с учетом наклона об-
шивки в нижней части затвора. На рис. 19.23, а показано уплотне-
ние, состоящее из гибкого 1 и уплотняющего элементов 2, стальной
криволинейной или полигональной закладной части 3. Сила тре-
ния в уплотнениях вычисляется так же, как и для плоского затвора,
по формуле (19.16).
4. Усилия подъема и посадки. Для подъема сегментного затво-
ра— поворота его вокруг оси вращения (рис. 19.24, а) необходимо
приложить момент, преодолевающий моменты от веса, трения в уп-
лотнениях и в опорных шарнирах радиусом г. Это условие можно
записать
SR cos а — GR0 cos 3 — TyRy — fQr = °, (19.24)
где R, Rg, Ry — соответственно радиусы напорной поверхности за-
твора, точки приложения веса G затвора и силы трения Ту в уплот-
нениях; Q — равнодействующая силы давления воды и части веса
37
затвора Go, передающихся шарниру (остальной вес передается
подъемной тяге в точке Л).
Из уравнения моментов, составленного относительно точки А,
приложения подъемного усилия S:
/ Rc cos ₽ \
G0 = Gll---------- . (19.25)
\ R cos а /
Расчетное усилие увеличивается введением в формулу коэффи-
циента перегрузки (&i = l,l) и коэффициента, учитывающего откло-
нение фактических величин коэффициентов трения от принятых
в расчете (k2 = 1,2):
T?Gcos₽ / r Ry \
S = k,G~------+ *2 /Q—--------+ Гу—- у - . (19.26)
R cos а \ R cos а R cos а )
Поскольку плечо силы S больше плеча силы G и так как моменты
сил трения в уплотнениях и оси затвора малы, подъемное усилиеS
всегда меньше веса затвора G. В этом основное преимущество сег-
ментных затворов перед плоскими.
Плечо 7? cos а силы S относительно шарнира меняется в зависи-
мости от точки приложения тяги. Например, если подъемное усилие
приложить в точке В (рис. 19.24, а), то в формулу (19.26) следует
подставить вместо угла а угол наклона к горизонту радиуса ОВ.
Подъемное усилие можно уменьшить путем расположения шарнира
О ниже центра О' (рис. 19.24, б). Тогда в левой части равенства
(19.24) появляется момент We, а в формуле (19.26) в правой части
добавляется член We{R cos а (со знаком «—»). На затвор, подня-
тый из воды (рис. 19.24, s), действует только вес G и иногда учи-
тывается давление ветра В. В этом случае при определении S
по формуле (19.26) Q будет равнодействующей сил G и В; Ту=0,
а углы аир будут иметь иные значения. Действие подсоса WB
на нижнюю грань затвора (см. гл. 18, § 2) увеличивает подъемное
усилие на WBR cos а2 (рис. 19.24,а).
Затвор должен быть устойчив в закрытом состоянии, т. е. отно-
шение суммы моментов сил, закрывающих затвор, относительно оси
вращения к сумме моментов сил, открывающих затвор (коэффици-
ент устойчивости затвора), должно быть больше или равно 1,25.
При этом следует учитывать момент силы фильтрационного дав-
ления, действующий на донное уплотнение (см. рис. 18.5, а, д),
и вводить в расчет коэффициент перегрузки &i = 0,9. Устойчивость
затвора можно увеличивать, смещая ось вращения О вверх от
центра О', из которого описана напорная поверхность; момент We
будет прижимать затвор к порогу.
5. Сегментный затвор с верховым расположением опорного шар-
нира (см. рис. 19.16, д) находит применение для перекрытия отвер-
стия низконапорных плотин. Верховое расположение шарнира по-
зволяет исключить армирование быка и сократить его длину вдоль
потока. Ноги портала растянуты, а не сжаты, как при обычной ком-
поновке затвора, что упрощает конструкцию ног. Опыт эксплуата-
38
ции таких затворов показывает их достаточную надежную работу,
несмотря на то, что шарнир всегда находится под водой *.
6. Автоматически действующие затворы. Сегментный затвор мо-
жет быть автоматическим, т. е. может перемещаться под действием
воды. Для этого на продолжении опорных ног за шарниром рас-
полагается противовес, уменьшающий подъемное усилие. Последнее
создается давлением воды
на особые клапаны и поплав-
ки. Так, у системы, показан-
ной на рис. 19.25, противовес
связан в точке В с клапа-
ном ОВ, вращающимся во-
круг оси О в особых шахтах
быков; при повышении уров-
ня воды верхнего бьефа
сверх НПУ вода поступает
по трубам на клапан ОВ и
заставляет его опускаться,
а затвор — открываться; по
установлении НПУ поступле-
ние воды прекращается, рис 19 25. Вододействующий сегментный
шахта опоражнивается, за- затвор
твор закрывает отверстие.
7. Затворы деревянные и из легких сплавов. Деревянные сегмент-
ные затворы могут применяться для напоров до 4 м и пролетов
до 8 м. Ноги и ригели выполняются брусчатыми, с подкосами,
идущими от ног к середине ригеля.
Сегментные затворы из легких сплавов еще не нашли широкого
распространения, поскольку их стоимость пока выше стальных за-
творов. Однако уменьшение стоимости грузоподъемных механизмов,
расходов на транспортировку и монтаж, снижение эксплуатацион-
ных расходов (ремонт затвора из антикоррозийного материала
не чаще чем раз в 20 лет из стали — очистка от ржавчины и по-
краска через 5 лет), совершенствование технологии изготовления
таких затворов делает их весьма перспективными. В Советском
Союзе, например, затворы из алюминиево-магниевого сплава уста-
новлены на одном из водосбросов канала им. Москвы **. При от-
верстии 2,75X6,0 м вес затвора составляет 12,45 кН (1,27 тс)
(а вес стального затвора — 27,5 кН, или 2,8 тс). Вес лебедки для
подъема затвора — 2,45 кН (0,25 тс), а вес лебедки для стального
затвора — 3,92 кН, или 0,4 тс.
8. Область применения. На рис. 19.26 даны пределы значений
Н и L выполненных сегментных затворов, которые обычно пере-
крывают отверстия до 280—300 м2. В то же время в СССР построен
* Сегментный затвор с верховым расположением опорного шарнира. —
Экспресс-информация. Гидроэнергетика. — М., ВИНИТИ, 1968, № 8, с. 10.
** Комаров В. К- Перспективы применения алюминиевых сплавов в конструк-
циях механического оборудования гидротехнических сооружений.— Гидротехни-
ческое строительство, 1965, № 7, с. 33.
39
уникальный затвор, перекрывающий отверстие площадью 528 м2
(Вилюйская ГЭС).
Сегментные затворы по сравнению с плоскими имеют ряд пре-
имуществ: 1) в несколько раз меньше (менее веса) подъемное уси-
Рис. 19.26. График размеров от-
верстий, перекрываемых затвора-
ми:
1 — сегментными; 2 •— вальцовыми
лие, простота и надежность ма-
неврирования, большая скорость
подъема; 2) большая жесткость
(возможность подъема за одну
сторону), лучшая работа в зим-
них условиях и при обильных на-
носах в реке; 3) меньшая высота
быков, возможность отказа от
пазов; 4) возможность устройст-
ва вододействующего затвора.
В 'то же время они имеют и не-
достатки: 1) необходимость при-
менения быков большей длины;
2) при наличии распора — увели-
чение толщины быков; 3) невоз-
можность перестановки строи-
тельного или ремонтного затвора.
На низконапорной плотине гидроузла Кишкэре на р. Тиссе (Венгрия) пять
отверстий размером по 11X24 м перекрываются сегментными затворами с клапа-
нами высотой 3 м. Маневрирование каждым затвором и клапаном осуществляется
двумя гидроподъемниками (рис. 19.27, а).
На Братской ГЭС им. 50-летия Октября (рис. 19.27, б) десять отверстий раз-
мером 6X18 м перекрываются сегментными затворами с наклонными ногами
(рис. 19.28). Центр кривизны обшивки находится на 50 мм выше центра враще-
ния. Затворы поднимаются за две точки двумя козловыми кранами грузоподъем-
ностью по 1500 кН (150 тс), которые обслуживают и плоские скользящие ремонт-
ные затворы.
Для перекрытия отверстия водосброса Вилюйской ГЭС (рис. 19.29) служит
сегментный затвор 14X40 м весом 5 МН (500 тс), несущий нагрузку 44 200 кН
(4500 тс). Центр оси вращения находится ниже центра кривизны обшивки. Затвор
поднимается лебедками, соединенными полиспастами с грузовыми цепями, закреп-
ленными в нижних точках опорных стоек *.
§ 19.3. ВАЛЬЦОВЫЕ ЗАТВОРЫ
1. Типы вальцовых затворов. Вальцовый затвор выполняется
в виде трубчатой двухопорной балки. При подъеме он перекаты-
вается по наклонным путям в пазах быков и устоев (рис. 19.30).
Первоначально пролетное строение вальцового затвора пред-
ставляло собой круглый цилиндр (рис. 19.30,6,7). Ввиду неблаго-
приятных условий обтекания цилиндра при движении воды под
ним (появление вакуума, биение струи) и в целях экономии метал-
ла, а также для повышения напора на гребне плотины появились
затворы со щитком (рис. 19.30, б, II), щитком и гребешком (рис.
19.30, б, III); применяются конструкции с козырьком (рис.
* Полонский Г. А. Развитие затворостроения гидротехнических сооружений
в СССР. — Гидротехническое строительство, 1968, № 6, с. 9.
40
Рис. 19.27. Компоновка сегментных затворов в соору-
жении:
а — низконапорная плотина (затвор с клапаном); б — высо-
конапорная плотина (Братский гидроузел)
Рис. 19.28. Сегментный затвор плотины Братского гидроузла
3000
Рис. 19,29. Затвор водосливного отверстия плотины Вилюй-
ского гидроузла:
/ — подвесное устройство; 2— кран-балка; 3 — затвор; 4 — канатный
механизм
19.30, б, IV), у которой собственно цилиндр не воспринимает
непосредственно давления воды. Позднее круговой цилиндр стали
заменять более жестким овондальным цилиндром (рис. 19.30, б, V),
коробчатыми и трехпоясными балками и т. п. В этом случае для
Рис. 19.30. Схема вальцового затвора (а) и варианты его пролетного строе- .
ния (б):
1 — опорные рельсы; 2 — рабочая цепь; 3 — холостая цепь; 4 — щиток; 5—гребешок;
6 — клапан
перекатывания затвора опорные части выполняются в виде
диафрагм, имеющих форму круга или его части. Находят приме-
нение вальцовые затворы с клапаном (рис. 19.30, б, IV).
2. Анализ работы затвора. Опорные диафрагмы имеют бандажи
с зубцами, опирающиеся на зубчатые рейки пазов. В любом поло-
жении затвор удерживается рабочей цепью, закрепленной на од-
ном (рабочем) конце вальца (см. рис. 19.30). К другому концу
прикреплена вторая цепь, холостая, идущая в обратном направ-
лении. Вкатывание затвора производится при помощи одной ра-
бочей цепи, которая сматывается с затвора, в то время как холо-
стая наматывается.
На затвор действует сила давления воды (рис. 19.31)
W = + 1^2 (1Р2— вес воды в объеме тела давления; на рис.
19.31,6 имеем —W2') и собственный вес G затвора. Равно-
действующая Р силы давления воды W и веса G затвора действует
по направлению, пересекающему путь вкатывания затвора ниже
или выше касания затвором рельса. Из уравнения моментов отно-
сительно точки А (пренебрегая трением качения и полагая силу5
параллельно пути вкатывания) S2P—Ре = 0 имеем
s = p-^- (19.27>
Усилие S всегда .меньше веса G затвора. В этом отношении валь-
цовый затвор имеет преимущество перед плоским затвором.
44
Если направление действия силы Р проходит ниже точки А, то
момент Ре противодействует подъему затвора, если выше точки А,
то Ре способствует вкатыванию затвора при е = 0 S — 0 (рис.
19.31, а, б).
Форму напорной поверхности затвора и угол наклона пути выби-
рают такими, чтобы плечо е соответствовало минимальной величи-
(19.28>
не S, при сохранении в нижнем положении затвора нужной устойчи-
вости, которая согласно рис. 19.31, в определяется коэффициентом
k Gbi +
У 11^2^2 +
При различных положениях затвора во время подъема меняется
величина W и ее направление, в соответствии с чем будет изменять-
ся и сила Р, на которую рассчитывается прочность затвора как бал-
ки, и подъемное усилие S. Поэтому анализ, подобный приведенному
выше, делается для различных положений затвора и расчетным
принимается наиболее невыгодный случай, например, когда затвор
вышел из воды (рис. 19.31, г).
S-2R Cie ~ GR sin О,
„ sin О
S= 2
(19.29)
45
В случае ветра, действующего на затвор с силой В, в правой час-
ти формулы (19.29) появляется член Bb)2R.
3. Конструкция и расчет элементов. Несущая конструкция
пролетного строения представляет собой цилиндр, состоящий из
обшивки толщиной 10ч-16 мм и стрингеров из швеллеров, число
которых' бывает 8-4-12 и более при расстоянии друг от друга 0,6-4-
1,0 м (рис. 19.32, а). Жесткость и неизменяемость конструкции
Рис. 19.32. Конструктивная схема (а) и опорные части (б) вальца:
1, 2 — поперечные и опорные диафрагмы; 3 — стрингеры; 4 — обшивка; 5 — опорный
рельс; 6 — бандаж
обеспечивается поперечными диафрагмами, представляющими со-
бой жесткие кольца из швеллеров или двутавров или плоские ре-
шетки на расстоянии 1,5—1,8 м друг от друга. Опорные диафраг-
мы усиливаются для восприятия перерезывающей силы (опорной
реакции).
Напряжения от изгиба вальца как балки воспринимаются об-
шивкой и обрешеткой; в обшивке развиваются дополнительные на-
пряжения от местного изгиба ее как пластинки, лежащей на стрин-
герах. Эти напряжения отсутствуют в части цилиндра, не сопри-
касающейся с водой.
Несущая конструкция рассчитывается как трубчатая балка на
двух опорах (см. рис. 19.30). Добавляется расчет на скручивание
вальца под действием крутящего момента, который появляется при
подъеме затвора. В сечении, отстоящем от рабочей опоры на рас-
стоянии XI
Л1кр = Рхг 4-0,5 Р(е — г),
где Px = P(i—x/L)—равнодействующая сил W и G на участке
L—х; L — пролет отверстия в свету; Р — равнодействующая сил
W и G; г, (е— г)—эксцентриситеты силы Р и реакции холостой
опоры Az=PI2 (рис. 19.33).
Стрингеры рассчитывают на общий изгиб пролетного строения
и на местный изгиб как балки, опирающейся на диафрагмы; в рас-
четное сечение вводится обшивка, присоединенная к поясам стрин-
46
Рис. 19.33. К определению реакций
опор и подъемного усилия
геров. Уплотнения вальцового затвора аналогичны уплотнению
сегментного.
4. Опорно-ходовые части. На опорных диафрагмах, имеющих
более мощную конструкцию, чем диафрагмы в пролете, закреплены
бандажи, объединяющие в себе одновременно искривленные по
дуге окружности рельс и зубчатую рейку (рис.. 19.32, б); опоры
в пазах быков представляют собой прямолинейные рельсы, объе-
диненные с рейками. Затвор пере-
катывается по рельсам, через ко-
торые на сооружение передается
нормальная составляющая равно-
действующей сил давления воды
и веса затвора; касательная со-
ставляющая передается через
зубцы реек. Угол наклона рельсов
в пазах берется около 70°, как
отвечающий минимальному подъ-
емному усилию и обеспечивающий
устойчивость затвора в нижнем
положении. Рабочая и холостая
цепи охватывают затвор в проти-
воположных направлениях: когда
одна из цепей сматывается с затвора, другая наматывается, что
предохраняет затвор от падения в случае нарушения зацепления
зубцов (рабочая и холостая цепи создают моменты противополож-
ных знаков).
5. Определение подъемного усилия и реакций опор. Для равно-
весия затвора в любом положении при вкатывании равнодействую-
щая силы давления воды W и веса затвора G суммарной реак-
ции А = са опор и подъемного усилия Sp (рис. 19.33, а), действую-
щих на затвор, должна быть равна нулю. При подъеме затвора
требуется преодолеть момент силы Р — W-YG, силы трения в уп-
лотнениях, трения качения бандажа по рельсам и трения скольже-
ния зубцов. Составляющая Sp подъемного усилия находится из
уравнения моментов, составленного относительно точки С, услов-
ного мгновенного центра вращения вальца. При равенстве радиу-
сов /?1 = Д2 сила Sp определяется по формуле (19.27). В действи-
тельности радиус R\ точки крепления цепи не равен радиусу /?2
точки катания цилиндра, поэтому
S„ = P-------. (19.30)
Для определения составляющих подъемного усилия, затрачивае-
мых на преодоление трения качения (между бандажом и рельсом)
и трения скольжения (между зубцами рейки и бандажа), необхо-
димо знать нормальные N = Ni = N2 и тангенциальные 1\, Т2 состав-
ляющие опорных реакций.
Определение реакций опор и их составляющих проще графиче-
ским способом, построением плана сил на плоскости, нормальной
к оси вальца.
47
В условиях предельного равновесия сила P=G + W=ao уравновешивается
силой тяги Sp = bc и суммарной реакцией А = са опор, действующей в направлении
СА (рис. 19.33). Так как нагружение затвора симметрично, то сила Р вызывает
на холостой опоре вальца реакцию A2 — da=P/2.
Сила Sp действует в плоскости рабочей опоры, проходящей через точку сцеп-
ления зубцов бандажа вальца с зубцами рейки опоры, и не влияет на направле-
ние и величину реакции_Д2 холостой опоры, следовательно, A2=P/2 — da. На ра-
бочей опоре сила Sp = 6c, складываясь с силой Pj2 = db, вызывает реакцию
Ai = PI‘2-\-Sp = db + bc = cd. В сумме реакции опор At и Д2 дают найденную в на-
чале построения их равнодействующую А = са. Составляющие реакций Ai и А2,
нормальные к пути вкатывания (N1 = N2=fd=ea), воспринимаются рельсами опор,
касательные составляющие 7\ = cf и T2=de — зубцами реек.
Подъемное усилие Sp, определенное по формулам (19.27),
(19.30) или графически (рис. 19.33, б), требуется для преодоления
действия силы Р. Кроме того, определяются составляющие подъем-
ных усилий:
силы для преодоления трения в уплотнениях (шириной Ь
Sy(R1+R2) = Ty(b + Ri + R2). (19.31)
силы для преодоления трения .качения
SK (Z?i + R2) = f£N (19.32)
и силы для преодоления трения ib зубцах реек
53(/?1 + /?2) = /о(Л + 7’2)г, (19.33)
где Ту — находят по формуле (19.16); fK— коэффициент трения
(плечо) качения; z— плечо силы трения скольжения зубцов банда-
жа по зубцам реек, равное расстоянию от мгновенного центра вра-
щения С до точки касания поверхностей зубцов; f0— коэффициент
трения скольжения.
Полная величина подъемного усилия
S ~ k2 (Sy 4- S;- + S3), (19.34)
где k{— коэффициент перегрузки, ^! = 1,1; k2— коэффициент усло-
вий работы, ^2=1,24-1,3.
Вес (тс) вальцового затвора площадью F (м2) в первом прибли-
жении может быть найден по формуле А. Р. Березинского
С = 0,5Л+0.02Л/Л. (19.35)
Подъемное усилие определяется для различных положений за-
твора и максимальное его значение принимается за расчетное. Сле-
дует отметить, что составляющие подъемного усилия SK и S3 весь-
ма невелики.
6. Особые конструкции вальцовых затворов. Для сброса льда
и плавающих тел поверх затвора без излишнего расходования воды
применяются опускающиеся вальцовые затворы; предел опускания
обычно до 1,5 м. Более конструктивны применяющиеся для этой
же цели вальцовые затворы с клапаном (рис. 19.30, VI).
7. Область применения. Пролеты отверстий, перекрываемых
вальцами, достигают 454-50 м, но могут быть и до 50—60 м, высо-
48
та затворов — до Эми ‘цри малых пролетах — до 13 м; общая ле-
рекрываемая площадь отверстия достигает 300—440 м2. Вальцовые
затворы отличаются большой жесткостью и относительно неболь-
шим подъемным усилием, поэтому они могут с успехом применять-
ся в условиях весьма суровой зимы и на реках, влекущих значитель-
ное количество наносов. Затворы эти без особых последствий вос-
принимают удары плавающих тел и навал льда. Вес вальцового
затвора и стоимость его для обычных условий работы выше, чем
плоского или сегментного.
Рис. 19.34. Водосливной пролет плотины, перекрытый вальцовым затвором:
1 — подъемная цепь; 2 — зубчатая рейка; 3 — концевой щиток
Быки для вальцовых затворов превосходят по своим размерам
(толщине, длине, высоте) и по стоимости быки для сегментных
и плоских затворов.
На рис. 19.34 показан водослив пролетом 30,57 м, перекрытый
вальцовым затвором с диаметром вальца 6,5 м, напор на гребне
водослива 7,4 м.
Б. ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ
НА ПОРОГ ОТВЕРСТИЯ
Затворы, передающие давление воды на порог, не подвергаются
изгибу как балки, лежащие на быках, что упрощает их конструк-
цию, могут перекрывать значительные пролеты; масса затворов
зависит главным образом от их высоты, но не от пролета; затворы
открывают отверстие, опускаясь на порог или в нишу в нем.
Затворы, передающие давление на порог, можно разделить на
две группы: 1) секторные, крышевидные, клапанные, вращающие-
ся на горизонтальных осях, направленных поперек потока; большая
часть этих затворов может быть гидравлического действия, рабо-
49
тающих автоматически; 2) с -поворотными фермами и рамами,
вращающиеся на горизонтальных -осях, параллельных движению
потока.
§ 19.4. СЕКТОРНЫЕ ЗАТВОРЫ
1. Общая схема и типы затворов. Секторными называют затво-
ры, имеющие поперечное сечение в виде сектора -с обшивкой и за-
крепляемые на пороге плотины на горизонтальной оси, вращаясь
вокруг которой они могут частично или полностью опускаться
в специальную нишу (рис. 19.35). Ось вращения находится с низо-
вой или верховой стороны (рис. 19.35,г).
Рис. 19.35. Схемы секторных затворов
Затворы вододействующие с обшивкой низовой сливной грани
(рис. 19.35, а, б) находятся в равновесии или поворачиваются при
опускании и подъеме, благодаря давлению воды, заполняющей ни-
шу, называемую камерой давления. Затвор (рис. 19.35, в) с низо-
вой гранью, обшитой частично, является полувододействующим
и требует механизма маневрирования.
Если обшивка имеется со всех сторон, то затвор называется по-
плавковым, так как он имеет плавучесть (рис. 19.35, б, г). Затвор
с обшивкой по двум граням называется тонущим (рис. 19.35, а, в).
Выполняются секторные затворы из стали, а затворы поплав-
кового типа также и из железобетона.
Коэффициент расхода водослива с опущенным в нишу сегмент-
ным затвором равен 0,35-4-0,36. Для увеличения коэффициента рас-
хода низовая грань выполняется криволинейной.
2. Анализ работы затвора. Действие сил на затвор при его рав-
новесии или повороте может быть представлено в следующем виде.
Тонущий вододействующий секторный затвор (рис. 19.36, а, б)
находится под воздействием сил веса G затвора и давления воды:
W7! на напорную грань со стороны верхнего бьефа, Н72, 1^з — на
внутренние грани со стороны камеры противодавления; 1К4— сила
давления на низовую грань переливающейся воды (рис. 19.36, б).
Кроме того, имеются силы трения f0 (Wi—W2) в шарнирах оси ра-
диуса г и трения Гу в боковых уплотнениях [формула (19.16)].
При равновесии затвора в каком-либо положении сумма момен-
тов всех сил W7i и веса затвора относительно оси вращения должна
50
убыть равна нулю. В условиях предельного равновесия, т. е. в мо-
мент начала поворота затвора вверх или вниз, в уравнение равно-
весия добавляются моменты от сил трения, направленные в сторо-
ну, обратную движению. В общем случае
Ga — W3b + W4c ± /0(1Г1— W2)r ±TyRy = 0, (19.36)
где /?у — плечо силы трения в уплотнениях (остальные обозначе-
ния см. на рис. 19.36, а, б).
Открытие отверстия плотины регулируют, впуская в камеру
давления воду из верхнего бьефа и выпуская ее.
Рис. 19.36. Схемы действия секторного затвора
Поплавковый затвор (рис. 19.36, в, г) находится в несколько
иных условиях. В общем случае состояние предельного равновесия
выражается уравнением
Оа — W2b-\-W3c ± f0Wxr ± TyR = 0. (19.37)
Каждому равновесному положению затвора соответствует оп-
ределенный напор в камере противодавления, поддерживаемый
соответствующей величиной расхода воды, протекающей через
камеру *.
Поскольку затвор плавает, в верхнем положении его приходит-
ся удерживать от выталкивания ограничителем, вызывающим ре-
акцию А, которая может быть найдена из уравнения (рис. 19.36, в)
AR + Од—0,51Г2/? = 0. (19.38)
* Гладков В. К. Метод улучшения режима работы автоматического сектор-
ного вододействующего затвора плотины Ингурской ГЭС.— Гидротехническое
строительство, 1970, № 1, с. 13.
51
Полугидравлический затвор имеет обшивку лишь на части ни-
зовой грани (рис. 19.36, д, е), поэтому силы W2 давления воды на
эту часть обшивки недостаточно для подъема затвора, вследствие
чего применяется механизм маневрирования, дополняющий подъ-
емное усилие, создаваемое давлением на обшивку со стороны ниши.
3. Конструкция затвора. Секторный затвор очерчивается радиу-
сом (1,44-2) Я, где Я — напор на гребне водослива. Ось вращения
располагается примерно на (0,14-0,2) Я ниже гребня. Пролетное
строение состоит из поперечных вертикальных ферм-диафрагм
(рис. 19.37), шарнирно закрепленных на пороге и соединенных
между собой стрингерами, причем со стороны напорной грани меж-
ду стрингерами могут быть расположены поперечные балки для
уменьшения размеров сторон балочной клетки. Расстояние между
диафрагмами 1,34-3 м.
Рис. 19.37. Поплавковый секторный затвор с низовой осью вращения:
а — компоновка в сооружении: б — конструктивная схема; / — диафрагма; 2 — стринге-
ры; 3 — шарниры
Опорные шарниры устраивают или сплошными вдоль затвора
или отдельными под каждой диафрагмой (рис. 19.38).
Уплотнения несут особо ответственную службу, так как долж-
ны предохранять камеру от потери давления и занесения наносами.
Боковые уплотнения выполняются аналогичными применяемым
для сегментных затворов, донные —в виде металлического гибкого
листа с уплотняющим элементом из резины или дерева. По оси
вращения уплотнение достигается устройством сплошной оси или
применением гибких металлических листов с резиновыми элемен-
тами.
Вес подвижной части затвора на 1 м2 перекрываемого отвер-
стия равен, по С. В. Тарановскому (для стали СтЗ):
£ = 255 +217/77+(50 = 80) Я, (19.39)
где Я — высота гребня затвора над порогом плотины, м;
для затворов с низовой осью вращения
g = 135 + 129 Ун + 54Я. (19.40)
52
4. Особенности затвора с верховой осью вращения. Отношение
радиуса затвора к высоте принимают h/R=\. Низовая грань очер-
чивается по дуге окружности, напорная—по кривой, образующей
при нижнем положении затвора безвакуумную водосливную поверх-
ность. Затвор может быть поплавковым или тонущим*. Условия
равновесия этого затвора
аналогичны затвору с ни-
зовой осью; отличие сос-
тоит в том, что сила
давления воды Wj созда-
ет момент, стремящийся
закрыть затвор (рис.
19.39). От выпирания зат-
вор приходится удержи-
вать ограничителем, даю-
щим реакцию А. Умень-
шению этой реакции
способствует применение
козырька (рис. 19.40),
увеличивающего момент
усилия Wi при том же
моменте силы 1К2. Высота
козырька Ла; (0,25-4-
-4-0,3) Н. Ось вращения,
закрепленная анкерами,
располагается примерно
на 0,25Я выше порога за
затвором. Коэффициент
расхода водослива при
полностью опущенном
затворе т—0,44-4-0,45.
5. Железобетонный за-
твор. Применение железо-
Рис. 19.39. Схема секторного затвора
с верховой осью вращения
Рис. 19.38. Опорный шарнир секторного за-
твора:
1 — ось; 2 — уплотняющая прокладка
Рис. 19.40. Секторный затвор с верхо-
вой осью вращения, с козырьком 1
* Гладков В. К. Секторный вододействующий затвор автоматического управ-
ления. — Гидротехническое строительство, 1965, № 1, с. 14.
53
л-л
Рис. 19.41. Железобетонный секторный
затвор
бетона для затворов целесообразно там, где можно избежать уве-
личения грузоподъемности механизмов. Таким свойством обладает
.гидравлический секторный поплавковый затвор, состоящий из ди-
афрагм, сплошных или облегченных отверстиями, и тонкостенных
плит, образующих грани затвора (рис. 19.41). Он является моно-
литной конструкцией, но может быть выполнен из сборного желе-
зобетона *.
6. Область применения. Затворы с низовой осью вращения ус-
танавливают на плотинах распластанного профиля, у которых гре-
бень водослива распластан
(водослив с широким поро-
гом). Затворы с верховой
осью вращения, как более
компактные, устанавливают
па порогах высоких плотин,
где выдерживается форма
водослива практического
профиля. В большинстве
случаев описываемые затво-
ры являются автоматиче-
скими, что достигается
разнообразными системами из поплавков, меняющих свое положе-
ние вслед за колебанием уровня верхнего или нижнего бьефа и за
-счет автоматизации задвижек впускающих или выпускающих воду
из камеры давления. Быки, в связи с размещением в них задвижек,
выполняют шириной 34-6 м.
Секторные затворы гидравлического действия могут перекры-
вать отверстия пролетом до 60-4-65 м, высотой до 9-4-10 м, полу-
гидравлического— до 404-50 м и высотой до 84-9 м. Достоинства-
ми затвора являются автоматичность действия, быстрота маневри-
рования, точное регулирование верхнего бьефа, возможность сбро-
са льда и плавающих тел, жесткость конструкции, малая высота
быков. Затвор позволяет сбрасывать воду в нижний бьеф равно-
мерно по фронту плотины, что облегчает водобой и рисберму. Воз-
можность облегчения водобоя и рисбермы способствует примене-
нию секторных затворов. Недостаток затвора — сложность монта-
жа, что может повлиять на срок пуска сооружения в эксплуатацию,
относительно более сложная эксплуатация (необходимость обогре-
ва зимой, очистки камеры от наносов, потребность при ремонте
в принудительном подъеме затвора, сложность ремонтных заграж-
дений) .
Железобетонные секторные затворы нашли применение за ру-
бежом. Имеются вододействующие секторные затворы пролетом
до 45 м. В ЧССР (1967) установлено два секторных железобетон-
ных затвора пролетом по 22,5 м, собранных из секций шириной
по 1,5 м.
* Юшманов О. Л. Вододействующий затвор из сборного железобетона. —
Гидротехническое строительство, 1961, № 10, с. 28.
54
§ 19.5. КЛАПАННЫЕ И КРЫШЕВИДНЫЕ ЗАТВОРЫ
Рис. 19.42. Клапанный подкосной затвор
Клапанный затвор состоит из плоских или криволинейных по-
лотнищ, которые поворачиваются на горизонтальной оси, укреп-
ленной на пороге. Для улучшения условий обтекания полотнища
в опущенном состоянии оно может быть криволинейным, а для уве-
личения жесткости сечение затвора — чечевицеобразной формы.
1. Клапанные подкосные затворы. В поднятом состоянии полот-
нища удерживаются подкосами, установленными непосредственно
на пороге. Простейший кла-
панный затвор показан на
рис. 19.42. Полотнище высо-
той /1=0,5—1 м и длиной
около 2 м удерживается
подкосом, упирающимся в
порог. Просветы размером
0,54-0,7 см между полотни-
щами перекрываются рези-
новыми лентами. При малых
пролетах управление затво-
ром осуществляется со слу-
жебного моста, при больших
(например, 604-70 м) — с
тележки кабель-крана. Полотнища высотой около 1 м могут
быть деревянными, более 14-1,5 м — металлическими.
Современные клапанные подкосные затворы'могут иметь значи-
тельные размеры, совершенную форму и приводятся в движение
механизмом. Клапан может быть или поднят полностью, или.
частично.
На рис. 19.43, а показан водослив плотины Кегумс на р. Даугава. В каждом
из двух пролетов плотины установлено по четыре затвора длиной по 20 м и вы-
сотой 5,35 м. Каждый затвор имеет по два подкоса (штанги), шарнирно соеди-
ненных со штоками гидравлических подъемников. Затворы открывают отверстие
шириной 80 м одновременно.
На рис. 19.43, б показан водослив*, отверстие которого шириной 11,35 м и
высотой 5,2 м перекрывается клапанным затвором с центрально расположенным
гидроприводом. Напорная обшивка клапана криволинейна. Жесткость клапана
обеспечена поперечными ребрами. Время подъема затвора—18 мин, опускания —
17 мин. Аналогичное решение принято для водосливных отверстий размерами по
12X3,1 м одной из арочно-гравигационных плотин (рис. 19,43, б) **.
2. Клапанные уравновешенные затворы. Затвор уравновешива-
ется или противовесом, или гидравлически. Противовес шарнирно
связан с коромыслом, расположенным в нише порога (рис. 19.44, а).
Коромысло соединено с полотнищем штангами. Такие затворы при-
меняются обычно для перекрытия отверстий до 20 м при высоте до
* Клапанный затвор водосброса гидроузла на р. Леос (Бавария, ФРГ) —
Экспресс-информация. Гидроэнергетика. М., ВИНИТИ, 1973, Xs 10, с. 1.
** Арочно-гравитационная плотина ГЭС Шиффенен.— Гидротехническое
строительство, 1964, № 12, с. 55.
55
3,5 м. Их установка целесообразна на повышенных порогах, когда
вода нижнего бьефа не влияет на работу затвора.
Затворы, уравновешенные гидравлически, представляют собой
жлапаны, вращающиеся на горизонтальной оси, помещенной при-
мерно в середине затвора. Простейший уравновешенный вододей-
•ствующий затвор (рис. 19.44, б) поддерживает напор 1,4 м и от-
крывается при повышении уровня верхнего бьефа на 0,2 м над НПУ.
.Затворы, изображенные на рис. 19.44, в, г, поворачиваются под
Рис. 19.43. Клапанные затворы с гидроприводом
воздействием силы давления со стороны камеры давления, в кото-
рую вода поступает по водоводам, имеющим регулирующие за-
движки или без регулирования—при повышении уровня верхнего
бьефа до определенной отметки. Автоматизация затворов с каме-
рой давления возможна также путем соединения задвижек с по-
плавками, следящими за уровнями бьефов.
3. Достоинства клапанных затворов: простота маневрирования,
точность регулирования подпорного уровня, пропуск плавающих
тел без значительных потерь воды, быстрота действия, возможность
перекрытия пролетов любой величины. Недостатки: необходимость
устройства в пороге углублений и ниш, сложность монтажа и
ремонта.
4. Крышевидные затворы. Подвижная часть этих затворов со-
стоит из двух полотнищ (клапанов), вращающихся на горизонта-
льных осях и образующих в приподнятом состоянии крышевид-
56
ную конструкцию, которая в опущенном состоянии помещается
в нише порога плотины (рис. 19.45). Верховое или низовое полот-
нище имеет на конце короткую надставку, нормальную к плоскости
полотнища, низовое полотнище имеет криволинейную поверхность.
' Рис. 19.44. Клапанные уравновешенные затворы
Камера, образуемая «крышей» затвора, заполняется водой из верх-
него бьефа, которая давит на полотнище.
Маневрирование затвором производится автоматически или ре-
гулированием давления в камере.
На рис. 19.45, в, г показаны два положения затвора.
1. В верхнем положении затвора на полотнища действуют силы
давления воды Wi, 1К2 и W3 и веса Gi и G2; реактивные силы — ре-
акция N в контакте полотнищ С, передаваемая роликами, реакции
57
Рис. 19.45. Крышевидный затвор:
<2 — схема затвора; б—-пример конструктивного решения; в, г — схемы силовых воздей-
ствий
в опорных шарнирах Л и О и трение в шарнирах А, С и О. Прене-
брегая для упрощения анализа трением, получаем уравнения мо-
ментов, выражающие условие равновесия полотнищ:
верховое полотнище
— W2a2 + — Nni = Q, (19.41)
низовое полотнище
ПУза.з —— Nn2 = 0. (19.42)
Плечи сил а2, а3, nit п2 и W2, W3 можно выразить через hK—
превышение уровня воды в камере над шарниром О. При извест-
ных Wi, Gi, G2, blt b2 из уравнения (19.41) можно определить hK,
т. е. найти уровень в камере.
В промежуточном положении затвора (рис. 19.45, г) величины
сил WIt W2, W3, Gi и G2 и их плечи изменяются. Появляются силы:
Ц74—'Сила воздействия воды, сливающейся по полотнищу, W$—
сила давления воды со стороны камеры на надставку верхового по-
лотнища. Аналогично предыдущему случаю составляются уравне-
ния моментов, из которых определяют необходимую величину дав-
ления в камере *.
Крышевидные затворы перекрывают отверстия шириной до
40—45 м при высоте 6-у7 м. Затвор применяется в условиях быстро
наступающих паводков (затвор опускается за 2-j-10 мин), беспре-
пятственно пропускает лед и другие плавающие тела и обеспечива-
ет точое регулирование уровня верхнего бьефа.
Недостатки затворов: необходимость относительно широкого
порога плотины; сложность конструкции регулирующей системы
затвора, его эксплуатации, монтажа; необходимость тщательного
надзора зимой—борьба с обмерзанием затвора, летом — борьба
с наносами.
§ 19.6. ЗАТВОРЫ С ПОВОРОТНЫМИ ФЕРМАМИ И РАМАМИ
1. Затвор с поворотными фермами состоит из ряда металличе-
ских (статически определимых) ферм, устанавливаемых на пороге
отверстий плотины (рис. 19.46) на расстоянии 1,04-1,5 м друг от
друга, нормально к оси плотины; пролеты между фермами пере-
крываются щитами, спицами или шторами. При пропуске воды
часть щитов или спиц (в зависимости от величины расхода) выни-
мается. Для полного открытия отверстия, что делается перед ледо-
ставом, удаляются все щиты, фермы поворачиваются в опорных
шарнирах и укладываются на порог плотины при помощи лебедки,
выбирающей цепь или трос, которыми соединены фермы. К момен-
ту окончания половодья отверстие закрывается. Для закрытия от-
верстия фермы поднимают при помощи той же лебедки и соединя-
* Беляшевский Н. Н. Гидравлический расчет русловых плотин, оборудован-
ных крышевидными затворами. Киев, 1977.
59
ют легкими элементами служебного мостика, с которого произво-
дят закрытие пролетов между фермами, щитами, спицами и т. п.
Один из устоев плотины с поворотными фермами делается обыч-
ного типа, с обратными стенками, другой — с нишей, в которую
укладываются крайние фермы при опускании их на порог.
Поворотные фермы имеют разнообразные решетки: простейше-
го типа при спицевых заграждениях (рис. 19.47, а), с растянуты-
ми раскосами и сжатыми стойками низового пояса (рис. 19.47, б),
со сжатыми раскосами — фермы более жесткие и тяжелые (рис.

Рис. 19.46. Схема плотины с поворотными фермами:
1 — устой с нишей
19.47, в), облегченного типа, предложенные проф. Н. П. Пузырев-
ским (рис. 19.47, г). Наиболее распространены решетки, предло-
женные более 100 лет назад инж. Поаре (рис. 19.47, б). Следует
отметить, что аналогичное предложение за 10 лет до него было сде-
лано русским инж. И. Н. Корицким, которое, как и многие ценные
предложения в царской России, не получило распространения.
Пример конструкции поворотной фермы приведен на рис. 19.47, д.
При расчете поворотных ферм нагрузка от воды и собственного ве-
са считается приложенной в узлах. Опорные реакции определяют
исходя из того, что передняя (верховая) опора делается в виде
подшипника (реакция имеет только вертикальную составляющую),
а задняя — в виде подшипника с упором для восприятия и горизон-
тальной составляющей реакции (рис. 19.47, I, II). Передний под-
шипник работает на вырывание из порога плотины, поэтому заан-
керивается; задний — на сжатие и сдвиг. Щиты, перекрывающие
пролеты между фермами, выполняются деревянными; ширина щи-
тов соответствует пролету между фермами, высота — 0,74-1 м. Для
60
перекрытия отверстия щиты устанавливают друг на друга. Подъем
щитов и установка производятся легким краном, передвигающим-
ся по служебному мостику.
Спицы — деревянные брусья прямоугольного сечения. Их уста-
навливают нижним концом на порог плотины, а верхний конец
опирается на балку служебного мостика (рис. 19.47, а). Для сня-
тия спицы ее поднимают за рукоятку — и она всплывает.
Рис. 19.47. Затвос с поворотными дермами:
а — г — типы поворотных ферм; д — примел конструкции при напоре 4,7 м (размер на ри-
сунке в м)
Поворотными фермами можно перекрывать отверстия в 2004-
300 м при напорах 44-5 м (высота ферм до 9 м). Фермы просты
в изготовлении и дешевы (вес 200-4-300 кг/м2 отверстия). Низкий
порог, незначительное стеснение русла допускают пропуск судов
через плотину с уложенными на порог фермами. Они получили рас-
пространение на судоходных реках и называются судоходными
плотинами. В СССР затворы этой системы применены на шлюзо-
61
ванных участках рек Шексны, Москвы, Оки, Северного Донца и др.,
а также в качестве временных и ремонтных заграждений в плоти-
нах других систем (см. ниже).
Недостатки затворов с поворотными фермами: невозможность
маневрирования ими зимой (фермы на зиму укладывают на порог);
длительность разборки плотины значительного пролета (14-2 сут);
значительные потери воды через неплотности многочисленных щи-
тов и тем более спиц; затруднения в подъеме ферм при наличии
отложившихся на пороге наносов, топляков и др.
Рис. 19.48. Поворотные рамы (фермы Томаса)
1 — цепь
2. Затворы с поворотными рамами (фермы Томаса) выполня-
ются из металла и дерева и представляют собой две наклонные
ноги, соединенные вверху короткой балкой, по которой проклады-
вается узкий пешеходный мостик, а внизу — шарнирно закреплен-
ные на пороге без распорки (рис. 19.48). Последнее обстоятельство
позволяет укладывать фермы на флютбет одну в другую. Сечение
ног металлических ферм делается коробчатым с широкой стороной
(504-60 см) по фронту (фасаду) плотины, а деревянных — по
34-4 ;бруса при толщине по фасаду до 0,94-1 м.
Маневрирование поворотными рамами аналогично подъему
и опусканию поворотных ферм. Благодаря значительной толщине
рам они перекрывают отверстие плотины без каких-либо щитов.
Для уменьшения фильтрации через щели между рамами они пере-
крываются спицами, брезентом или резиной.
Поворотные рамы могут перекрывать значительные отверстия
при высоте их до 64-8 м, но расход металла здесь намного больше,.
62
чем в поворотных фермах, и затвор этот не может регулировать
уровни воды верхнего бьефа; рамы должны быть или все подняты,
или уложены. В условиях сурового зимнего режима работа этого
затвора неудовлетворительна (затруднено маневрирование, проис-
ходит обмерзание). В последнее время поворотные рамы применя-
ют главным образом как ремонтные заграждения шлюзов и
каналов.
§ 19.7. ТКАНЕВЫЕ ЗАТВОРЫ
1. Материал, область применения. Затвор из синтетической
ткани представляет собой наполняемую жидкостью или воздухом
или одновременно жидкостью и воздухом мягкую оболочку, заанке-
ренную в порог плотины. Ткань, однослойная или многослойная,
выполняется из синтетических волокон с резиновым покрытием
с одной или обеих сторон (резинотканевые оболочки) или пленкой
из пластмасс (пленочнотканевые оболочки). Оболочка может вы-
полняться также из пленок того или иного состава. Прочность тка-
ни в зависимости от качества исходного волокна составляет 100-—
400 кН/м и более. В СССР наибольшее распространение получили
резинотканевые материалы.
Тканевые затворы могут перекрывать весьма большие проле-
ты*. Так, на одной из плотин в США перекрыты тканевыми затво-
рами четыре пролета по 134 м при напоре на гребне 3,17 м. Извес-
тен тканевый затвор, поддерживающий напор 6 м при пролете 28 м.
Особенно широкое распространение, в частности в СССР, получили
тканевые затворы для перекрытия отверстий плотин с низким поро-
гом при напорах 14-3 м. Затворы маневренны, применимы при на-
личии в потоке наносов; имеются примеры успешной работы в зим-
них условиях при надлежащем качестве ткани и толщине льда до
0,5 м, а в СССР имеется опыт эксплуатации тканевых конструкций
с укладкой их на зиму на порог под воду. Тканевые конструкции
дешевы, имеют малую массу, удобны для транспортирования, прос-
ты в монтаже. Недостатки — легкая повреждаемость, ограниченный
срок службы (пока до 10 лет) —компенсируются простотой и вы-
сокими экономическими показателями.
2. Схема действия, конструктивные решения. Оболочка одинар-
ная или двойная, укрепляется на пороге одной (замкнутая оболоч-
ка) или двумя линиями анкеров (рис. 19.49, а, б). Затвор поддер-
живается в поднятом состоянии давлением воды, незамерзающей
жидкости или воздуха, наполняющего оболочку самотечным или
принудительным питанием.
Принудительное питание осуществляется насосами, установлен-
ными в устое или, возможно, в потерне тела плотины, причем в слу-
чае применения специальной жидкости необходимо иметь на устое
резервуар, из которого жидкость подается в оболочку при подъеме
* Затворницкий О. Г. Конструкции из мягких оболочек в гидротехническом
строительстве. М., 1974.
63
затвора и куда откачивается при его опускании. При самотечном
питании также требуется резервуар для хранения воды, сливаю-
щейся при подъеме затвора в оболочку; опорожнение оболочки
в этом случае производится сливом воды в нижний бьеф.
Подвод и отвод жидкости (воды или воздуха) в оболочку произ-
водится через трубопроводы в пороге или устое; в устое размеща-
ют насосы, компрессоры и арматуру для соответствующего пере-
ключения трубопроводов при наполнении и опорожнении оболочки.
Для наполнения оболочки воздухом она может выполняться двой-
ной: во внутреннюю оболочку накачивается воздух, а внешняя
Рис. 19.49. Схемы и примеры конструктив-
ных решений тканевых затворов:
1— воздух; 2—внутренняя оболочка; 3 — удержи-
вающая оболочка; 4 — защитная оболочка; 5—
металлическое полотнище
является удерживающей
(рис. 19.49, в). При на-
полнении затвора возду-
хом или жидкостью мо-
жет быть еще оболочка,
имеющая только защит-
ное назначение.
Конструкции тканевых
затворов находятся в ста-
дии развития. Имеется,
например, затвор, у кото-
рого оболочка непосред-
ственно не анкеруется, а
соединена с металличе-
скими подвижными полот-
нищами, закрепленными
на пороге шарнирно (рис.
19.49, г). Известен про-
ект, в котором мягкая
оболочка используется для подъема и удержания металлического
клапана с осью вращения на пороге *.
Оболочка с торцов должна иметь боковые полотнища. Примы-
кание оболочки к устоям или быкам может быть свободным или
с закреплением на их гранях. При свободном примыкании оболочка
при заполнении прижимается к граням, что обеспечивает уплотне-
ние зазора между оболочкой и бетоном. При закрепленных торцах
заполненной оболочки на ее концах образуются складки. Затворы
с закреплением торцов могут устанавливаться в отверстии трапе-
цеидальной формы (порог в канале), при которой складки у при-
мыканий практически не образуются.
Коэффициент расхода при переливе через затвор равен 0,44-0,5.
3. Расчет затвора. В задачу расчета входят определение формы
оболочки, которую она принимает в зависимости от давления внутри
оболочки и переливающейся воды, и расчет ее прочности. Оболоч-
ка под действием внутреннего давления и при удержании ее анкер-
ными крепями испытывает растяжение. Предложен ряд способов
* Шнайдер И. М. Инженерная защита от затопления и подтопления города
мемориала Шушенское.— Гидротехническое строительство, 1970, № 4, с. 30.
64
расчета оболочки, позволяющих, приняв некоторые допущения
(например, не учитывается вес материала оболочки, который со-
ставляет всего от 0,2 до 3 кг/м2), найти форму и требующуюся
прочность оболочки. Для оболочек тканевых наливных плотин, се-
рийно выпускаемых промышленностью СССР*, которые можно
использовать также и в качестве затворов, прочность оболочки для
заданного напора обеспечена применением ткани соответствующей
марки.
В. ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ
НА ПОРОГ, И БЫКИ
§ 19.8. КЛАПАННЫЕ ЗАТВОРЫ
Как и у клапанных затворов, передающих давление на порог,
ось вращения рассматриваемых затворов укреплена на пороге. Но
механизм маневрирования затвором расположен на быке и пото-
му часть усилия от давления воды на клапан передается на быки
или устои.
1. Клапанные неуравновешенные затворы. На рис. 19.50, а по-
казан затвор, у которого клапан соединен с подъемным механиз-
мом цевочной рейкой. Для увеличения жесткости клапана его по-
перечное сечение выполнено чечевицеобразной формы. Клапанные
неуравновешенные затворы пригодны для отверстий размером до
304-40 м и напоров до 34-6 м.
Рис. 19.50. Клапанные затворы, передающие давление воды на порог
и быки:
а — неуравновешенный; б — уравновешенный
* Плотины для малого орошения — Гидоотехника и мелиорация, 1974, № 2,
с. 57.
3—1777 ' 65
2. Клапанные уравновешенные затворы. Затвор уравновешива-
ется противовесом, который шарнирно связан с коромыслами, рас*
положенными на консольной опоре, закрепленной в теле быка или
на служебном мосту (рис. 19.50, б). Коромысла соединены с кла-
паном штангами. Такие затворы применяются обычно для пере-
крытия отверстий до 20 м при высоте до 3,5 м. У вододействующих
затворов противовесы расположены в колодцах быков; при повы-
шении уровня верхнего бьефа противовесы затапливаются, взве-
шиваются и заставляют затвор опускаться. Наличие коромысел
у уравновешенных клапанных затворов и особенно противовесов
в виде балок, двигающихся параллельно оси плотины, вызывает
трудности в создании надлежащей архитектурной композиции
плотины.
§ 19.9. СТОЕЧНО-ПЛОСКИЕ ЗАТВОРЫ
1. Схема и конструкция. Стоечно-плоские (мостовые) затворы
состоят из плоских щитов, перекрывающих пролеты между стойка-
ми, шарнирно закрепленными на нижнем поясе фермы моста или
быка (рис. 19.51, а); нижним концом стойки упираются в выступ
Рис. 19.51. Схема стоечно-плоского затвора
порога плотины. Стойки выполняются в виде рам; рамы воспри-
нимают на себя давление от щитов и передают его на пороги
и мост.
Регулирование уровня воды верхнего бьефа производится подъ-
емом щитов по стойкам, а полное открытие отверстия для пропуска
льда, судов производится после подъема всех щитов и поворота
стоек в горизонтальное положение вместе со щитами вокруг точки
опирания стоек па мост (рис. 19.51, б). Стойки поворачиваются
в сторону нижнего бьефа, для чего их предварительно приподни-
мают над порогом, чтобы освободить нижние концы. Длина стоек
в судоходных плотинах может достигать 124-18 м, расстояние меж-
66
ду ними 1,5-4-3,5 м. Щиты могут быть деревянными, при напорах
более 3 м — стальными, что позволяет увеличить пролеты между
стойками. При повороте стоек в горизонтальное положение щиты,
сдвинутые вверх, удерживаются специальным устройством. Манев-
рирование щитами и стойками производится при помощи передвиж-
ной лебедки и системы тяг, блоков и др.
Мост является наиболее дорогой частью затвора, так как на
него идет металла в 34-4 раза больше, чем на щиты и стойки, по-
этому стоечно-плоский (мостовой) затвор целесообразен, если для
него используется мост, оправдываемый нуждами транспорта.
В тех случаях, когда для затвора устраивается специальный мост,
размеры его делаются минимальными; в некоторых случаях мост
выполняют в виде коробчатой или трубчатой балки.
Разновидностью мостовых затворов являются спицевые затво-
ры. Примером может быть затвор с относительно легкой опорной
конструкцией в виде трубчатой балки с мостиком (рис. 19.52),
с которого спускаются спицы. Турбчатая балка при полностью от-
крытом отверстии может подниматься вверх поворотом кронштей-
на, что освобождает отверстие для пропуска расходов при повы-
шенных уровнях верхнего бьефа и пропуска плавающих тел.
2. Область применения. Стоечно-мостовые затворы применяют
в отверстиях плотин малого напора на судоходных реках, когда
мост одновременно служит для транспортных целей и в качестве
временного (ремонтного) заграждения. Они могут перекрывать от-
верстия до 704-80 м при напорах 4-4-7 м. Затворы этого типа до-
ступны для осмотра и ремонта, обеспечивают благоприятные
условия для пропуска льда, наносов. Недостатки: значительная
масса (до 3 т на 1 м2 отверстия), большое число подвижных эле-
ментов.
Г. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЗАТВОРЫ, НЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ДАВЛЕНИЕ
ВОДЫ НА СООРУЖЕНИЕ
§ 19.10. КОЛЬЦЕВЫЕ ЗАТВОРЫ
Схема затвора. Затвор, не передающий на сооружение давление
воды, должен быть гидравлически уравновешенной конструкцией,
т. е. такой, у которой силы давления воды на затвор, составляю-
щие главную нагрузку, дают равнодействующую, равную нулю.
Таким свойством обладает цилиндрический затвор, у которого об-
шивка, воспринимающая давление, представляет собой в плане
кольцо. Таким затвором перекрывают кольцевые водосливы, явля-
ющиеся составной частью шахтного водосброса.
Для открытия отверстия кольцевой затвор должен или подни-
маться и пропускать воду под затвор (рис. 19.53, а), или опускать-
ся (рис. 19.53, б). В первом случае для открытия отверстия требу-
ется подъемный механизм; движение затвора направляется быками.
3* 67
Во втором случае затвор опускает-
ся в кольцевую нишу водослива, яв-
ляющуюся камерой давления; по-
дъем затвора производится повыше-
нием давления в камере, наполне-
ние и опорожнение которой осуще-
ствляются через систему водоводов
Рис. 19.52. Спицевой затвор с трубчатой мостовой балкой:
/ — лебедка; 2 — опора на быке
Рис. 19.53. Кольцевые затворы:
а — поднимающийся вверх; б — опускающийся, вододействующий; / — затвор, перекрываю-
щий отверстие; 2 — затвор при полном открытии отверстия; 3 — камера давления
с запорной арматурой. Таким образом, опускающийся затвор яв-
ляется вододействующим и может быть легко автоматизирован.
Арматура для управления затворами может быть размещена в бы-
ке, примыкающем к кольцевому водосливу.
Известен, например, кольцевой затвор диаметром 19,52 м при
напоре на водосливе 3,66 м.
Г Л А В A 20
ЗАТВОРЫ ГЛУБИННЫХ ОТВЕРСТИЙ
§ 20.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГЛУБИННЫХ ЗАТВОРОВ
Глубинный затвор по сравнению с затвором поверхностным ис-
пытывает при той же площади отверстия большие нагрузки, рабо-
тает в потоке более высоких скоростей, требует применения уплот-
нений повышенной надежности, механизмов большей грузоподъем-
ности, менее доступен для осмотра и ремонта. При нарушении нор-
мальной работы глубинного затвора может возникнуть тяжелая
аварийная ситуация.
При частичном открытии отверстия скорости в створе глубинно-
го затвора и за ним могут достигать десятков метров в секунду.
Изменение направления потока затвором и стенками водовода
вызывает резкое изменение давления и образование вихрей, что
увеличивает пульсации давлений и скоростей, воздействующих на
затвор, приводит к образованию локальных вакуумов и кавитации.
Динамическая нагрузка на затвор становится особенно ощутимой
при истечении из-под затвора под уровень. И потому затопление
глубинных затворов со стороны нижнего бьефа допускается лишь
при малых размерах отверстий и малых напорах.
Специальные меры принимаются против кавитационной эрозии:
обеспечивается герметичность уплотнений, создаются условия для
аэрации областей образования вихревых зон, областей вакуума.
Требования к технологии изготовления и точности монтажа глу-
бинных затворов более высокие, чем для поверхностных затворов.
Например, обшивка глубинного сегментного затвора изготавлива-
ется с точностью до 2 мм (протачивается на карусельном станке).
§ 20.2. ГЛУБИННЫЕ ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ
НА СООРУЖЕНИЕ ЧЕРЕЗ ОПОРНО-ХОДОВЫЕ ЧАСТИ
1. Плоские затворы получили наибольшее распространение. Их
применяют как основные, так и аварийно-ремонтные. Выполняют
их из стали (сварными или литыми) и из железобетона. Опоры за-
творов могут быть скользящими, колесными, катковыми или гусе-
ничными; перекрываемое отверстие — прямоугольным, квадратным
или круглым.
Скользящие опорные элементы при небольших нагрузках вы-
полняют из дерева, с увеличением нагрузки — из синтетических
материалов (см. § 19.1), а также в виде, полосы из бронзы, спе-
циальных сплавов с применением при особо больших нагрузках
смазки полозьев под давлением, что также предохраняет полозья
и от коррозии. Примеры плоских скользящих затворов см. на
рис. 20.1.
Применение железобетонных плоских затворов стало возмож-
ным с появлением предварительно напряженного бетона. Большой
69
вес железооетонных глуоинных затворов может играть положи-
тельную роль, так как позволяет уменьшить или исключить при-
грузку, необходимую для посадки затвора на порог. Железобетон-
ные глубинные скользящие затворы появились в конце 50-х годов
в виде опытных конструкций, эксплуатация которых проходит весь-
ма успешно *. Например, в отверстиях водосбросов здания Волж-
Рис. 20.1. Плоские скользящие сварные аварийно-ремонтные глубинные за-
творы:
а — многоригельный затвор водовыпуска 3X6—89 м; б — секционный затвор 6X14—60 м
(сечение в вертикальной плоскости); / — уплотнение из бронзы; 2 — полоз лигнофо-
левый (размеры в мм)
* Геллер В. Л., Левит АГ А. Экспериментальные конструкции железобетон-
ных конструкций глубинных затворов гидроэлектростанций.—Гидротехническое
строительство, 1962, № 8, с. 31.
70
ского гидроузла установлено три различных по конструкции желе-
зобетонных затвора размером (bXh — Н) 4,25X2,38 — 30,5 м.
Расход металла в железобетонных затворах по сравнению со
стальными меньше примерно вдвое, стоимость ниже на ЗОн-40%.
Однако глубинные железобетонные затворы распространения не
получили.
I
Рис. 20.2. Плоский колесный аварийный затвор:
а — вид с напорной стороны; б — вид сбоку
Не нашли пока применения затворы из предварительно напря-
женных балок с клеевым соединением, которые по данным проект-
ных проработок перспективны *.
* Сахаров В. И. Клееный плоский глубинный затвор из предварительно на-
пряженных железобетонных балок. — Гидротехническое строительство, 1964, №12,
с. 9.
71
Колесные затворы требуют меньших подъемных усилий, чем
скользящие, и применяются в основном как аварийно-ремонтные.
Их недостаток — трудность защиты втулок колес и роликовых
подшипников от загрязнения и известкования, поэтому в тех слу-
чаях, когда колесные опоры постоянно при открытом и закрытом
отверстии находятся в воде, применение колесных затворов может
оказаться нецелесообразным.
Секционные колесные глубинные затворы, как и затворы сколь-
зящие, применяются при перекрытии отверстий, развитых по высоте,
требующих большое количество колес или опор скольжения. В
этом случае разбивка затвора на секции обеспечивает работу
затвора без зависания отдельных опор вследствие неровностей ра-
бочих путей н неточностей установки опор.
На рис. 20.2 изображены две секции глубинного шестисекционного колесного
аварийного затвора размером 5x20—59 м водоприемника высотной Асуанской
плотины. Ходовые колеса расположены на консолях. Шарнирные соединения
между осями колес объединяют секции, подъем п опускание которых происходит
одновременно.
При значительной главной гидростатической нагрузке размес-
тить необходимое из условий прочности количество колес не пред-
л . ставляется возможным. В этом
Рис. 20.3. Плоский гусеничный литой за-
твор:
1 — катки; 2 — гусеница; 3 — колесо обратное;
4 — резиновый элемент уплотнения; 5 — буфер
обратного колеса
случае вместо колес примени-
ются катки, объединенные ра-
мой (катковые опоры) или гу-
сеницей (гусеничные опоры).
В современной ..практике как
более надежные применяют гу-
сеничные опоры (рис. 20.3).
Помимо указанных используют
траковые гусеничные опоры
(трак — деталь гусеницы в ви-
де пластины), позволяющие
за счет уменьшения удельных
нагрузок по контакту опора—
сооружение отказаться от ме-
таллических путей в пазах.
Для маневрирования затвором
с катковыми или гусеничными
опорами требуются механизмы
меньшей грузоподъемности,
чем при других типах опор (см.
§ 19.1) *.
На величину подъемного
усилия плоского глубинного
затвора существенное влияние
оказывает положение уплот-
няющего контура. При уплот-
* Из-за повреждения рам катковых
в 1968 г. на одной из плотин в Венесуэле.
опор серьезная авария произошла
72
няющем контуре, расположенном в плоскости напорной грани (рис.
20.4, а), вертикальные составляющие сил атмосферного давления
Ра, действующие на затвор сверху и снизу, практически уравнове-
шиваются. При уплотняющем
контуре в плоскости низовой
грани (рис. 20.4, б) сверху
действует сила давления воды
в шахте, снизу — сила давле-
ния воды, направление которой
зависит от открытия затвора:
при закрытом отверстии она
действует вверх, при частично
открытом — вверх или вниз в
зависимости от очертания дон-
ного уплотнения (см. рис. 18.5).
Наиболее благоприятные
гидравлические условия созда-
ются в тех случаях, когда пе-
Рис. 20.4. Положение уплотнения глу-
бинного затвора:
а — с верховой стороны; б —с низовой сто-
роны; / — уплотнение
ред затвором происходит ежа-
тие потока, а за затвором — отрыв от стенок, что достигается уст
ройством перед затвором конфузорного участка (рис. 20.5, а)
Сжатие струи облегчает аэра-
цию зон отрыва, необходимую
для борьбы с кавитационной
эрозией. Отрыв потока от дна
водовода за затвором обеспе-
чивается устройством уступа.
Отрыв потока от стенок за зат-
Рис. 20.5. Варианты конструктивного
оформления водовода па участке
расположения затвора:
а — конфузорный участок перед затвором;
б — отрыв потока от стенок за счет расши-
рения водовода или устройства отражате-
лей; 1 — аэрационные каналы
Рис. 20.6. Плоские затворы водосброс-
ного отверстия ГЭС Мавуазен:
1 — мостовой кран; 2, 3 — гидроприводе*
основного и аварийного затворов; 4 — аэра-
ционная шахта; 5, 6 — основной и аварий-
ный плоские затворы
73
вором достигается также путем расширения водовода за затвором
или устройством отражателей (рис. 20.5, б).
На рис. 20.6 показана затворная камера гидроузла Мавуазен (Щвейцария),
расположенная на трассе туннеля. Площадь перекрываемых отверстий составляет
5,4 м2 при напоре 200 м.
2. Сегментные затворы обычно применяют как рабочие. Их ос-
новное достоинство, ino сравнению с плоскими затворами, заключа-
ется, как и для затворов водосливных отверстий, в существенно
меньшей величине требующейся грузоподъемности механизмов.
Кроме того, сегментный затвор имеет более благоприятную для об-
Рис. 20.7. Компоновка сегментного затвора:
а-—общий вид; б — схема затвора
текания форму напорной грани, не требует обязательного примене-
ния пазов, имеет опоры, защищенные от непосредственного дейст-
вия воды и наносов. Большая жесткость конструкции обеспечивает
меньшую вибрацию затвора при пульсирующих нагрузках.
Недостатком сегментных затворов является сложная конструк-
ция опор, стоимость котарых больше стоимости пролетного строе-
ния.
74
На рис. 20.7 показан установ-
ленный в камере затворов туннель-
ного водосброса основной сегмент-
ный затвор, перекрывающий при на-
поре 84 м отверстие 25 м2. Аварий-
но-ремонтным затвором служит пло-
ский скользящий затвор.
Для плотного прижатия
затвора к уплотнению по кон-
туру отверстия в целях созда-
ния полной герметичности
контура применяют сегментные
затворы с эксцентриковой опо-
рой (рис. 20.8). При подъеме
или опускании затвор первона-
чально поворотом эксцентри-
кового вала отодвигается от
уплотнения и, таким образом,
при подъеме преодолеваются
лишь моменты сил тяжести и
трения в оси вращения. Ради-
альное смещение затвора при-
нимают ЗОу-35 мм.
Пример затвора с эксцентриковой
опорой для напора НО м дан на
рис. 20.9. Маневрирование этим за-
твором производится с помощью че-
тырех гидроподъемников: дцух — для
подъема и опускания затвора и
двух —для поворота эксцентрикового
вала.
Рис. 20.9. Затворный узел основного
сегментного затвора Нурекской ГЭС:
1 — сегментный затвор; 2 — аэрационный
капал; 3 — гидроподъемник подъема и
опускания затвора; 4—гидроподъемник
эксцентриковой опоры; 5 — воздуховод
Рис. 20.8. Кинематическая схема сегмент-
ного затвора с эксцентриковой опорой:
О — ось опоры; О; и О/— положения оси вра-
щения затвора в прижатом и отжатом состоя-
ниях; 1, Г — штанга основного гидроподъем-
ника; 2, 2' — штанга эксцентрикового вала
75
Пролетное строение глубинного сегментного затвора и ноги об-
разуют портал обыкновенный или с двумя консолями (см. рис.
20. 7,6). Ноги сварные имеют коробчатые сечения. Пролетное стро-
ение состоит из набора сплошных диафрагм, объединенных попе-
речными элементами в коробчатую конструкцию. Каждая нога
затвора имеет две роликовых опоры, в случае эксцентриковой опо-
ры эксцентрик располагается на общем для обеих опор валу, между
опорами, или по два эксцентрика — за опорами, на консолях вала.
Последнее время находит применение для перекрытия отверстий
напорных водосбросов (водовыпусков) обратный сегментный за-
твор *, у которого ось вра-
Рис. 20.10. Обратный сегментный затвор
щения вынесена в направле-
нии против течения. Обрат-
ный сегментный затвор при
установке его в водоводе в
поднятом состоянии разме-
щается в верхней части зат-
ворной камеры (рис. 20.10,
а). Ноги такого затвора и
опоры находятся всегда в
воде, что является недостат-
ком. Затвор, расположенный
в конце водовода, имеет
опоры и ноги вне водовода (рис. 20.10, б), что улучшает условия
эксплуатации затвора.
3. Уплотнения высоконапорпых затворов должны обеспечивать:
1) полное отсутствие протечек при закрытом отверстии, вызываю-
щих щелевую кавитацию и вибрацию конструкции; 2) в целях
уменьшения сил трения и соответственно подъемного и посадочно-
Рис. 20.11. Уплотнения высоконапорных затворов:
а — схема расположения уплотнений; б — управляемое (узел Г); в — деформативное
(узел /); г — управляемое (узел 77); 1 — обшивка затвора; 2 — рабочая камера; 3 - уплот-
няющий элемент; 4 — закладные части по контуру отверстия
* Маневич. Я. 3. Гидравлические исследования обратного сегментного затво-
ра.— Тр. координационных совещаний по гидротехнике. Гидравлика высоконапор-
ных водосбросных сооружений. Л., 1975, с. 162.
76
го усилий — отсутствие контакта между уплотнениями и закладны-
ми частями в момент подъема затвора; 3) защиту уплотняющих
элементов от воздействия потока при частичном открытии затвора.
Для высоконапорных затворов применяют (рис. 20.11) управля-
емые (гидравлические, пневматические) и неуправляемые (дефор-
мативные) уплотнения. Управляемые уплотнения отвечают всем
перечисленным выше требованиям. Уплотняющий элемент прижи-
мается к контактной поверхности под воздействием давления воды
или воздуха, подаваемых в рабочую камеру уплотнения. У сегмент-
ных затворов с эксцен-
триковой опорой при-
меняются деформатив-
ные уплотнения. При
заданном положении
затвора оно прижима-
ется к контактной по-
верхности затвора за
счет радиального пере-
мещения затвора.
4. Область приме-
нения. Составленные по
опубликованным дан-
ным на 1975 г. графи-,
Рис. 20.12. Области применения глубинных плос-
ких и сегментных затворов:
—основной, аварийно-ремонтный и ремонтный плоские
затворы плотины Ингурской ГЭС; J — плоские скользя-
щие основные и аварийно-ремонтные затворы; 2 — плос-
кие колесные аварийно-ремонтные затворы; 3—плоские
гусеничные аварийно-ремонтные затворы; 4 — сегментные
затворы
ки, представленные на
рис. 20.12, дают пред-
ставление о пределах
применения плоских и
сегментных глубинных
затворов при напорах
более 40 м.
Размеры отверстий, перекрываемые глубинными затворами,
и наибольшая нагрузка на затвор определяются возможностью
передачи нагрузки на опорные части. Достигнуты следующие воз-
можные нагрузки: на 1 м полоза плоского скользящего затвора —
4000 кН; на колесо затвора — 3500 кН; на 1 м катковой цепи гу-
сеничного затвора — 3000 кН; на шарнир сегментного затвора —
30 000 кН.
Данные об уникальных затворах приведены в табл. 20.1. На
рис. 20.12 вне области применения основных и аварийно-ремонтных
плоских скользящих затворов указаны параметры затворов водо-
сбросов арочной Ингурской плотины, иллюстрирующие достижения
советского затворостроения (рис. 20.13).
Основной затвор водосброса Ингурской плотины — плоский, скользящий,
с сопровождающим кольцом, которое при открытом затворе совмещается с отвер-
стием водосброса; толщина вдоль потока стенок кольца равна ширине пазов, что
обеспечивает плавное сопряжение примыкающих к затвору участков водовода до
пазов и после пазов (рис. 20.13, в).
При напорах 2004-225 ,м в качестве основных применяют сколь-
зящие затворы; при площади отверстия до 100 м2 и напоре до
30 м — сегментные затворы.
77
Рис. 20.13. Компоновка затворов Ингурской арочной плотины:
в — расположение затворов (вариант); б, в — узел Г. 1 — основные затворы; 2 — дварийчо-ррмрнтцыр; 3 — ng.
МВНТИЫЙ ' .....
Таблица 20,1
Характеристики уникальных рабочих плоских
и сегментных затворов (данные на 1975 г.)
Отверстие Напор, м Главная гидростати- ческая нагрузка Гидроузел, страна Примечание
размер, м площадь, м2 кН тс
Основные плоские скользящие затворы и задвижки
3,5x6,4 4,35 22,4 14,9 75 181 16 480 26 400 1680 2700 Женессия 1, Франция Ингурская ГЭС, СССР Рис. 20.13
,52x2,74 1,0X1,5 4,16 1,5 226,5 209,0 9 200 3 080 940 314 Седер Спрингс, США Вайонт, Италия Рис. 21.5
1,8X3,0 5,4 200,0 10 595 1080 Мавуа^ен, Рис. 20.6
5,0 Ав 19,6 арийно-ре 181 монтные с 36 200 кользящие 3700 Швейцария затворы Ингурская Рис. 20.13
6,0x9,0 8,0хЮ,5 54,0 84,0 98 40 51 600 32 900 5260 3350 ГЭС, СССР Красноярская ГЭС, СССР То же
,5,0x20,0 2 100,0 1варийно-ремонтный 60 1 58 700 колесный 6000 затвор Асуан, АРЕ Рис. 20.2
Рабочий гусеничный затвор
2,6 108 573 1 Гран-Кули,
1 5’3 1 | 5611 i США
Аварийно-ремонтные гусеничные затворы
<5,2X11,0 68,2 126 84 000 8570 Сер-Понсои,
8,0 87 68 100 6960 Франция Пикоте, Португалия
6,2X11,0 3,14 120 36 200 3700 Нурекская ГЭС, СССР
Сегментные глубинные затворы
5,6X6,42 35,3 142 49 000 5000 Тайвань
15,0X7,8 117 30 34700 3540 Кастелу ДУ Боди, Португалия
5,0x6,0 30 110 32 300 3300 Нурекская ГЭС, СССР Рис. 20.9
Ремонтный плоский прислонный затвор
9,0X11,0 1 99 1 181 1 177 000 1 18 100 | Ингурская | ГЭС, СССР | Рис. 20.13
79
Наибольшая площадь отверстия, перекрываемая аварийно-ре-
монтным гусеничным затвором, около 70 м2 при напоре 126 м. При
напоре до 100 м в качестве аварийно-ремонтного затвора применя-
ют также плоские скользящие затворы. Максимальная площадь
отверстия, перекрываемая колесным аварийно-ремонтным затво-
ром, составляет 100 м2 при напоре 60 м.
§ 20.3. ГЛУБИННЫЕ ЗАТВОРЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ
НА СООРУЖЕНИЕ ЧЕРЕЗ КОРПУС ЗАТВОРА
1. Задвижки малогабаритные применяют в гидротехнике как
запорную арматуру различного рода систем, подающих воду, мас-
ло и др., в том числе в качестве байпасов, т. е. системы, пропуска-
Рис. 20.14. Прямоугольные задвижки:
а — конструкция; б — задвижки, перекрывающие выходное отверстие туннельного водо-
сброса при напоре 209 м; / — подвижный элемент; 2 — гидроподъемники; 3 — корпус;.
4 — отверстия байпаса
ющей в обход затвора воду для заполнения участков водовода за
затвором. Задвижка состоит из запирающей водовод круглой или
прямоугольной литой пластины, передвигающейся в корпусе по
направляющим штока, соединяющего запорный элемент с механиз-
80
мом маневрирования гидравлического или электрического привода.
Задвижку в качестве затвора (рис. 20.14) применяют при боль-
ших напорах и сравнительно малых площадях отверстий; в этих
случаях задвижка работает как плоский скользящий затвор. Плот-
ность закрытия достигается за счет давления воды на запирающий
Рис. 20.15. Дисковый затвор;
а, б — схема затвора с чечевицеобразным диском; в—пример управления затвором
гидроприводом; г — затвор бипланного типа; д — диск затвора бипланного типа
орган. Корпус задвижки присоединяется при помощи фланцев
к выступающим из бетона металлическим трубам водовода или
заделывается в бетон. Задвижка работает в полностью открытом
или закрытом положениях. При напоре 100 м площадь перекры-
ваемого отверстия может достигать 5-т-6 мг. Задвижку применяют
примерно для напора до 250 м.
2. Дисковый (дроссельный) затвор (рис. 20.15) представляет
собой цилиндрический корпус, в котором на горизонтальной или
81
вертикальной оси укреплен с эксцентриситетом запирающий ор-
ган— чечевицеобразный или плоский диск 1. Эксцентрическое рас-
положение диска обеспечивает закрытие водовода при отказе си-
стемы управления затвором. Затвор предназначен для работы при
полностью открытом или при закрытом отверстии. При частичном
открытии за затвором происходит интенсивное вихреобразование,
которое вызывает вибрацию и может стать причиной усталостного
разрушения конструкции. Недостаток затвора — существенные про-
течки через уплотнения (резиновое кольцо по периметру корпуса).
Коэффициент сопротивления затвора с чечевицеобразным диском
при полностью открытом отверстии g = 0,26. Имеются дисковые за-
творы с неподвижными обтекателями по оси водовода, придающи-
ми диску в открытом положении более совершенную гидравличе-
скую форму.
Улучшенной конструкцией является затвор «бипланного» типа,
у которого с помощью ребер прикреплена пластина, параллельная
основному диску, и, таким образом, диск имеет профиль крыла би-
плана, т. е. состоит из двух пластин (рис. 20.15, д). Диск такого
затвора примерно вдвое легче обычного чечевицеобразного диска
при таком же коэффициенте сопротивления диска в открытом по-
ложении. Затворы такой конструкции выполняются в нескольких
вариантах *..
Применяются дисковые затворы как аварийные, для напорных
трубопроводов, реже — как основные затворы водоспусков.
Дисковые затворы с диском диаметром 8,2 м при напоре 27 м были установ-
лены на ГЭС Коновинго в США еще в конце 20-х годов. Затворы плотины
Ингурской ГЭС (СССР) имеют диаметр диска 6 м при напоре 120 м и диаметр
5 м при напоре 175 м. Затворы предназначены для защиты деривационного тун-
неля. На Чарвакской ГЭС установлен затвор с диском диаметром 5 м при напоре
223 м.
В качестве основных нерегулирующих затворов водоспусков
нашли применение дисковые затворы диаметром 1,64-3,45 м при
напорах 554-150 м. Диаметр дисковых затворов на практике лими-
тируется возможностью транспортирования затвора.
При напорах до 204-30 м дисковый затвор может применяться
как затвор регулирующий.
3. Конусный затвор в традиционном исполнении состоит из не-
подвижного патрубка 1 (рис. 20.16), конусного экрана 2, укреплен-
ного на крестовине 3, и подвижного цилиндра 4, перекрывающего
кольцевую щель между торцом патрубка и экрана. Поток при от-
крытой кольцевой щели выбрасывается в иижний бьеф, расщепляясь
конусом в кольцевую струю. Перемещение цилиндра производится
гидравлическим или электрическим приводом. Устанавливается ко-
нусный затвор в конце трубчатого водосброса. Коэффициент со-
противления полностью открытого затвора, определенный по скоро-
сти в сечении патрубка (без учета стеснения патрубка крестовиной
* Дисковый затвор бипланного типа. — Экспресс-информация. Гидроэнерге-
тика. М., ВИНИТИ; 1968, № 41, с. 7.
Полонский Г. А. Глубинные затворы гидротехнических сооружений. М., 1978.
82
при угле в вершине конуса 90°), равен 0,1, коэффициент расхода
0,91 *.
Наибольшие конусные затворы (СССР) имеют диаметр 2,2 м
при напоре до 150 м': Известно применение конусного затвора
(США) диаметром 0,3 м при напоре 244 м.
Рис. 20.16.'Конусный затвор диаметром 2200 мм для напора
до 150 м:
(размеры в мм)
4. Игольчатые и кольцевые затворы предназначены для регули-
рования расходов воды через глубинные отверстия. Они пропуска-
ют воду при любых открытиях без возникновения вибрации частей
затвора и кавитации.
Идея игольчатого затвора заключается в следующем (рис.
20.17): к трубе водоспуска присоединяется корпус затвора, внутри
которого размещен собственно затвор, состоящий из неподвижного
и подвижного цилиндров. Подвижный (внутренний) цилиндр пред-
ставляет собой поршень без дна. Поршень перемещается поступа-
тельно: при закрытии — под давлением воды в пространстве 1, при
открытии — под давлением в пространстве 2. У игольчатого затвора
часть цилиндра, обращенная в сторону отверстия, так называемая
«игла», выполнена в виде тела вращения заостренного профиля.
В выдвинутом положении «игла» запирает отверстие. Коэффициент
сопротивления игольчатого затвора в полностью открытом положе-
нии, вычисленный по скоростному напору во входном сечении кор-
пуса, равен 0,2.
* Павловский С. С. Коэффициент расхода и сопротивления конусных затво-
ров.— Гидротехническое строительство, 1963, № 5, с. 41.
83
У кольцевого затвора, являющегося модификацией игольчатого,
подвижный цилиндр не имеет игольчатой части; отверстие перекры-
вается непосредственно самим цилиндром. Во избежание кавита-
Рис. 20.17. Схемы игольчатого и цилиндрического затворов:
б — игольчатый затвор в открытом и закрытом положениях; в, г, д—кольцевой за-
твор; /, 2 — камеры давления; 3 — подвижный элемент
ционной эрозии по окружности выходного отверстия подводится воз-
дух через специальные каналы.
Игольчатые и кольцевые затворы устанавливаются обычно в кон-
це водоспуска или водосброса (рис. 20.17,0).
Кольцевой затвор диаметром 4,2 м при напоре 74 м установлен в конце глу-
бинного водосброса плотины ГЭС Орлик (Чехословакия), а игольчатый затвор
диаметром 2,44 м.при напоре 141 м — на ГЭС Хангри Хорз (США).
Затворы малых Диаметров могут работать практически при лю-
бом возможном на гидроузле напоре.
§ 20.4. ГЛУБИННЫЕ УРАВНОВЕШЕННЫЕ ЗАТВОРЫ
1. Цилиндрические и кольцевые* затворы устанавливают в баш-
не или специальной шахте. Ось затвора расположена вертикально,
перемещение затвора поступательное вдоль оси. Давление, дейст-
вующее на затвор в радиальном направлении, уравновешивается
и таким образом затвор не передает давление воды на сооруже-
ние.
Имеется несколько конструкций таких затворов: незатопляемый
цилиндрический затвор (см. рис. 18.2, и), цилиндрический открытый
с торцов затвор (кольцевой см. на рис. 18.2, к), затопляемый ци-
линдрический затвор (рис. 20.18, а, б).
У затопляемого затвора гидравлического действия камера 3
постоянно сообщается с верхним бьефом. Когда в камеру 2 пода-
* Кольцевой затвор в отличие от цилиндрического не имеет торцовых (тор-
цовой) стенок.
84
ется вода из верхнего бьефа, цилиндр 1 опускается, так как сила
давления, действующая на цилиндр вниз, больше силы, действую-
щей в камере 3 вверх. Для подъема цилиндра вода из камеры 2
сливается в нижний бьеф. При поднятом цилиндре вода поступает
в отверстия, расположенные по окружности высокой или низкой
затопленной башни. В случае некоторого дебаланса давления, дей-
Рис. 20.18. Кольцевые и цилиндрические уравновешенные затворы:
а — механического действия; б — гидравлического действия; в — гидроузел Шиффенен
(Швейцария); / — основной затвор; 2 — ремонтный затвор; 3 — сливное отврестие; 4—.
уплотняющее кольцо
ствующего по цилиндрической поверхности затвора, возникают
силы трения, которые препятствуют посадке затвора. Во избежа-
ние этого затвор пригружают баластом, например металлический
цилиндр заполняют бетоном.
Цилиндрические затворы получили наибольшее распространение
в водоспусках и водоприемниках. В практике имеются затворы
диаметром до 10 м, перекрывающие при напоре до 100 м отвер-
стие высотой более 3 м.
На рис. 20.18, в показаны башни водоприемника главных агре-
гатов гидроузла Шиффенен (Швейцария) * с цилиндрическими
* Строительство гидроузла с арочной плотиной Шиффенен. — Гидротехниче-
ское строительство, 1963, № 5, с. 53.
Затворы глубинных водоводов. — Аннотированный обзор изобретений —Л.,
1968, с. 36.
85
A-A
Рис. 20,19. Принципиальная схема плоского
спаренного уравновешенного затвора
Рис. 20.20. Затвор с камерой противо-
давления для напора 152 м, площадь
перекрытия 40 м2:
1 — аварийно-ремонтный затвор; 2, 3 — об-
шивка со стороны верхнего и нижнего
бьефов; 4 — трубы; 5 —камера противодав-
ления; 6 — бетонная балка; 7 — уплотнение
кольцевыми затворами. Оси
башен отстоят друг от дру-
га и от напорной грани пло-
тины на 16 м. В правой
башне отверстие открыто,
а в левой башне установлен
ремонтный затвор. Анало-
гичное решение принято для
водоприемника водосброса.
2. Плоские спаренные
уравновешенные затворы.
На рис. 20.19 показан ба-
шенный погруженный водо-
приемник со спаренными
плоскими затворами, свя-
занными между собой фер-
мами. Система подобно
вертикальному цилиндриче-
скому затвору уравнове-
шена *.
§ 20.5. НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
ГЛУБИННЫХ ЗАТВОРОВ
Существующие конструк-
ции глубинных затворов,
область применения кото-
рых показана на рис. 20.12,
не удовлетворяют требова-
ниям, предъявляемым к за-
творам в связи с предстоя-
щим в Советском Союзе
дальнейшем строительстве
высокопапорпых гидроузлов
на многоводных реках. В
этом причина поисков но-
вых типов затворов. Пло-
дотворной оказалась идея
использования противодав-
ления, уравновешивающего-
давление с напорной сторо-
ны. Эта идея легла в основу
затвора с камерой противо-
давления и других конст-
рукций затворов, в которых
противодавление использу-
ется для уменьшения подъ-
емного усилия.
* Гидравлические исследования. — Обзор докладов VIII конгресса МАГИ.
М —Л., 1962, с. 12.
86
1. Затвор с камерой противодавления (затвор П. Р. Хлопенкова)
(рис. 20.20) является затвором принципиально нового типа*. Он
представляет собой конструкцию с двумя обшивками: одна 2 со сто-
роны верхнего, другая 3 — со стороны нижнего бьефа. Обшивки они-
Рис. 20.21. Новые конструкции глубинных затворов:
а — плоский уравновешенный затвор; б — шагающий затвор; в — затвор-диафрагма;
г — затвор с камерой противодавления над затвором; 1 — уплотнения; 2— опоры; 3 — ка-
мера противодавления; 4 —дренажная камера; 5 —трубы перетока
раются на трубы 4, через которые вода заполняет так называемую
камеру противодавления 5, расположенную с низовой стороны за-
твора, образованную низовой обшивкой, бетонной поверхностью ба-
лки 6 и уплотнениями 7 по периметру камеры. Давление воды, пе-
редающееся в камеру через трубы, уравновешивает давление со сто-
роны верхнего бьефа. Силу давления воды воспринимает балка за
затвором. Таким образом затвор не передает нагрузку па бетон
через опорно-ходовые устройства. При подъеме затвора преодоле-
ваются вес затвора и сравнительно незначительные силы трения,
возникающие из-за некоторой неуравновешенности нагрузки на
обшивки 2 и 3
2. Высоконапорный плоский уравновешенный затвор ** (рис.
20, 21, а) имеет две камеры противодавления, образованные низо-
вой обшивкой затвора и плоскостями двух быков, на которые опира-
ется затвор, и две дренажные камеры, образованные верховой об-
шивкой и плоскостями той части быков, которая расположена со
стороны верхнего бьефа. Таким образом, отверстие водовода делит-
ся быками на три части, а затвор имеет консоли и не требует уст-
* Опыт исследования и проектирования беспазового затвора с камерой про-
тиводавления / Слисский С. М., Мартенсон В. Я,, Герстле Д. Ф. и др ---Гидротех-
ническое строительство, 1977, № 6, с. 50.
** Кинд Ю. В., Савин Д. М. Высоконапорный плоский уравновешенный за-
твор.— Гидротехническое строительство, 1976, № 3, с. 31.
87
ройства пазов в стенках. Подача воды в камеры противодавления:
происходит через трубы 1, выведенные в верхний бьеф; для слива
воды из дренажной камеры служат трубы 2. Камеры противодавле-
ния разгружают затвор за счет действующих па низовую обшивку
сил, направленных в сторону верхнего бьефа; дренажные камеры
уменьшают нагрузку верхнего бьефа.
3. Шагающие затворы представляют собой соединение в одно це-
лое двух последовательно расположенных ригельных пролетных
строений (щитов), что позволяет производить попеременно гидрав-
лическую разгрузку щитов и перемещать нх шагами в разгруженном
состоянии. Пространство между щитами образует камеру противо-
давления (рис. 20.21, б), заполняемую или опорожняющуюся через-
байпасное устройство. Шагающие затворы могут быть использова-
ны для перекрытия отверстий более 50 м2 при напорах до 200 м.
4. Затвор-диафрагма может быть использован для перекрытий
строительного туннеля с последующим его использованием без до-
полнительных строительных и монтажных работ в качестве высоко-
напорного основного регулирующего затвора. Он состоит из плос-
кого затвора с большим отверстием в обшивке, перекрываемым
плоским затвором-диафрагмой (рис. 20.21, в). Первоначально для
пропуска больших расходов при малых напорах в период строитель-
ства поднимаются вместе плоский затвор и диафрагма. В последу-
ющем маневрирование производится только диафрагмой. Оптималь-
ное отношение отверстия в затворе к площади водовода составляет
0,7. Предполагается перекрытие этим затвором отверстий площадью
до 84 м2 при напоре до 200 м.
5. Затвор с камерой давления над затвором. При расположении
верхового горизонтального уплотнения со стороны нижнего бьефа
(см. рис. 20.4, б) сила давления, действующая на верхний торец за-
твора, способствует посадке затвора, но препятствует его подъему,,
что приемлемо для аварийных затворов, которые поднимаются по-
сле снятия с них нагрузки. Перед посадкой затвора производится
заполнение камеры и перед подъемом — ее опорожнение. В резуль-
тате механизм на дожим не работает и его грузоподъемность опре-
деляется усилием на подъем или удержание затвора.
Г Л А В A 21
ЭКСПЛУАТАЦИЯ, МОНТАЖ ЗАТВОРОВ
И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАНЕВРИРОВАНИЯ
ЗАТВОРАМИ
§ 21.1. РЕМОНТНЫЕ И АВАРИЙНО-РЕМОНТНЫЕ ЗАТВОРЫ
1. Область применения. Ремонтные затворы (заграждения) не-
обходимы в период эксплуатации сооружения для осмотра, ремонта
и смены основных затворов, осмотра и ремонта порога плотин и за-
кладных частей. Устанавливают их со стороны как верхнего, так
Рис. 21.1. Типы шандоров

и нижнего бьефа в спокойной воде. Аварийно-ремонтные затворы
нужны на случай аварии основного затвора для перекрытия отвер-
стия в текущей воде.
Ремонтные затворы не требуются, если в период эксплуатации
плотины уровень верхнего (нижнего) бьефа периодически (еже-
годно) опускается ниже порога отверстия на время, достаточное
для осмотра и ремонта основных затворов. Не требуются они так-
же, если закладные части просты по конструкции и по условиям
режима работы отверстия не могут подвергаться повреждениям,
а затвор может полностью подниматься из воды.
Ремонтные затворы должны быть простыми по конструкции, по
возможности не ухудшать гидравлические условия работы отвер-
стия, быть экономичными. Аварийно-ремонтные затворы в случае
аварии, угрожающей значительной потерей воды из верхнего бье-
фа или другими нежелательными последствиями, должны пере-
крывать отверстия достаточно быстро.
89
2. Ремонтные и аварийно-ремонтные затворы поверхностных от-
верстий. Для поверхностных отверстий применяют следующие за-
творы. Шандоры — один из наиболее распространенных, компакт-
ных видов заграждений. Их можно устанавливать в текущей воде
Рис. 21.2. Стальные арочные шандоры, опирающиеся на торцы быков
и, следовательно, применять как аварийные заграждения. Если на
плотине имеется много пролетов, то 1-5-2 комплекта шандоров мо-
гут обслужить все сооружение.
Простейшим типом шандоров являются деревянные брусья
(рис. 21.1, й) или железобетонные балки (рис. 21.1, б), снабженные
приспособлениями для захвата их при подъеме и опускании. Для
снижения веса железобетонных шандоров их делают иногда пусто-
телыми с предварительным напряжением. Пролеты, перекрываемые
деревянными шандорами, обычно достигают 4-5-5 м н редко — 5-5-
~6 м. Стальные шандоры балочного типа могут перекрывать проле-
ты до 30 м. Существует много конструкций шандоров балочного
типа: от прокатных двутавровых балок (рис. 21.1, в, г) до двутав-
ровых балок составного сечения (рис. 21.1, б), коробчатых или ци-
линдрических балок-труб.
В ряде случаев экономически целесообразны шандоры арочного
типа (рис. 21.2), стальные или железобетонные. Первая арка ук-
ладывается на плиту -понура.
При строительстве Кайраккумской ГЭС * для закрытия отверстий между
быками были применены временные арочные тонкие железобетонные шандоры
без затяжек с расчетным пролетом 13,2 м при напоре до-16 м. Нижние арки имели
толщину 0,5 м, верхние—0,4 м. Вес арки 147 кН (15 тс). При снятии загражде-
ния арки поднимали лебедками на баржу.
Для ускорения установки и снятия заграждений шандоры груп-
пируют по 3-1-4 шт. в шандорную стенку. С увеличением размеров
шандоров они по конструкции приближаются к плоским затворам.
Уплотнения между металлическими шандорами осуществляют-
ся при помощи деревянных брусьев или элементами из резины.
Опорно-ходовые части шандоров небольших пролетов и напоров
выполняются скользящего типа; при увеличении пролетов и напо-
ров — колесными.
* Ройтман М. С. Применение арочных перегородок для перекрытия пролетов
на Кайраккумской ГЭС. — Гидротехническое строительство, 1957, № 5, с. 52.
90
Плоские затворы — одиночные и секционные — являются наибо-
лее удобными аварийно-ремонтными заграждениями, особенно ес-
ли основным затвором на плотине служит такой же затвор. Запас-
ный комплект основных затворов (1-4-2 шт.) может использоваться
в качестве ремонтного заграждения, обслуживаемого тем же кра-
ном, что и основные затворы. Это выгодно при большом количестве
отверстий в плотине. В других случаях ремонтными являются не ос-
новные, а специальные плоские затворы со скользящими опорами,
если опускание их производится в спокойную воду (например, со
стороны нижнего бьефа при наличии верхового заграждения).
Поворотные фермы (см. рис. 19.47) с закрытием отверстий щит-
ками являются экономичным и простым ремонтным заграждением
в тех случаях, когда плотина имеет достаточно широкий порог перед
основным затвором, а число отверстий в плотине невелико. Этот
тип заграждения целесообразен при больших пролетах отверстий,
отсутствии моста на плотине и мощных кранов для основных зат-
воров. Недостатком такого типа заграждений является необходи-
мость иметь для крайней фермы нишу в быке или устое (см.
рис. 19.46) (чего можно избежать устройством крайней фермы
складной на шарнирах).
Поворотные рамы (см. рис. 19.48) можно применять в тех же
случаях, что и поворотные фермы, по они отличаются быстрой сбор-
кой и поэтому могут применяться в качестве аварийных затворов.
В остальном они не имеют преимуществ перед поворотными ферма-
ми и, кроме того, являются весьма дорогим ремонтным загражде-
нием.
Подкосные затворы применяют в условиях, аналогичных услови-
ям для поворотных ферм, т. е. при наличии широкого порога и от-
верстий большого пролета. Установка затворов сложна, возможна
только в спокойной воде и требует много времени.
Стоечно-плоские затворы (см. рис. 19.51) используют в качестве,
ремонтных заграждений при наличии постоянных .мостов или лег-
ких временных (см. § 19.9). Они не требуют много места на пороге
и просты по конструкции.
Плавучие затворы (батопорты)—плоская конструкция с поло-
стями, которые могут быть заполнены водой. Заграждение на плаву
доставляется в пролет плотины, затапливается * путем удаления из
полостей воды откачкой или сжатым 'воздухом. К отверстию зат-
вор прижимается водой при снижении уровня воды за затвором.
3. Расчет шандоров. Расчет шандоров принципиально не отлича-
ется от расчета плоских затворов. Особые условия создаются для
шандоров при маневрировании в текущей воде. В этом случае шан-
дор подвергается действию сил гидродинамического давления: го-
ризонтальной W" и вертикальных Ww, W"' (рис. 21.3). Сила W' оп-
ределяется по формуле (2.1); миделево сечение равно 1а, где I —
пролет, а — высота шандора. Вертикальные силы для прямоуголь-
ного шандора W" W.
* Налимов С. М. Опыт эксплуатации затворов гидроэлектростанций Ленэнер-
го.— Гидротехническое строительство, 1973, № 3, с. 13.
91
Рис. 21.3. Схема гидродинамиче-
ских воздействий на шандоры
Когда шандор лежит на поро-
ге, действует только сила W"f
направленная вверх. Если шан-
дор незначительно поднят над
порогом или над ранее уложен-
ным шандором, сила, действую-
щая вниз, оказывается больше
силы W".
4. Ремонтные и аварийно-ре-
монтные затворы глубинных от-
верстий. Для перекрытия входно-
го отверстия глубинных водово-
дов (на период осмотра или
ремонта водовода и основных
затворов) обычно применяют плоские ремонтные затворы. Так как
ремонтные затворы опускаются в спокойную воду, они могут пере-
крывать при данном напоре отверстие значительно большей пло-
щади, чем аварийно-ремонтные или основные.
Входное круглое отверстие напорного водосброса (см. рис. 20.13) арочной
плотины перекрывает ремонтный плоский прислонный затвор прямоугольной фор-
мы. Площадь отверстия—100 м2, заглубление под уровень—181 м. Аварийно-
ремонтный затвор этого водосброса перекрывает отверстие площадью 19,2 м2,
а стоящий за ним рабочий затвор— 14,9 м2.
Для закрытия входного отверстия туннелей иногда применяют
плоские колесные затворы (рис. 21.4), которые опускаются по рель-
сам, проложенным на откосе сооружения или склоне берега над от-
верстием.
В качестве аварийно-ремонтных затворов глубинных отверстий
в большинстве случаев применяют плоские затворы и задвижки.
Устанавливают их перед рабочими затворами (см. рис. 20.6, 20.7,
20.13 и 20.14).
В ряде случаев во избежание затопления служебного помещения
с механизмами управления ниши плоских затворов приходится пе-
рекрывать съемными герметичными крышками. При последова-
тельно установленных плоском аварийно-ремонтном затворе и затем
основном затворе ремонт основного затвора производится под защи-
той аварийно-ремонтного затвора без опорожнения водовода. При
ремонте аварийно-ремонтного затвора герметическая крышка дол-
жна быть снята, что возможно лишь после закрытия водовода ре-
монтными заграждениями и освобождения туннеля от воды. Ремонт,
ревизия плоского аварийно-ремонтного затвора без прекращения
подачи воды по туннелю возможны при применении плоского
скользящего затвора с дополнительной горизонтальной задвиж-
кой, перекрывающей при поднятом затворе затворную нишу
(рис. 21.5).
В водосбросных сооружениях находит применение в качестве
аварийного дроссельный затвор (рис. 21.6). Оригинальный аварий-
но-ремонтный затвор башенного водоприемника (основной затвор —
92
Рис. 21.4. Ремонтный затвор глубинного отверстия:
1__затвор- 2 — решетка водоприемника; 3— лебедка; 4 — сороудерживающая решетка пат-
рубка; 5 —патрубок с клапаном для заполнения туннеля перед подъемом затвора
Рис. 21.5. Плоский скользящий аварийно-
ремонтный затвор с задвижкой, перекрываю-
щей затворную нишу:
1— основной затвор; 2 — задвижка горизонталь-
ная; 3, 4 — гидравлические приводы
Рис. 21.6. Аварийный дисковый затвор, уста-
новленный перед игольчатым затвором:
1—дисковый затвор; 2 — воздуховоды
цилиндрический уравнове-
шенпый) показан на рис.
20.18, в. Затвор выполнен в
виде полусферы, диаметр
которой меньше внутреннего
диаметра основного зат-
вора.
§ 21.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
МАНЕВРИРОВАНИЯ
ЗАТВОРАМИ
1. Подъемные тяги. Тяги
бывают гибкими (стальные
канаты, пластинчатые цепи)
и жесткими (винты, зубча-
тые п цевочные рейки, штан-
ги, штоки); располагают их
вертикально, наклонно или
горизонтально. Гибкие тяги
применяют в тех случаях,
когда не требуется прикла-
дывать к затвору усилий
для посадки. Свободный ко-
нец стального каната имеет
серьгу для соединения с
крюком крана или навива-
ется на барабан подъемного
механизма (рис. 21.7, а),
цепь надевается на звездоч-
ку или соединяется канатом
(рис. 21.7, б). Жесткие тяги
в зависимости от типа сое-
диняются с зубчатым коле-
сом или с крюком подъемно-
го механизма. Штанги иног-
да состоят из звеньев,
соединенных шарнирно. По
мере передвижения затвора
длина штанги изменяется
присоединением или отсое-
динением звеньев. При ис-
пользовании гидроподъем-
ников тягой может быть его
шток, непосредственно сое-
диненный с затвором, и также трос или цепь, соединяющие затвор
со штоком. Для маневрирования небольшими затворами применя-
ют тяги в виде винта с насаженной на него гайкой, которая враща-
ется приводом, перемещая винт и соединенный с ним затвор.
34
Рис. 21.7. Компоновка механического оборудования водослив-
ных отверстий:
а, г — шандоры; б—подкосный затвор; s— секционный затвор; 1 — ре-
монтные заграждения; 2—грузоподъемные механизмы ремонтных за-
граждений (тельфер, кабельный кран, козловой кран); 3 — подъемные
механизмы основных затворов 4 (лебедки, гидроподъемники, козловой
край)
эинажи-оЧТодц '/.'IS ’mj
2. Захватные балки. Для подъема и опускания шандоров секци-
онных, а иногда и обычных плоских затворов применяют захватную
балку, которая специальным устройством механического, гидравли-
ческого и электрического действия держит или освобождает затвор
при маневрировании ею при помощи лебедок или крана.
3. Дожимные грузы. При закрытии глубинного отверстия плос-

Рис. 21.8. Схемы взаймного располо-
жения электродвигателя и тягового
органа
ким затвором величина сил трения по мере закрытия отверстия рас-
тет, в результате чего может потребоваться принудительная посад-
ка затвора на порог. Для этого глубинный плоский затвор прпгру-
жают дожимным грузом, который представляет собой набор чугун-
ных болванок (заключенных в раму, перемещающуюся в пазах за-
твора подъемным механизмом)
или бетонный груз в виде желе
зобетонной балки, или набор ба-
лок.
4. Подъемные механизмы и
приводы. Подъемные механизмы
основных затворов (механизмы
маневрирования) могут быть ста-
ционарными и передвижными.
Стационарные механизмы (рис.
21.7, а—в) устанавливают для
каждого затвора и применяют в
тех случаях, когда число затво-
ров невелико и суммарная стои-
мость этих механизмов меньше
передвижных устройств (кра-
нов), а также, когда требуется
быстрое открытие рядов затво-
ров, что не обеспечивает пере-
движной механизм. Наличие ста-
ционарных механизмов не исклю-
чает применения на сооружении
передвижных кранов для уста-
новки и обслуживания ремонтных
дений и затворов. Стационарные механизмы — лебедки и гидрав-
лические подъемники устанавливают на быках.
Число и расположение тяговых органов стационарного механиз-
ма отвечают числу и положению точек подвеса затвора. Точки под-
веса могут быть: по середине затвора (при высоте затвора большей
его ширины и малом пролете, см. рис. 20.1), по бокам затвора;
с одной стороны (у жестких сегментных и клапанных затворов).
Возможные схемы взаимного расположения электродвигателя Д
и тягового органа Т приведены на рис. 21.8. Передача усилия от дви-
гателя к тяговому органу через вал (рис. 21.8, а, б) применяется
при ограниченных подъемных усилиях. При большой грузоподъем-
ности устанавливают два двигателя, синхронная работа которых
и аварийно-ремонтных заграж-
осуществляется с помощью механического или электрического вала
(рис. 21.8, в).
4—1777 97
Гидравлические подъемники позволяют получить большие уси-
лия при малых размерах и массах, они просты в эксплуатации. Гид-
равлическое устройство состоит из силового цилиндра (сервомото-
ра), маслонасоса и двигателя (обычно электромотор, иногда — не-
большая гидравлическая турбина), распределительных, регулиру-
ющих и других вспомогательных устройств [72]. Длину силового
цилиндра определяют ходом поршня гидроподъемника. Для увели-
чения хода поршня применяют
Передвижной механизм пред-
ставляет собой кран, катучие
лебедки или тельферы. Применя-
ют краны козловые (рис. 21.9,
а), мостовые (рис. 21.9, б) и ка-
бельные. Краны козловые требу-
ют больше металла, чем мосто-
вые, и более тяжелых мостов
между пролетами плотины. Мос-
товые крапы дешевле, но для их
устройства необходима специаль-
ная эстакада по быкам. Обычно
для надежной работы затворов
предусматривают не менее двух
передвижных кранов. Краны
козловые и мостовые обычно ис-
пользуют также для монтажа
оборудования во время строи-
Рис. 21.9. Типы кранов на плоти-
нах
тельства и иногда как эксплуатационные для машинного здания
гидроэлектростанций.
Кабель-краны находят применение для обслуживания рабочих
подкосных затворов на гребне высокой плотины (обычно арочной)
и при использовании в качестве ремонтных подкосных затворов —
на плотинах с большими пролетами, как это имеет место, например,
на Вилюйском гидроузле, где пролет отверстия плотины 40 м (см.
рис. 19.29, 21.7, б).
Катучие лебедки и тельферы (см. рис. 21.7, а) применяют для
установки шандоров.
Поднятый частично нли полностью затвор в нужном положении
удерживается подхватами, которые располагают на быках или опор-
но-концевых стойках затвора.
Грузоподъемность гидроподъемников достигает в единичном ис-
полнении 1100 т (подъем и дожим), грузоподъемность козловых
кранов — около 700 т.
5. Служебные мосты на плотинах предназначены для размеще-
ния на них стационарных механизмов, передвижения по ним кранов
и для пешеходного служебного движения. Количество мостов на
плотине стараются .сократить путем совмещения нескольких функ-
ций в одном мостовом переходе. Пешеходный мост часто совмещают
с автодорожным мостом или заменяют проходом по галерее в теле
плотины или же по затвору.
98
Размещение мостов увязывают со смежными сооружениями гид-
роузла: со зданием гидроэлектростанции, с проезжей частью плотин,
с мостом через шлюз, высотное положение которого определяют га-
баритами проходящих судов.
§ 21.3. МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗАТВОРОВ
1. Изготовление и монтаж затворов. Металлические затворы
делают на механических заводах, небольшие затворы — в мастер-
ских на строительной площадке. Деревянные и железобетонные
затворы изготавливают, как правило, также на месте строитель-
ства сооружения.
Затворы, допускающие по габаритным размерам перевозку по
железным дорогам, доставляют с завода к месту постройки пол-
ностью собранными (при длине до 284-30 м и поперечных размерах
до 2,7X3,75 м), если в таком виде они могут быть непосредственно
установлены на плотину; при доставке водным транспортом габари-
ты затворов могут быть большими. При невозможности доставить
затвор в собранном виде его перевозят в виде «монтажных единиц»,
т. е. частей конструкции, которые относительно легко соединяются
на месте работ в более крупные монтажные единицы, что сокраща-
ет срок монтажа гидромеханического оборудования.
Плоские затворы можно устанавливать в пролет отверстия в го-
товом виде прн помощи кранов, лебедок, домкратов. При использо-
вании этих же механизмов собирают и устанавливают вальцовые
затворы, поворотные фермы, клапаны, иногда пролетные строения
сегментных затворов. Некоторые здтворы (секторные, крышевид-
ные, реже вальцовые и др.) собирают непосредственно в отверстиях.
В этом случае на монтажные работы на плотине требуется времени
больше, что может иметь значение при выборе типа затвора для
плотины. Максимум работ по сборке затвора стремятся выполнить
на заводе.
2. Закладные части и их установка. Закладные части заделыва-
ются в бетон и являются обрамлением затвора в бетоне. Для пере-
дачи на бетон сил, действующих на затвор, служат рабочие, обрат-
ные и боковые рельсы, направляющие'зубчатые рейки, шарниры,
анкеры, для создания ровных поверхностей на участках контакта
уплотнений с сооружением — облицовка, для защиты от разруше-
ний углов бетонных пазов — облицовочные уголки. К закладным
частям, заделываемым в бетон, относятся также устройства для
обогрева обмерзающих частей затвора и пазов. Масса закладных
частей, от общей массы механического оборудования достигает
10-7-30% *.
Для нормальной работы затвора требуется высокая точность ус-
тановки закладных частей (до +34---1 мм).
* Полонский Г. А. Некоторые вопросы проектирования, изготовления и мон-
тажа механического оборудования гидротехнических сооружений. — Гидротехни-
ческое строительство, 1964, № 1, с. 21.
4* 99
Установка закладных частей при небольшом числе однотипных
пролетов производится штрабным методом, при котором в местах
размещения закладных частей в бетоне оставляются ниши (штра-
Рис. 21.10. Варианты пазовых конструкций для плос-
кого затвора с полозьями из ДСП:
а — металлическая пазовая конструкция; б — сборная желе-
зобетонная пазовая конструкция
бы) с выпусками арматуры, с последующей установкой в штрабу
закладных частей и их обетонированием после раскрепления и вы-
верки положения. Штрабной способ трудоемок, снижает прочность
бетона, монолитность конструкций и точность их установки.
Бесштрабный метод заключается в установке закладных частей
одновременно с арматурными конструкциями. Этот метод более эко-
номичен и точен, сокращает сроки строительно-монтажных работ.
Закладные части паза образуют пазовую конструкцию, которая
может выполняться из стали или железобетона (рис. 21.10). Бес-
штрабная установка пазовых конструкций может быть неуравнове-
шенной и уравновешенной * в отношении сил, действующих со сто-
роны укладываемого в сооружение бетона. Уравновешивание дости-
гается спариванием двух смежных конструкций (рис. 21.11).
Закладные части пазов плоских затворов могут объединяться в двух-
пазовый обетонированный монтажный блок, представляющий за-
конченный элемент быка, включая рабочую арматуру.
3. Мероприятия по обеспечению надежной работы затворов.
Затворы, их механизмы и закладные части в процессе работы испы-
тывают неблагоприятные воздействия воды, наносов, льда, ветра,
колебаний температуры и др. Металлические части подвергаются
ржавлению, кавитационной эрозии, истиранию наносами и льдом;
соединения металлических элементов расстраиваются в результате
* Мельниченко К. И. Закладные части плоских затворов. М., 1967.
100
динамических воздействий воды (вибрации), льда и плавающих тел
(удары); вращающиеся части засоряются, что ведет к увеличению
подъемных усилий; уплотнения нарушаются, особенно в результате
обмерзания. Зимой работа затворов затруднена в случае намерза-
ния льда на обшивке, обмерзания контактов уплотнений и ходо-
вых частей.
Чтобы затворы всегда находились в готовности к действию, не-
обходимо периодически осматривать и опробывать затворы и их
механизмы и исправлять замеченные дефекты, сменять износивши-
Рис. 21.11. Схема бесштрабной установки пазовых конструкций:
а — неуравновешенная установка в устое; б — уравновешенная установка в промежуточ-
ном быке; в — неуравновешенная установка в раздельном быке (с осадочным швом);
1 — пазовые конструкции; 2 — монтажные связи
еся части, чистить и смазывать вращающиеся детали, не реже
одного раза в 2 года возобновлять окраску находящихся в воде
частей. Для обеспечения работы 'затворов в зимнее время прово-
дят -специальные мероприятия.
4. Устройства для обеспечения нормальной эксплуатации затво-
ров в зимнее время. Образование наледей на обшивке затвора
вследствие охлаждения обшивки с низовой стороны, намерзание
льда на закладных частях на участках примыкания затвора к по-
верхности сооружения делает невозможным подъем затвора без
предварительной очистки его от льда. Борьбу с обмерзанием частей
затвора ведут путем обогрева закладных частей и использования
тепла нижних слоев воды водохранилища.
Обогрев закладных частей производят при помощи циркуляции
горячего масла или воды (естественной циркуляции — по трубам,
проложенным вдоль вертикально расположенных закладных частей,
искусственный — вдоль горизонтальных элементов), путем пропуска
электрического тока непосредственно через закладные части или
шины, индукционного нагрева. Последний является наиболее эффек-
тивным способом обогрева. Для обогрева обшивки используют элек-
тропечи, устанавливаемые в пролетном строении затвора, которое
после устройства с низовой стороны теплоизоляционной обшивки
101
образует замкнутую полость. Для использования тепла глубинных
слоев воды применяют барботажные установки* (барботаж — про-
давливание газа через слой жидкости). Поднимающийся перед со-
оружением Воздух увлекает за собой из глубины более теплую воду,,
что обеспечивает поддержание перед затворами или решетками май-
ны. Воздух поступает в глубину через сопла труб, уложенных перед
водопропускными отверстиями. Широкое применение находят пото-
кообразователи — плавучие установки с многолопастным винтом
диаметром 0,25-4-0,9 м, при вращении которого образуется восходя-
щий поток воды, выносящий из глубины более теплую воду.
При небольшом фронте водопропускных сооружений перед за-
творами производят периодическую прорубку майны.
5. Управление затворами. Управление механизмами маневриро-
вания затворами может быть местное (при расположении операто-
ра непосредственно перед затвором), дистанционное (с управлением
на расстоянии до 1 км), телеуправление (дальнее управление) и ав-
томатическое. Автоматическое управление обеспечивает нужное по-
ложение затвора в зависимости от уровня верхнего или нижнего
бьефа и закрытие отверстия при аварийной ситуации. Автоматиза-
ция затворов осуществляется или применением соответствующей
электрической аппаратуры, или установкой вододействующих за-
творов, что не требует электрификации сооружения и особенно на-
дежно на реках с внезапно наступающими паводками.
* Скоблин Г. А. О поддержании майны перед затворами водосливных плотин
с помощью пневматической барботажной установки.— Гидротехническое строи-
тельство, 1969, № 4, с. 28.
РАЗДЕЛ IV
ВОДОХРАНИЛИЩА. СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
ГЛАВА 22
ВОДОХРАНИЛИЩА И НИЖНИЕ БЬЕФЫ ГИДРОУЗЛОВ
§ 22.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Водохранилище представляет собой искусственный водоем, со-
здаваемый в долине реки напорным гидроузлом и предназначенный
для регулирования стока реки в различных народнохозяйственных
целях. Водохранилища создают необходимые условия для развития
многих отраслей водного хозяйства: гидроэнергетики, судоходства,
орошения, водоснабжения, рыборазведения, лесосплава, здраво-
охранения, водного туризма и др. В Советском Союзе на р. Томи
создается водохранилище, назначением которого является также
улучшение санитарных условий в загрязненном промышленными
отходами бассейне реки, что должно осуществляться путем пропу-
сков в нижний бьеф так называемых «разбавительных» расходов
(порядка 800 м3/с)..
Таблица 22.1
Крупнейшие водохранилища мира
Водохранилище Река Страна Полный объем, км1 Площадь вод- ного зеркала, км2
Братское Ангара СССР 169,3 5470
Кариба Замбези Замбия, 160,4 4450
Ю. Родезия
Насер Нил Судан, АРЕ 157,0 5120
Вольта Вольта Гана 148,0 8480
Маникуаган-5 Маникуаган Канада 142,0 1940
Красноярское Енисей СССР 73,3 2000
Портидж-Маунтн Пис-Ривер Канада 70,1 1760
Оуэн-Фолс Виктория — Нил Уганда 68,0 —
Вади-Тартар Тигр Ирак 67,0 2000
Саньмынься Хуанхэ КНР 65,0 3500
Куйбышевское Волга СССР 58,0 6448
Бухтарминское Иртыш СССР 53,0 5500
Иркутское Ангара СССР 48,5 —
Оз. Мид Колорадо США 35,7 631
Глен-Каньон » США 33,3 646
Волгоградское Волга СССР 31,5 3117
103
Рис. 22.1. Конфигурация и сравнительные размеры некоторых озер
и водохранилищ
На 1972 г. в Советском Союзе эксплуатировалось 1080 водохра-
нилищ. Основные показатели их: площадь зеркала (включая под-
пертые озера)— 11,9 млн. га; площадь затопленных земель —
5,9 млн. га; полный объем — 834 км3; полезный объем — 406 км3.
По объему и площади это составляет примерно 16% всех водо-
хранилищ мира.
В табл. 22.1 приводятся характерные данные по нескольким
крупнейшим водохранилищам мира.
Ца рис. 22.1 показаны конфигурации и сравнительные размеры
некоторых озер и водохранилищ СССР.
§ 22.2. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ВЕРХНЕГО БЬЕФА
1. Подпор гидроузла, затопление и подтопление земель (см.
рис. 1.1,а — г и 22.2). Создание водохранилищ на реке вызывает
различные изменения в ее режиме по сравнению с бытовыми усло-
виями. Водохранилище заполняется обычно весной до отметки НПУ,
Рис. 22.2. Схематический план Цимлянского водохранилища
а иногда и выше ФУ. По мере сработки его объема в летний, осен-
ний и зимний периоды уровень воды в водохранилище соответст-
венно снижается. Подпор, создаваемый гидроузлом, приводит к за-
топлению прибрежной территории и распространяется на значи-
тельное расстояние вверх по течению реки. Зоны подпора определя-
ются построением кривых свободной поверхности реки в новых усло-
виях. При оценке размеров площадей затопленных земель в верх-
нем бьефе, исходя из продолжительности затопления, различают
постоянные затопления, отвечающие уровню сработки водохрани-
лища (УМО), долговременные, соответствующие нормальному
подпорному уровню (ЙПУ), и .кратковременные, возникающие в
редкие годы в период сброса паводка при форсировке подпора
105
(ФУ). Границы затопления не являются постоянными и могут
расширяться с течением времени из-за отложения наносов и
подъема уровня воды в водохранилище и разрушением («пере-
работки») его берегов от волнения.
Объем воды в водохранилище, заключенный между отметками
НПУ и УМО, называют полезным объемом, ниже УМО— мертвым
объемом. Суммарно они составляют общий (полный) объем водо-
хранилища. Площадь водной поверхности водохранилища при НПУ
называют площадью водного зеркала.
Подъем уровня воды в верхнем бьефе вызывает в прибрежной
зоне повышение уровня грунтовых вод (см. ч. 1, рис. 1.1, г) и если
Рис. 22.3. Продольные про-
фили дна водохранилища
Гумати-1:
h — отметки в створе плотины;
L — расстояние
этот уровень поднимается столь высо-
ко, что приводит к заболачиванию
местности и замещению культурных
растений болотными, то это явление
называют подтоплением территории.
Подтопление оказывает неблагоприят-
ное воздействие на основания зданий
и сооружений и приводит к затопле-
нию подвалов, карьерных выработок,
шахт и др.
2. Аккумуляция наносов. Уклоны
свободной поверхности, скорости тече-
ния, а следовательно, и транспорти-
рующая способность потока, идущего
в верхнем бьефе к плотине, уменьша-
ются по мере приближения к гидроуз-
лу (см. ч. 1, рис. 2.1, а), в результате
чего наносы, влекомые потоком, частично осаждаются на дно, сор-
тируясь по крупности. Часть емкости водохранилища ниже так
называемого уровня мертвого объема (УМО) используется для
отложения наносов, что бывает особенно интенсивно на горных
реках, имеющих большой твердый сток. На рис. 22.3 показана ди-
намика заиления водохранилища Гумати (Грузинская ССР). За-
иление водохранилищ происходит также в результате обрушения
берегов, вследствие их переработки (см. ниже).
Расчетное время (годы) занесения водохранилища наносами
приближенно может быть определено по формуле
где Гр — расчетная емкость водохранилища; р — среднегодовая мут-
ность реки; Гср — среднегодовой сток реки; yt и у2 — объемные мас-
сы взвешенных и донных наносов; р — отношение объема взвешен-
ных к объему донных наносов; Убер — объем отлагающихся в во-
дохранилище материалов переработки берегов.
Приведенная формула учитывает полное отложение всех нано-
сов, имеющихся в водном потоке, питающем водохранилище. В дей-
106
ствительности же часть взвешенных наносов мельчайших фракций
проносится через водохранилище в период пропуска паводков. По-
этому практическое время занесения водохранилища будет несколь-
ко больше расчетного.
Отрицательным последствием занесения водохранилища явля-
ются: затруднения, создаваемые судоходству, особенно в хвостовой
части водохранилища (обмеление); подъем уровня воды в водохра-
нилище, связанный с повышением отметки его дна, а также некото-
рое увеличение площади затоплений и подтоплений в связи с этим.
Кроме того, занесение водохранилищ увеличивает эксплуатацион-
ные затраты, связанные с дополнительными инженерными меро-
приятиями.
3. Волновой режим. Одной из важнейших особенностей режима
водохранилищ является развитие на их поверхности ветрового вол-
нения, которое связывается с передачей его энергии по направлению
движения волны. Площади зеркала современных водохранилищ до-
стигают нескольких тысяч квадратных километров (см. табл. 22.1).
На них формируются волны высотой 34-4 м и более (см. ч. I, гл. 2).
На водохранилищах в результате волнообразования становятся бо-
лее сложными условия судоходства: требуется более прочное креп-
ление судов, чем в обычных условиях, возникает необходимость в
устройстве портов — убежищ для отстоя судов и плотов во время
шторма. Кроме того, волны разрушают берега, переформировывают
котловины водохранилищ, уполаживая их откосы и образуя пляжи;
смытый грунт, попадая в водохранилище, уменьшает его полезную
емкость. Наконец, прн встрече с вертикальными или откосными гра-
нями гидросооружений волны оказывают на них дополнительное
к гидростатическому, так называемое волновое давление, опреде-
ление величины и параметров которого приводится в гл. 2. При дей-
ствии сильных, продолжительных ветров в водохранилищах наблю-
даются также сгоны и нагоны воды, изменяющие уровень ее поверх-
ности иногда до ±1 м.
4. Биологический режим. Гидрогеологическая обстановка водо-
хранилищ и подпертых бьефов весьма сильно влияет на их биологи-
ческий режим. Затопление значительных площадей сельскохозяй-
ственных угодий приводит к тому, что в водохранилище оказывают-
ся огромные запасы органических веществ и зообентоса. Кормность
водохранилища и условия питания рыбы в водохранилищах оказы-
ваются лучше, чем в реках (в их естественном состоянии), но состав
рыбного стада существенно меняется. Породы рыб (стерлядь, же-
рех, подуст и др.), привыкшие к проточной воде рек, заменяются
рыбами озерного типа (судак, лещ, сазан и др.). При «зарыблении»
водохранилищ и соответствующем ведении рыбного хозяйства
с 1 га площади можно получить до 50 кг рыбы. При строительстве
гидроузлов на равнинных реках создаются водохранилища со зна-
чительными площадями мелководий. Суммарная их площадь
в СССР оценивается приблизительно 1 млн. га. Мелководья игра-
ют большую роль в так называемом цветении воды и приводят к
ухудшению качества воды, так как интенсивно развиваются сине-
107
зеленые водоросли (СЗВ). Вредные продукты их разложения уси-
ленно поглощают кислород, вследствие чего происходят иногда
летние заморы рыбы. Отмирание водорослей с последующим био-
логическим загрязнением водохранилищ по вредным последствиям
сопоставимо с загрязнением рек и озер промышленностью.
Термический режим водохранилищ во многом обуславливается
гидрологическими факторами (малой скоростью течения, значитель-
ными глубинами и т. д.) и приближается по своим показателям к
режиму проточных озер. Особенностью его является то, что водная
масса сохраняет тепловую энергию дольше, чем воздух и почва, а
тепло по глубине водоема передается достаточно медленно.
Весенний ледоход в подпертых бьефах начинается на несколько
дней позже, чем в бытовых условиях реки. Если средняя скорость
течения воды меньше 0,54-0,6 м/с, ледохода в верхнем бьефе не бы-
вает, а лед, постепенно разрыхляясь, тает в водохранилище. Ледо-
став бывает на 54-8 дней раньше, чем на реках в их бытовом состо-
янии, однако в крупных водохранилищах, имеющих значительные
запасы тепла в воде, процесс ледообразования несколько задержи-
вается, особенно в их открытой части.
В летнее время температура воды зависит от географического
расположения водохранилища, но градусность ее по вертикали все-
гда уменьшается от поверхностных слоев к придонным.
В последнее время особое внимание привлекают к себе так на-
зываемые «подогреваемые» водохранилища, к которым относятся
как водохранилища специального теплоэнергетического назначения,
так и комплексно используемые для охлаждения подогретых вод
ТЭС, АЭС. В водохранилищах ГЭС, ирригационных и пр. при пере-
грузке их водами тепловых и атомных электростанций наблюдается
новый вид загрязнения, который называется тепловым и который
возникает из-за несоответствия объема водохранилища и мощности
электростанций. В результате постоянного и длительного сброса
подогретых вод нарушаются гидротермические, гидрохимические
и гидробиологические условия водохранилищ, что приводит к интен-
сификации процессов цветения, изменяет свойства воды, в частно-
сти, уменьшая в ней количество кислорода, и создает трудности для
водопользования населения.
§ 22.3. ПЕРЕФОРМИРОВАНИЕ БЕРЕГОВ И ЛОЖА ВОДОХРАНИЛИЩ
1. Водохранилища на равнинных и горных реках. После пере-
крытия русла реки в створе гидроузла начинается наполнение во-
дохранилища. Одновременно возникает сопутствующий эволюцион-
ный процесс переформирования берегов и котловины водохранили-
ща, при котором первичный рельеф, а также слагающие его
геологические породы постепенно приходят в соответствие с новыми
условиями. Отмечается влияние на этот процесс следующих факто-
ров: волнового воздействия, геологической и гидрогеологической
обстановки, планового очертания берегов, эксплуатационного режи-
ма и др. В результате разрушаются и перерабатываются берега
108
водохранилищ, уполаживаются их откосы и образуются пляжи. На
отдельных участках береговой линии происходят оползни, обвалы
и осыпи не только под влиянием волнения, но также и от насыще-
ния грунтов берега водами подпертого бьефа и колебаниями их
уровня.
Различают два основных вида водохранилищ — равнинные и
горные. В первых начальная стадия характеризуется интенсивным
переформированием склонов и береговой полосы. В прибрежной зо-
не также происходят абразивно-аккумулятивные процессы и зна-
чительное переформирование ложа, после чего создается устано-
вившийся режим развития водохранилища с преобладанием невол-
новых процессов отложения наносов в прибрежной зоне и слабого
преобразования рельефа в глубоководье. Так называемый профиль
равновесия берегов характеризуется углом наклона поверхности
наносов к горизонту — для песков и легких (лёссовидных) суглин-
ков — 0,5—2°, суглинков и глин— 14-7°.
Существует много методов прогнозирования динамики берегов
водохранилищ, предложенных Е. Г. Калугиным, Б. А. Пышкиным,
и др. СНиП П-57—75 также посвящен этому вопросу.
В горных водохранилищах, емкость которых обычно невелика,
эволюционный процесс носит иной характер. При первичном напол-
нении водохранилища происходят глубокие изменения берегов:
оползни и обвалы земляных, а иногда и скальных пород (покровных
масс) с одновременным заилением русла в верховой зоне. Процесс
активного переформирования берегов характеризуется заилением
и занесением всей котловины, после чего наступает постепенное «от-
мирание» водохранилища, формирование нового речного русла,
причем донные наносы почти полностью проходят в нижний бьеф.
В подобном состоянии в настоящее время находятся Чирюртское
водохранилище на р. Сулак, Гергебильское водохранилище на
р. Кара-Койсу и др. На рис. 22.3 показано изменение продольного
профиля дна р. Риони на участке расположения гидроузла Гума-
ти-1, что характеризует динамику процесса заиления водохранили-
ща. Некоторые из современных водохранилищ, заилены на 80, 90 и
даже 100% своего полного объема.
2. Прорывы водохранилищ. В результате разрушения плотины
или перелива через ее гребень происходит прорыв водохранилища
и затопление на значительной площади долины реки в нижнем
бьефе, что влечет за собой материальные ущербы, а иногда и чело-
веческие жертвы. Не касаясь вопроса о причинах прорыва водохра-
нилищ, который тесно связан с надежностью работы плотин и дру-
гими факторами, в зависимости от размеров причиненных убытков
внезапные затопления тяготеющих к реке территорий могут клас-
сифицироваться как происшествие, несчастье или даже националь-
ное бедствие. Материальный ущерб, наносимый народному хозяй-
ству вследствие прорыва водохранилища, может колебаться от 1 до
10 руб. на 1 м3 воды, вылившейся из водохранилища, при этом раз-
мер убытков во всех случаях зависит от плотности застройки, а так-
же характера сооружений и зданий.
109
Наиболее известными случаями прорыва водохранилищ в по-
следнее время являются катастрофы на гидроузлах Мальпасе
(Франция) в 1959 г. и Вайонт (Италия) в 1963 г. В последнем
примере причиной прорыва водохранилища явился обвал значи-
тельного объема неустойчивого берегового массива.
§ 22.4. МЕРОПРИЯТИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ
ВОДОХРАНИЛИЩ И ОХРАНОЙ ПРИРОДЫ
1. Последствия образования водохранилищ и восстановительные
мероприятия. Образование водохранилищ на реках является по
многим показателям положительным фактором (см. § 22.1), однако
они могут иметь отрицательные последствия, которые требуют спе-
циальных мероприятий для нормализации хозяйственной деятель-
ности человека. Не меньшее значение имеют нарушения так назы-
ваемых экологических связей между живым миром и окружающей
средой, отдельные проявления которых наблюдаются на существу-
ющих водохранилищах с прилегающими к ним землями и приводят
к необходимости проведения соответствующих мер по охране при-
роды и окружающей среды.
К числу вредных последствий создания водохранилища относят-
ся: 1) постоянное затопление территорий с расположенными на них
населенными пунктами, промышленными предприятиями, сельско-
хозяйственными угодьями, лесами, недрами (полезными ископаемы-
ми), железными и автомобильными дорогами, линиями связи и элек-
тропередач, культурными и историческими памятниками и др.;
2) временное затопление территорий, находящихся на берегах водо-
хранилищ в пределах от нормально подпертого до форсированного
уровней; 3) подтопление или нежелательное повышение уровня
грунтовых вод на прилегающей к водохранилищу территории;
4) уменьшение существующих подмостовых габаритов, требуемых
по специальным нормам для водного транспорта.
Главнейшие нарушения в окружающей живой мир среде при
создании водохранилищ проявляются в следующем: 1) изменение
ландшафта благодаря переформированию берегов и прибрежной
полосы; 2 )образование мелководий и зон заилений; 3) затопление
территорий с ареалами обитания отдельных видов животного и рас-
тительного мира; 4) уничтожение нерестилищ проходных пород
рыб; 5) цветение воды.
Для компенсации ущерба, приносимого затоплением и подтопле-
нием земель, приходится проводить следующие мероприятия: 1) вы-
нос из зоны водохранилища и восстановление на новых незатопля-
емых местах городов, рабочих поселков, колхозных усадеб, а также
промышленных предприятий, угрожаемых затоплением или под-
топлением; 2) перенос отдельных участков дорог, наращивание их
полотна, крепление откосов насыпей, перенос линий связи и элект-
ропередач и т. п.; 3) подъем пролетных строений мостов, переуст-
ройство мостовых переходов, устройство новых переходов или пере-
прав; 4) лесосводка и лесоочистка территории водохранилища, вы-
110
зываемая требованиями водного транспорта, рыбным хозяйством,
а также санитарными, заключающаяся в разработке товарного леса
и очистки площади водохранилища от леса и кустарников; в том
случае, если вырубленные леса состоят из деревьев ценных пород,
они должны быть восстановлены на эквивалентной незатопляемой
площади; 5) выработка полезных ископаемых (например, угля, стро-
ительных материалов и др.) или обеспечение возможности их по-
следующей разработки; 6) перенос или защита памятников истории
и культуры, а также обследование и описание их.
2. Инженерная защита. В некоторых случаях оказывается эконо-
мически целесообразнее вместо выноса из зоны затопления водо-
хранилища хозяйственных объектов и населенных пунктов осущест-
вить меры инженерной защиты их. В комплекс гидротехнических и
мелиоративных мероприятий, объединяемых названием защитных,
входят: 1) обвалование или ограждение от воды объектов или цен-
ных земель, в некоторых случаях мелководий; 2) осушение подтоп-
ляемых или обвалованных территорий с применением дренажа и от-
качки воды; 3) укрепление берегов на отдельных участках водохра-
нилища; 4) вертикальная планировка территорий. В отдельных
случаях инженерная защита на водохранилищах требует больших
объемов работ и тем не менее оправданных. Так, перед созданием
водохранилища Горьковского гидроузла на р. Волге весьма ценная
для сельского хозяйства Костромская низина была защищена
дамбой обвалования, имеющей длину в 100 км, и системой
дренажа.
3. Законодательные, организационные и прочие мероприятия ,
в СССР по охране природы. Водохозяйственное строительство осу-
ществляется в СССР на территории 15 союзных республик и везде
Верховные Советы приняли законы об охране природы, в которых
важное место занимает вопрос охраны вод.
В 1970 г. Верховный Совет СССР утвердил «Основы водного
законодательства СССР и союзных республик». Этим законодатель-
ным актом подтверждается, что все виды природных вод — поверх-
ностные, подземные, ледники, внутренние моря и другие водные объ-
екты, в том числе и водохранилища, составляют единый государст-
венный водный фонд. Особо ' подчеркивается важность защиты
природных вод от истощения и загрязнения.
Важное место занимает постановление ЦК КПСС и Совета Ми-
нистров СССР «Об усилении охраны природы и улучшении использо-
вания природных ресурсов», принятое в 1972 г. В нем значительное
место отведено единому комплексу мероприятий, включающему ох-
рану вод, земли и атмосферы. Среди, конкретных мероприятий на-
званного постановления особенно важными являются следующие:
1) создание единой системы государственного учета вод и их исполь-
зования по количественным и качественным показателям; 2) орга-
низация общегосударственной службы наблюдений и контроля за
загрязнением внешней среды (в том числе и природных вод); 3) со-
здание единой системы сбора, хранения, поиска и обработка инфор-
мации о качестве воды.
111
В развитие данного постановления все проекты крупных гидро-
узлов включают раздел, где рассматриваются вопросы об охране
природы, который утверждается компетентной организацией.
При создании водохранилищ для уменьшения последствий нару-
шений в окружающей природе применяют следующие инженерные
решения:
1) берегоукрепительные и защитные мероприятия, осуществля-
емые в необходимых и наиболее ответственных участках береговой
линии и склонов водохранилища для борьбы с переработкой бере-
гов и особенно для исключения крупных обвалов и оползней
грунтов;
2) ликвидация мелководий отделением их земляными валами от
остальной части водохранилища с последующим осушением или же
культивацией для нужд сельского хозяйства или разведения рыбы.
Борьба с занесением водохранилищ возможна путем выпуска воды
через глубинные отверстия в плотине и смыва наносов. Таким об-
разом можно удалить некоторое количество взвешенных наносов.
Донные же наносы смываются лишь непосредственно в зоне отвер-
стий. Возможно и более дорогое механическое удаление наносов;
3) предварительные экологические обследования территории за-
топления и подтопления и выявление на ней наиболее редких и цен-
ных видов животного и растительного мира с последующим восста-
новлением их, если признано будет нужным в других незатопляемых
местах;
4) рыбохозяйственное освоение создаваемых водохранилищ пу-
тем зарыбления их породами озерных рыб и строительством рыбо-
заводов для воспроизводства поголовья стада проходных рыб;
5) борьба с избыточным цветением воды в виде сине-зеленых
водорослей с помощью береговых или плавучих установок, приме-
нения химических реагентов, аэрация воды и т. п.
Следует отметить, что прямые и косвенные изменения в природе,
связанные с образованием водохранилищ, до настоящего времени
изучены недостаточно и требуют дальнейшего изучения.
Санитарно-гигиенические мероприятия выполняются в целях ох-
раны здоровья населения, проживающего вблизи водохранилища.
К ним относятся обеспечение надлежащего качества воды (специ-
альные требования в питьевой воде здесь не рассматриваются) и
подготовка санитарной зоны на берегах водохранилища и его при-
брежной полосе.
Должное качество воды обеспечивается путем административных
мер: запрета сброса в водохранилище неочищенных сточных вод,
складирования на берегах легкорастворимых и нестойких веществ.
Кроме того, обязательным является дезинфекция скотомогильников,
хлорирование территорий кладбищ и т. п.
Противомалярийные мероприятия ведутся в прибрежных мелко-
водных зонах с застойной водой, лежащих не далее 3 км (дальность
полета малярийного комара) от населенных пунктов. Они состоят
из осушения заболоченной местности и мелководных участков, унич-
тожения кустарниковой растительности и др.
112
§ 22.5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОДОХРАНИЛИЩ
Помимо технических характеристик водохранилищ, которые при-
ведены в табл. 22.1, весьма важными являются их экономические
показатели. Наиболее часто такую оценку производят, вычисляя
удельные капиталовложения:
К?.? + Кв К*
кул=—~; «уд = Т; и-"и “Г--
V иол и пол оор
Кг.у + ^В /<„
/Суд = „ и g
•^ГЭС ‘ЩЭС
где Лг.у—капиталовложения по гидроузлу; Дв— то же, но водо-
хранилищу; Нпол — полезная емкость водохранилища; sop — пло-
щадь орошаемых земель; Эгэс —выработка ГЭС.
Затраты на организацию
водохранилищ иногда со-
ставляют крупную долю
от сметной стоимости собст-
венно гидроузла (так,
на Чебоксарском гидро-
узле— 44%, на Иргапай-
ском — 10%).
На рис. 22.4 показано
распределение подобного
рода затрат по различным
отраслям народного хозяй-
ства для 15 осуществленных
гидроузлов. По строитель-
Рис. 22.4. Диаграмма распределения капи-
таловложений в мероприятия, связанные
с созданием водохранилищ:
/ — рыбное хозяйство; 2 — санитария; 3 — водный
транспорт; 4 — лесное хозяйство; 5 — железные до-
роги и автодороги; 6 — городское хозяйство; 7 —
промышленность; 8—сельское хозяйство; 9 — ком-
пенсация земель
ным затратам, относимым
на смету гидроузла, наибо-
лее выгодными водохрани-
лищами обычно оказывают-
ся те, где необходимая ем-
кость получается при мини-
мальной площади затопле-
ния и подтопления, что соответствует долинам с крутыми берего-
выми склонами. Дорогостоящими мероприятиями по водохранили-
щу, относимыми на смету гидроузла, являются: 1) переустройство
населенных пунктов, промышленных предприятий, животноводче-
ских помещений; 2) восстановление сельскохозяйственного произ-
водства (освоение новых земель); 3) инженерная защита; 4) пе-
реустройство линейных сооружений (железные дороги, шоссе, свя-
зи и др.).
В некоторых видах затрат (санитарная подготовка ложа,
транспортные и рыбохозяйственное освоение водохранилища
и др.) принимают участие заинтересованные министерства и ве-
домства.
113
§ 22.6. НИЖНИЙ БЬЕФ
1. Переформирование русла. Гидрологический режим, устанав-
ливающийся в верхнем бьефе, оказывает весьма значительные вли-
яния на условия русла реки ниже гидроузла. Это приводит к его
переформированию, изменению уровней воды и термических явле-
ний нижиего бьефа. Здесь многое определяет величина напора,
создаваемая гидроузлом, и наличие или отсутствие наносов в водо-
хранилище. В том случае, если река несет большое количество на-
носов, которые аккумулируются в водохранилище, осветленная во-
да, попадая через водосбросные сооружения в нижиий бьеф, интен-
сивно размывает русло. На некотором расстоянии от. гидроузла
река восстанавливает свою первоначальную мутность. Дно реки
при этом постепенно понижается.
Такого рода размывы обычно распространяются на значитель-
ные расстояния по реке и продолжаются по времени до полного
заиления подпертого бьефа, когда восстанавливается транзит на-
носов. Процесс понижения русла горных рек в нижнем бьефе про-
исходит достаточно интенсивно и в отдельных случаях дно реки
понижается на несколько метров. На равнинных реках, характери-
зуемых малым количеством влекомых наносов, процесс понижения
русла протекает весьма медленно, а опускание дна составляет за
много лет 0,14-0,4 м.
Неблагоприятным последствием понижения .русла реки на от-
дельном его участке является падение уровня грунтовых вод, что
может сказаться иа сельском хозяйстве и водоснабжении в приле-
гающем районе. При проектировании ГЭС, водозаборов и других
гидросооружений этот факт должен быть особо учтен.
2. Режим уровней и расходов воды. Создание, .водохранилищ
большой емкости, позволяющее регулировать сток реки, приводит
к некоторому выравниванию уровней воды в нижнем бьефе, упоря-
дочению режима паводков и снижению их высоты, что неодинаково
сказывается на различных отраслях народного хозяйства. Сельско-
хозяйственное использование пойменных земель в этом случае
может стать более эффективным, а рыбное хозяйство, как правило,
несет урон. Кроме того, при суточных колебаниях расходов воды
в нижнем бьефе гидроузлов, связанных с работой гидроэлектростан-
ций в пиковом режиме, создается иеустановившееся движение по-
тока, которое неблагоприятно сказывается на условиях водоснаб-
жения и судоходства.
3. Термический режим. В низконапорных гидроузлах термиче-
ский режим нижиего бьефа почти не изменяется по сравнению с
бытовым. Лишь на участке реки, расположенном непосредственно
за водосбросной плотиной, благодаря повышенным скоростям те-
чения поверхностный лед на некотором расстоянии не образуется,
а возникающая здесь полынья является источником формирования
донного льда и шуги, которые уносятся вниз по течению и могут
привести к эксплуатационным затруднениям на водозаборных со-
оружениях.
114
Высоконапорные гидроузлы, регулирующие сток, аккумулируют
тепло в верхнем бьефе. Благодаря пропускам в нижний бьеф воды
•с положительной температурой, свойственной глубоководным сло-
ям водохранилища, ледяной покров не образуется на значительном
расстоянии от гидроузла, измеряемом в отдельных случаях десят-
ками километров. Следовательно, здесь зимние' уровни должны
соответствовать не зимней, а летней кривой расходов воды.
Отрицательные температуры воздушной среды нижнего бьефа,
а также водяная пыль и брызги, возникающие при сопряжении
бьефов, приводят к эксплуатационным затруднениям из-за образо-
вания наледей на стенках гидросооружений, обледенения линий
электропередач и т. п. Эти затруднения значительно усугубляются
при расположении гидроузлов в районах с суровым климатом.
ГЛАВА 23
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ГИДРОУЗЛОВ
Специальные гидротехнические сооружения предназначаются
Для выполнения отдельных водохозяйственных функций, для кото-
рых построен гидроузел. К ним относятся: воднотранспортные со-
оружения (судоходные и лесопропускные), гидроэнергетические
(здания гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих станций),
рыбопропускные сооружения, водозаборы и т. д. *.
А. ТРАНСПОРТНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
§ 23.1. СУДОХОДНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
1. Общие понятия о судоходных шлюзах и судоподъемниках. Для
пропуска судов через речные напорные гидроузлы применяются
судоходные шлюзы или судоподъемники. Судоходный шлюз пред-
стдпляет собой гидротехническое сооружение, служащее для пере-
Рис. 23.1. Схема однокамерного судоходного шлюза:
1 — IV — положения судна; 1 — верхний подходный канал; 2 — шкафная часть;
3 — ворота; 4 — верхняя голова; 5 — водопроводные устройства; 6 — камера; 7 —
стена камеры; 8— нижняя голова; 9 — нижний подходный канал; глубина
на короле; Ло— осадка судна
хода судов и плотов из одного бьефа в другой. Судоходный шлюз
(рис. 23.1) состоит из камеры, в которой находятся суда во время
шлюзования, и замыкающих ее со стороны верхнего и нижнего
бьефов голов шлюза. Камера шлюза образуется двумя продольны-
ми стенами шлюза и двумя размещаемыми в головах шлюза шлюз-
ными затворами — воротами, которые могут открываться и закры-
ваться для пропуска судов из камеры или в камеру.
* В настоящей главе даются весьма краткие сведения, позволяющие лишь
правильно расположить в гидроузле эти сооружения в комплексе с другими.
116
Процесс пропуска судов и плотов через шлюз называется шлю-
зованием и состоит из ряда последовательно выполняемых опера-
ций. Так, при движении суда из нижнего бьефа в верхний и при
условии, что в камере шлюза устанавливается уровень нижнего
бьефа, ворота нижней головы открыты и суда вводятся в шлюз из
нижнего подходного канала: 1) закрываются ворота нижней голо-
вы; 2) камера шлюза наполняется водой из верхнего бьефа через
водопроводящие устройства; 3) открываются ворота верхней голо-
вы; 4) выводятся суда из шлюза в верхний подходной канал; 5) за-
крываются затворы верхней головы; 6) камера опоражнивается
через водопроводящие отверстия нижней головы; 7) ворота нижней
головы открываются, и шлюз готов к следующему шлюзованию.
При шлюзовании судов, идущих из верхнего бьефа в нижний,
операции по пропуску судов совершаются в обратной последова-
тельности.
Время, необходимое для шлюзования через однокамерный, сред-
ненапорный шлюз, составляет 20ч-40 мин без учета времени под-
хода судна к шлюзу с места стоянки и ожидании входа.
Основные размеры шлюза назначают в зависимости от класса
гидроузлов и речных магистралей. В СССР наибольшее распрост-
ранение получили следующие размеры поперечного сечения ка-
меры:
Ширина, м 30 18 15 11
Глубина (на короле), м 4-4-5,5 34-5,5 1,54-2,5 14-2
Полезная длина камер колеблется от 50 до 290 м. Напоры, при
которых работают судоходные шлюзы, составляют до 40 м. При
более высоких напорах предпочтительнее судоподъемники (см.
ниже).
2. Расход воды на шлюзование. За время каждого шлюзования
происходит сброс воды из верхнего бьефа в нижний; объем его за-
висит от направления, порядка движения и водоизмещения судов,
идущих через шлюз, а также положения уровней воды в бьефах.
Объем сбросной призмы шлюза приближенно составляет
V.BLff, (23.1)
где В — ширина камеры по верху; L — длина камеры, считая ее
между осями ворот; Н — напор шлюза.
В случае, если суда шлюзуются в такой последовательности, что
после пропуска судна в нижний бьеф совершается подъем следую-
щего судна в верхний бьеф, затем опять спуск в нижний бьеф и т. д.,
затрата воды уменьшается вдвое против указанного выше. Средний
секундный расход (м3/с) воды за сутки, подаваемый из верхнего
бьефа в камеру на шлюзование, будет равен
<?шл = С/г/86 400, (23.2)
где п — среднее число шлюзований в сутки.
117
Современные крупные шлюзы на реках СССР требуют расход
воды до 120 м3/с.
3. Расположение шлюзов в гидроузлах. В состав судоходных
сооружений гидроузла помимо собственно шлюза входят причаль-
ные и направляющие сооружения в верхнем и нижнем подходных
каналах, которые служат для отстоя судов, ожидающих шлюзова-
ния (рис. 23.1), причем длина причала должна быть не менее дли-
ны камеры шлюзов Лк; кроме того, для защиты судов от влияния
речного потока на выходе из шлюза с двух сторон устраивают
раздельные дамбы протяженностью не менее 1,2 LK.
Для обеспечения безопасных эксплуатационных условий при
подходе, отстое и вводе судов в шлюз последний должен распола-
гаться на прямой, длина которой
£.пр > nLK + 2/с + У/г > (23.3)
где п — число камер последовательного шлюзования; /с — длина
состава (каравана) шлюзующихся судов; У, /г — сумма длин го-
лов, не входящих в полезную длину камеры.
При решении вопроса о плановом расположении судопропуск-
ных сооружений в напорном речном гидроузле большое значение
оказывают местные природные условия, а также состав прочих со-
оружений. Судоходные шлюзы могут располагаться в узле различ-
ным способом. Шлюз в речном русле в настоящее время считается
наиболее предпочтительным компоновочным решением, так как
позволяет ускорить судопропуск и в большинстве случаев приводит
к снижению строительных и эксплуатационных затрат, однако оно
преимущественно применяется в узких долинах рек, не обладающих
развитой поймой. Если створ гидроузла размещен на извилистом
участке реки, то судоходный шлюз располагают в спрямляющем
канале.
При пойменной компоновке гидроузлов (см. гл. 24, 25) оказы-
вается возможным однобережное расположение, иногда за общей
перемычкой всех бетонных сооружений, включая и судоходные
шлюзы (например, Чебоксарский гидроузел). Такое решение эко-
номично и выгодно в производственном отношении, так как требу-
ет при возведении сооружений лишь одной строительной площадки.
В отдельных случаях оказывается выгодным примыкать судоходные
шлюзы к зданиям гидроэлектростанций (без промежуточной зем-
ляной вставки). Но при этом между ними должны быть раздель-
ные бетонные стенки, которые ограждают подходные каналы шлюза
в верхнем бьефе от волнения, а в нижнем бьефе — от больших ско-
ростей течения.
В створе гидроузла по оси плотин может находиться верхняя
или нижняя голова (рис. 23.2). Лучшим расположением шлюза,
исходя из статических условий его работы, считается такое, когда
камера его находится в нижнем бьефе (рис. 23.2, а), однако в этом
случае усложняются транспортные пересечения плотины и шлюза,
которые приводят или к устройству мостового перехода через верх-
нюю голову с повышенными отметками проезжей части или же раз-
118
водного моста. Для решения вопроса о транспортных пересечениях
судоходный шлюз выдвигают в верхний бьеф, что позволяет судам
проходить под мостом при уровнях нижнего
Рис. 23.2. Схема пропуска дорог через нижнюю голову судоходного
шлюза:
а — камера шлюза в нижнем бьефе; б — камера шлюза в верхнем бьефе;
1 — земляная плотина; 2 — здание ГЭС; 3 — водосливная плотина; 4 — судоход-
ный шлюз; 5 — дорога; 6 — мост через шлюз
бьефа, а дорога для
наземного движения более удобно проходит через весь гидроузел:
(рис. 23.2, б).
Наряду с грузопассажирским речным флотом в последнее время
широкое распространение получили так называемые скоростные
пассажирские суда малых размеров со скоростями движения до
100 км/ч. Пропуск их через обычные судоходные шлюзы по многим
причинам невыгоден. В связи с этим в составе гидроузлов стали
появляться специальные малогабаритные шлюзы (Николаевский*
гидроузел) или же шлюзы с промежуточной головой (Карамышев-
ский гидроузел), позволяющие ускорить процесс прохождения су-
дов через гидроузлы.
4. Судоподъемником называют гидротехническое сооружение,
в котором судно перемещается из одного бьефа в другой вместе с
камерой в отличие от неподвижной камеры в судоходном шлюзе с
изменяющимся в пей уровнем воды. Судоподъемники применяют в.
средненапорных и высоконапорных гидроузлах. Преимуществом их
перед судоходными шлюзами является экономия воды, а также
меньшее время, потребное для подъема или спуска судов при вы-
соких напорах.
По способу действия судоподъемники подразделяют на механи-
ческие, гидравлические и поплавковые; по направлению движения
судовозной камеры — на вертикальные и наклонные.
На Красноярском гидроузле осуществлен наклонный судоподъ-
емник (рнс. 23.3), перемещение камеры которого производится по
судовозным путям при помощи зацепления ходовых зубчатых колес
за зубчатые рейки, закрепленные на наклонной фундаментной
плите. Он имеет следующие основные характеристики: напор—
.100,8 м; габариты самоходной судовозной камеры — 90X18X2,2 м;
119
масса камеры с водой и судном водоизмещением 2000 т — 6500 т;
скорость подъема камеры — 1 м/с, спуска—1,33 м/с, продолжи-
тельность одного полного двустороннего цикла — 80 мин. Затраты
на устройство наклонного судоподъемника оказались в 2 раза мень-
Рис. 23.3. Наклонный судоподъемник:
1 — судовозные пути; 2 — поворотное устройство; 3— судно; 4 — судовозная камера
ше, чем па устройство многоступенчатого шлюза. Предусмотрено
применение судоподъемников для гидроузлов Ангарского и Енисей-
ского каскадов, где они рекомендованы в качестве унифицирован-
ных судоходных сооружений.
5. Лесопропускные сооружения. Транспорт леса по рекам осуще-
ствляется непосредственно на плаву или с погрузкой его на суда.
В первом случае лес сплавляется вниз по течению реки в плотах или
россыпью (молем). Последнее допустимо лишь на несудоходных
реках.
Для пропуска плотов через напорные гидроузлы могут быть
использованы судоходные шлюзы. Как показывает опыт эксплуа-
тации, в этом случае камеры шлюзов весьма интенсивно засоряют-
ся бревнами и требуют частой их очистки. Имеются и другие не-
достатки от совмещения различных функций в одном сооружении
(например, значительные потери воды, затрачиваемой на пропуск
плотов). При отказе от пропуска плотов через судопропускные со-
оружения в гидроузлах устраивают специальные плотоходы. Так,
плотоход с камерой для плота, осуществленный на энергетическом
низконапорном гидроузле (рис. 23.4), представляет собой сравни-
тельно короткую камеру, которая выполнена с наклонным дном и
имеет два затвора. После ввода плота в камеру и закрытия голов-
120
ного затвора низовой затвор поднимают, и плот спускается вниз
вместе с водой из камеры.
Иногда применяют лесотаски для механической перевалки леса
из верхнего бьефа в нижний через гребень плотины. В этом случае
лес, связанный в пучки, направляют в тупиковый бассейн у напор-
Рис. 23.4. Плотоход с камерой для плота •
ной стороны плотины, а затем при помощи механического захвата
поднимают из воды, переносят через гребень плотины и укладыва-
ют на вагонетки, которые спускают по рельсовому пути в отводя-
щий канал. Подобного рода лесоперевалочное устройство действует
на Верхне-Туломском гидроузле.
§ 23.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Гидроэлектростанции, входящие в состав напорных речных гид-
роузлов, могут быть следующих типов:
1. Русловые (или пойменные), которые занимают самостоятель-
ный участок напорного фронта и воспринимают непосредственно
на себя статический напор воды.
2. Совмещенные с водосбросами, размещенные внутри плотин,
иногда называемые встроенными и поэтому не занимающие отдель-
ного участка напорного фронта.
3. Совмещенные с глухими плотинами, располагаемые внутри
последних или непосредственно за ними с подводом воды корот-
кими напорными трубопроводами и также не занимающие отдель-
ного участка напорного фронта.
4. Приплотинные ГЭС в сочетании с плотинами из местных ма-
териалов на короткой напорной деривации с забором воды особым
сооружением, в гидроузлах среднего и высокого напора.
5. Гидроаккумулирующие станции, или сокращенно ГАЭС, рас-
полагаемые отдельно от плотин так называемого нижнего бассей-
121
на — водохранилища и оборудованные агрегатами, работающими
попеременно в турбинном или насосном режимах.
1. Русловые (или пойменные) ГЭС наиболее распространены на
реках с незначительными уклонами, в гидроузлах низкого и сред-
1— водосливная плотина; 2 — здание ГЭС; 3 —
двухкамерный судоходный шлюз; 4 — раздель-
ная стенка
Рис. 23.6. Схематический поперечный
разрез по русловой ГЭС
него напоров (до 304-40 м). В компоновочных решениях здания
ГЭС располагаются чаще всего в створе гидроузла, по продолже-
нию плотины (рис. 23.5). По статистическим данным примерная
длина ГЭС
^гэс = Фгэс/(7гэс = Фгэс/О^ 18). (23.4)
Если ширина русла реки недостаточна для того, чтобы разме-
стить водосброс длиной и здание ГЭС, то последнее частично
врезается в берег, для уменьшения объема береговой выемки зда-
ние может располагаться в реке под углом к оси плотины. Как пра-
вило, ГЭС имеет несколько однотипных агрегатов (турбину, гене-
ратор). Часть здания ГЭС, соответствующая длиной по напорному
фронту одному агрегату, называется турбинным блоком машинно-
го зала. Ширина блока русловых несовмещенных ГЭС составляет
2,8—3,2.01, где О] — диаметр рабочего колеса турбины, м.
Здание ГЭС (рис. 23.6) руслового типа отличается от других
разновидностей ГЭС минимальной длиной тракта, подводящего во-
ду к турбине. Вода из верхнего бьефа поступает непосредственно
в здание ГЭС, пройдя сначала водозаборную часть, далее оказы-
вается в напорной галерее, которая переходит в спиральную каме-
ру (улитку), а затем по прохождении колеса турбины сбрасыва-
ется по отсасывающей трубе в нижний бьеф.
В гидроузле расположены также следующие сопутствующие со-
оружения (см. рис. 23.5). Раздельная стенка или пирс, отделяющий
здание ГЭС от водосливной плотины и ограничивающий в нижнем
бьефе водобой и рисберму от более глубокой выемки на выходе из
ГЭС (см. ч. I, гл. 9). Нередко в нем располагается рыбопропуск-
122
ное устройство (см. § 23.4). Открытое распределительное устрой-
ство (ОРУ), служащее для распределения электрической энергии
по различным линиям электропередач, обычно размещается вбли-
зи здания ГЭС на берегу, на спланированной или искусственно на-
сыпанной площадке. Со-
роудерживающее соору-
жение (СУС) иногда уст-
раивается в верхнем бье-
фе, впереди здания ГЭС.
2. ГЭС, совмещенные
с водосбросами, сооружа-
ют при ограниченной ши-
рине речного русла, а
также в целях сокраще-
ния длины водосбросного
фронта, а следовательно,
и экономии бетона. Как
показывает опыт проекти-
рования и строительства,
совмещение позволяет
снизить суммарные зат-
раты на здание ГЭС и
водосбросной плотины на
54-10%. Из многочислен-
ных решений подобного
рода наибольшее расп-
ространение в нашей
стране получили: а) зда-
ния ГЭС, совмещенные с
глубинными трубчатыми
водосбросами, располо-
женными под спиральной
камерой и выходящими
над отсасывающей трубой
(это Волжская ГЭС
им. В. И. Ленина и Волж-
ская ГЭС им. XXII съез-
Рис. 23.7. Схематический поперечный:
разрез приплотипной ГЭС
Рис. 23.8. Взаимное расположение ГЭС и пло-
тин из местных материалов: '
1 — водоприемник; 2—здание ГЭС; 3 — отводящий
безнапорный водовод; 4 — турбинный напорный водо-
вод
да КПСС, Каховская и
Новосибирская ГЭС);
б) здания ГЭС, совме-
щенные с поверхностными
водосбросами; при напо-
ре станции большем 204-
4-25 м оказывается возможным разместить машинный зал с гидро-
механическим оборудованием внутри водослива (так выполнены
Пермский, Павловский, Саратовский, Плявинский гидроузлы и
запроектирован Средне-Енисейский гидроузел).
3. ГЭС, размещенные внутри плотины или за глухой бетонной
плотиной, показанные на рис. 23.7 не воспринимают непосредст-
венно напора со стороны верхнего бьефа. Эти типы ГЭС применяют
для-средних и особенно для высоких напоров. Помимо гравитаци-
онных плотин подобного рода расположения ГЭС могут быть осу-
ществлены и в сочетании с контрфорсными и арочными плотина-
ми. Встроенные ГЭС дают сокращение объема бетонных работ, но
Рис. 23.9. Общий вид ГАЭС:
I— верхний бассейн; 2— водоприемник; 3 — трубопроводы; 4 — здание ГАЭС; 5—миж«
ний бассейн
в то же время усложняют напряженное состояние в теле плотины.
Приплотинные ГЭС получили широкое распространение и осуще-
ствлены на Братском, Красноярском и Саяно-Шушенском гидро-
узлах.
4. ГЭС в сочетании с грунтовыми плотинами (из местных мате-
риалов), расположенные на короткой напорной деривации. В связи
с развитием строительства земляных, а также каменно-земляных
плотин средних и высоких напоров используют различное взаимное
сочетание плотин (рис. 23.8) с ГЭС (при наличии у последней ко-
роткой напорной деривации). На рис. 23.8 показано обычное реше-
ние с высоким водоприемником и турбинным водоводом, распола-
гаемым у основания плотины (Мингечаурский гидроузел). Более
оригинальной является другая схема (рис. 23.8, а), где здание ГЭС
встроено в наклонное ядро плотины, водоприемник размещен на
берегу, а основная часть трубопровода выполняет функции отво-
дящего безнапорного водовода.
5. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В последние
годы в мировой гидроэнергетической практике сильно возросла роль
ГАЭС, назначением которых является создание запаса энергии в
124
часы снижения нагрузки энергосистемы и отдача ее в часы макси-
мума нагрузки. Имеется много различных схем энергокомплексов,
включающих ГАЭС, но все они могут быть подразделены на две
основные группы: 1) ГАЭС деривационного типа, использующая
перепад уровней воды между двумя бассейнами, соединенными во-
доводами; 2) ГЭС—ГАЭС руслового или приплотинного типа, ис-
пользующие напор воды, создаваемый гидроузлом.
В состав простейшей схемы ГАЭС первого типа входят следую-
щие сооружения (рис. 23.9): верхний бассейн 1, создаваемый дам-
бами; водоприемник 2; напорные трубопроводы 3, здание ГАЭС 4,
оборудованное агрегатами, состоящими из турбии и насосов; ниж-
ний бассейн 5, являющийся водохранилищем речного гидроузла,
образованным плотиной с соответствующими водосбросными уст-
ройствами. Для создания верхнего и нижнего бассейнов ГАЭС мо-
гут быть также использованы естественные водоемы или подпертые
бьефы рек, при этом особое внимание должно быть обращено на
борьбу с фильтрацией из них и устойчивость откосов дамб при
многократном и быстром заполнении и опорожнении водоемов (см.
ч. 1, гл. 15).
Б. РЫБОПРОПУСКНЫЕ И РЫБОЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
§ 23.3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЫБНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
И РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ГИДРОТЕХНИКЕ
Водная среда, окружающая гидротехнические сооружения, на-
селена обычно ихтиофауной. В отдельных случаях она вредно воз-
действует на гидросооружения (моллюски Дрейсена, древоточцы
южных морей и др.). А иногда гидростроительство оказывает су-
щественное, порой необратимое влияние на обитателей морей, рек,
озер и водохранилищ, из которых наибольшей охраны и защиты
требуют рыбы.
Промышленное рыболовство и рыборазведение в СССР являет-
ся важной отраслью народного хозяйства. По образу жизни разли-
чают рыбы: 1) морские, живущие и размножающиеся в морях (тре-
ска, камбала, большинство сельдей и др.); 2) пресноводные, нахо-
дящиеся всю жизнь в пресной воде рек и озер (форель, жерех, по-
дуст, карась и др.); 3)проходные, обитающие в морях, а размно-
жающиеся в реках. Это наиболее ценные в промысловом значении
породы — осетровые (белуга, осетр, севрюга), лососевые (лосось,
семга, кета, горбуша и др.), сиги, белорыбица и др.; 4) полупро-
ходные, проводящие большую часть жизни в устьях рек и опрес-
ненных морских заливах, а для зимовки и размножения идущие в
реки (лещ, судак, сазан и др.).
Рыбохозяйственная гидротехника имеет несколько направле-
ний— морская, озерная, прудовая и речная, но в настоящем курсе
рассматривается лишь последняя, а точнее рыбопропускные соору-
жения на подпертых реках, устраиваемые в гидроузлах для про-
ходных и полупроходных рыб.
125
1. Влияние гидростроительства на рыбное хозяйство. Рыбное
хозяйство дает богатые белками и солями фосфора продукты пита-
ния для населения и ценное сырье для промышленности, проводит
весьма важные мероприятия по сохранению, защите и обеспечению
роста рыбных запасов. В связи с интенсивным гидротехническим,
в частности гидроэнергетическим и гидромелиоративным, строи-
тельством в СССР все большее значение приобретает задача со-
хранения ихтиофауны внутренних водоемов. Формы влияния гид-
ростроительства на жизнь рыб весьма разнообразны, так как они
вызываются разнообразными природными условиями водоемов.
Наличие гидроузлов приводит к следующим последствиям на
отдельных участках рек:
1. В результате регулирования стока рек изменяется гидрологи-
ческий, гидрохимический и гидробиологический режимы — сроки и
объемы паводков, глубины, скорости течения, температура воды,
солевой состав и состав органогенных элементов.
2. Преграждаются пути миграции (передвижения) проходных и
полупроходных-рыб к местам размножения, называемых нерести-
лищами.
3. Создание водохранилищ приводит к сокращению нерестовых
площадей, так как значительные по длине участки рек, бывшие
ранее проточными, превращаются практически в глубокие стоячие
водоемы, где размножение рыб, проводящих икрометание в теку-
щей воде, становится невозможным.
4. Ухудшаются условия размножения рыб в нижнем бьефе на
десятки и сотни километров ниже плотины, регулирующей сток.
Безвозвратный отбор воды у гидроузла для целей орошения, водо-
снабжения и т. д. приводит к уменьшению площадей нерестилищ и
в нижнем бьефе. Неполное и кратковременное покрытие водой
нерестилищ способствует массовой гибели отложенной икры, а
также личинок и мальков.
5. Непосредственно ниже водосливной плотины и ГЭС форми-
руются большие стаи ценных промысловых рыб, а также уничтожа-
ющих их хищников, что приводит к нарушениям системы естест-
венного размножения.
6. Изменяются в худшую сторону условия обратного ската в
море отнерестившейся рыбы и молоди из-за возможности попада-
ния их в водозаборные устройства, насосные и гидроэлектрические
станции, водосбросы.
Отрицательное влияние строительства речных подпорных соору-
жений проявилось в фактическом почти исчезновении волховского
сига, куринского осетра, лосося и других видов рыб. Значительно
пострадали рыбы Волго-Каспийского бассейна: осетровые, белоры-
бица, волжская сельдь и черноспинка (залом); уменьшились уловы
донских, днепровских и обских осетровых. Нерестилища белорыби-
цы и белуги оказались отрезанными полностью, осетра па 60%,
севрюги на 40%, сельди черноспинки и волжской на 80% *.
* Исаев А. И. О работе рыбопропускных сооружений в Советском Союзе.—
В сб.: Поведение рыб в зоне гидротехнических сооружений. М., 1967, с. 43—50.
126
2. Рыбохозяйственные мероприятия, связанные с возведением
гидроузлов. Для уменьшения отрицательного влияния от возведе-
ния речных напорных гидроузлов на рыбное хозяйство необходи-
мо проводить специальные мероприятия. Основные из них сводят-
ся к следующему: 1) регулированию рыбного промысла, как одного
из направлений по охране природной среды вообще и водного бас-
сейна с населяющим его животным и растительным миром в част-
ности; 2) обеспечению пропуска рыбы в миграционный период через
гидроузлы в обоих направлениях с помощью рыбопропускных и
рыбозащитных сооружений; 3) искусственному рыборазведению
путем строительства специальных рыбоводных заводов и хозяйств;
4) рыбохозяйственному использованию созданных водохранилищ
путем заселения (зарыбления) их озерными рыбами, а также со-
зданию и освоению нерестилищ в верхнем бьефе; 5) мелиорации
рыбных угодий вблизи устья рек, как, например, искусственное
опреснение соленых вод лиманов, создание нерестилищ взамен от-
павших за счет срезки водохранилищем пика и объема паводков
и т. и.
Организации, занимающиеся проектированием напорных гид-
роузлов, обязаны по согласованию с органами рыбоохраны пре-
дусматривать в проектах и сметах мероприятия по обеспечению
охраны и воспроизводства рыбных запасов, а также рыборазве-
дению при полном использовании создаваемых водохранилищ.
В настоящей главе рассматриваются лишь рыбопропускные и
рыбозащитные сооружения, которые, являясь составной частью
речных гидроузлов, имеют непосредственное отношение к их изы-
сканиям, проектированию, строительству и эксплуатации.
3. Классификация рыбопропускных сооружений. Специальные
сооружения гидроузлов, служащие для обслуживания мигрирую-
щей рыбы, по назначению делят на две основные группы: 1) рыбо-
пропускные и 2) рыбозащитные или рыбооградительные.
Сооружения каждой основной группы по характеру работы и
конструктивным признакам в свою очередь делят на отдельные
подгруппы: 1) рыбопропускные сооружения, в которых рыба само-
стоятельно преодолевает напор,— рыбоходы лотковые, рыбоходы
прудковые, рыбоходы лестничные, угреходы, гидравлические рыбо-
подъемники; 2) рыбопропускные сооружения, в которых перемеще-
ние рыбы в верхний бьеф осуществляется путем шлюзования или
транспорта ее в специальных контейнерах — рыбоходные шлюзы,
механические рыбоподъемники, плавучие рыбоподъемники; 3) со-
оружения гидроузлов, приспособляемые на период миграционной
волны для пропуска рыбы,— судоходные шлюзы, водосбросы ГЭС;
4) рыбозащитные или рыбооградительные —оградительные сети,
механические и электрозаградители.
4. Расположение рыбопропускных и рыбозащитных сооружений.
Местоположение и число рыбопропускных сооружений в составе
гидроузла определяется многими факторами — природными, техни-
ческими, народнохозяйственными — и потому этот вопрос должен
решаться сугубо индивидуально, однако некоторые общие приици-
127
пы все же могут быть даны. Современный гидроузел должен обес-
печить не только работу энергетического, судоходного или иного
специального сооружения, но и обеспечить условия привлечения
рыбы к рыбопропускному сооружению.
В зависимости от положения створа гидроузла и его схемы
компоновка рыбопропускных сооружений может быть следующей:
Рис. 23.10. Схема расположения рыбопропускных сооружений в деривацион-
ном гидроузле:
а — при безнапорной деривации; б — при напорной деривации; / — плотина; 2 — рыбо-
ход; 3 — здание ГЭС; 4 — канал; 5 — туннель
1) при русловых или пойменных низконапорных и средненапор-
ных гидроузлах рыбопропускные сооружения располагаются, как
правило, в раздельных бычках (см. рис. 23.5);
2) при деривационных схемах может быть два варианта: а) в
случае открытой безнапорной деривации и работе водосброса в миг-
128
рационный период рыбоходы устраивают при плотине — в головном
узле и при гидроэлектростанции — энергетическом (рис. 23.10).
Если же в период хода рыбы холостые сбросы на водосливной
Рис. 23.11. Рыбоподъемник канатного типа;
а — общая схема; б — насосная установка; 1 — резервуар; 2—плотина; 3 — ка-
натная дорога; 4—силовое здание
плотине будут отсутствовать, то достаточно предусмотреть устрой-
ство рыбопропускного сооружения лишь у ГЭС; б) при закрытой
безнапорной деривации ограничиваются устройством рыбопропуск-
ного сооружения лишь у плотины, здесь особое внимание должно
быть обращено на недопуск рыбы в отводной канал ГЭС при по-
мощи рыбозащитных сооружений;
5—1777
129
3) в высоконапорных гидроузлах с короткой деривацией вход
в рыбопропускное сооружение осуществляется вблизи ГЭС, а далее
для транспортировки рыбы через плотину могут быть использова-
ны канатные дороги, как это осуществлено на гидроузле Орегон
(США) с плотиной высотой 120 м (рис. 23.11).
Рис. 23.12. Схема расположения рыбопропускных сооружений в гидроузле
па равнинной реке:
1 — водосбросная плотина; 2 — рыбопропускное сооружение 3 — судоходный шлюз; 4 — ры-
боподъемник плавучего типа; 5 — направляющее устройство
Гидроузлы, расположенные на крупных реках с интенсивным
потоком рыбы, должны иметь в своем составе несколько рыбопро-
пускных сооружений (рис. 23.12).
§ 23.4. ТИПЫ РЫБОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
1. Рыбоходы относятся к тому виду рыбопропускных сооруже-
ний, в которых рыба самостоятельно движется в верхний бьеф на-
встречу течению воды. Для гидротехников наиболее важным пока-
зателем движения рыб является скорость, так как знание ее позво-
ляет рационально проектировать и эксплуатировать рыбопропуск-
ные и рыбозащитные сооружения. В теории движения рыб, разра-
ботанной В. В. Шулейкиным, приводится формула «максимально
доступной скорости». На ее величину влияют только размеры рыбы
и физические характеристики жидкости.
Экспериментальные ихтиологические исследования, проведенные
над различными породами меченых рыб, позволили получить в гра-
130
фическои форме соотношение между их скоростью движения и про-
должительностью плавания (рис. 23.13), что характеризует плава-
тельную способность рыб, которая у различных пород весьма не-
одинакова, так же как и абсолютные показатели приведенной
кривой. На графике следует отметить точку 1 в месте пересечения
кривой v — f(t) с осью ординат, которая определяется из формулы
В. В. Шулейкина. К «максимально доступной скорости» близки
лишь скорости «бросков» (зона
Л). Такие скорости присущи ры-
бам на очень коротком отрезке
времени (доли секунды и секун-
да). С падением скорости движе-
ния увеличивается время плава-
ния. На максимальных скоростях
(зона Б) рыба способна идти в
течение минуты, а на «крейсер-
ских» скоростях (зона В) про-
должительность плавания может
измеряться часами.
Во всех видах рыбоходов ско-
рость потока должна назначаться
соответственно зоне Б макси-
мальных скоростей проходимой
на нерест рыбы с учетом продол-
жительности ее плавания *
Рис. 23.13. Соотношение скорости
движения и продолжительности
плавания рыб
(табл. 23.1).
Различают рыбоходы лотковые, прудковые и лестничные.
Лотковые рыбоходы являются одним из простейших видов ры-
бопропускных сооружений и представляют собой быстротоки пря-
моугольного сечения с уклоном дна, соответствующим скоростям
течения, преодолеваемым рыбой. При проектировании лотка необ-
ходимо учитывать плавательную способность рыбы на задаваемых
скоростях, чтобы при выходе в водохранилище рыба, утомленная
подъемом из головной части лотка, все же могла отойти от плоти-
ны и водосбросов. Свободные лотковые рыбоходы по этой причине
применяют на небольших гидроузлах с напором менее 2-4-3 м.
Таблица 23.1
Скорости течения воды, преодолеваемые рыбами
Порола рыб Скорости воды, м/с
в равномерном потоке во вплывных отверстиях
Карповые 0,5ч-1,0 0,84-1,2
Осетровые 0,84-1,2 1,04-1,5
Лососевые 1,54-2,5 2,0н-3,0
* О скоростях движения рыб/Сабуренков С. И., Сбикин Ю. И., Павлов Д.С.—
В сб.: Поведение рыб в зоне гидротехнических сооружений. М., 1967, с. 124—135.
5* 131
Для того чтобы обеспечить постоянство глубины и ограничен-
ную скорость, в лотковых рыбоходах устраивают искусственную
шероховатость различных видов. Наиболее известным из таких
лотков является лоток Дениля, который, однако, на Волховской
ГЭС себя не оправдал. В таких рыбоходах допускают уклон дна
1:104-1:1,7, а напоры —
до 54-7 м. Лотковые
рыбоходы с неполными
поперечными перего-
родками применяют
для удлинения пути
движения, а следова-
тельно, и уменьшения
скорости течения воды
до 0,8-42 м/с. Некото-
рые типы поперечных
перегородок приведены
на рис. 23.14.
Прудковые рыбоходы (рис. 23.15) представляют собой ряд бас-
сейнов 3, соединенных между собой короткими каналами с повы-
шенными уклонами 4. При соответствующих топографических и
геологических условиях такие рыбоходы устраивают на берегу, в
Рис. 23.15. Схема прудкового рыбохода:
1 — плотина; 2 — выходной оголовок с затвором; 3 — прудки рыбохода; 4 — соединитель-
ные каналы; 5 — входная часть рыбохода
грунте, без применения искусственных материалов, что создает для
рыбы привычные условия и дает ей возможность отдыха в прудках.
Осуществленные рыбоходы данного типа имеют следующие показа-
тели: напор — 34-22 м, число прудков — 74-44, разность уровней
между прудками — 0,44-1,6 м, глубину воды в соединительных ка-
налах— 0,6-40,75, длину прудков — 34-5 м, глубину прудков —
1,54-1,7 м.
Лестничный рыбоход (рис. 23.16) состоит из лотка со ступенча-
тым дном и перегородок 2, образующих ряд бассейнов 1 и перепа-
дов между ними. Уровни воды в отдельных бассейнах благодаря
перегородкам устанавливаются ступенями, а для прохода рыбы в
перегородках устраиваются так называемые вплывные отверстия 5.
Бассейны между группами ступеней, а также на углах поворота
132
трассы рыбохода предназначаются для «отдыха рыбы» после прео-
доления ею вплывных отверстий. Размеры рыбохода, число ступе-
ней, величина перепадов, форма и расположение вплывных отвер-
стий требуют индивидуального решения в зависимости от расхода
Рис. 23.16. Схема лестничного рыбохода:
а — продольный разрез; б — план; в — расположение отверстий; 1 — бассейн; 2 — поперечные
перегородки; 3 — продольные стенки; 4 —защитные щитки; 5 — вплывные отверстия
потока н породы мигрирующей рыбы. В качестве удачного примера
такого рода решения может быть назван рыбоход Кегумского гид-
роузла на р. Даугава, который преодолевает напор в 16 м, имеет
3 лестничных марша общей длиной 240 м и 81 ступень. Скорость
течения вплывных отверстий достигает 1,5 м/с. Вполне удовлетво-
рительно также работают лестничные рыбоходы Нижне-Туломской
ГЭС на р. Туломе, а также Бонневильский на р. Колумбия (США).
Из перечисленных типов рыбоходов лестничные до сего времени
являются наиболее распространенными, пригодными для многих
пород рыб (осетровых, лососевых, сиговых и др.). Их применяют
на гидроузлах с напорами до 30 м. -
Угреходы служат для пропуска молодых угрей при их движе-
нии по трассе из моря в подпертые бьефы реки. В отличие от дру-
гих пород проходных рыб угорь всю жизнь проводит в реках и озе-
рах, а для размножения спускается в море и океан. Так, прибалтий-
ский угорь из р. Нарвы, Гауи, Даугавы, Немана и других в период
нерестовой миграции направляется через Атлантику в Саргассово
море. По возвращении, которое длится 3 года, он попадает в «ма-
теринскую» реку, преодолевая различного рода гидротехнические
препятствия через угреходы. Последние состоят из лотков сечением
150X300 мм, устраиваемых с уклоном 1 : 6 и заполненных наполо-
вину мелкой галькой.
Гидравлические рыбоподъемники были предложены инж.
Ж. Борлэндом. Основные элементы их (рис. 23.17): наклонная га-
лерея 3, нижняя 1 и верхняя 4 камеры. Обе камеры имеют отвер-
стия, которые перекрыты затворами. Подъем рыбы из нижнего
бьефа в верхний начинается при открытых затворах нижней каме-
133
ры. Вода из водохранилища поступает в верхнюю камеру и стекает
по наклонной галерее и нижней камере в нижний бьеф, что привле-
кает рыбу и направляет ее в нижиюю камеру. После закрытия
нижних отверстий и заполнения наклонной галереи водой вступает
Рис. 23.17. Схема гидравлического рыбоподъемника:
1 — нижняя камера; 2 — отводная труба; 3 — наклонная галерея; 4 — верхняя камера
в работу отводная труба 2, и , таким образом, ток воды через ры-
боподъемники продолжается и вынуждает рыбу подниматься в
верхнюю камеру. В верхний же бьеф рыба переплывает через верх
плоского затвора. Затем автоматически начинает подниматься зат-
вор нижней камеры, и рыбоподъемник опорожняется.
Преимуществами гидравлического рыбоподъемника против дру-
гих типов рыбопропускных сооружений является то, что они могут
быть использованы в гидроузлах любого напора и для всех пород
рыб, идущих как вверх, так и вниз по течению; в то же время
идущая через них рыба затрачивает сравнительно небольшие уси-
лия. Рыбоподъемники гидравлического действия успешно работают
с 1955 г. на гидроузлах Торр-Эчилти (Шотландия), а в СССР на
Верхне-Туломской ГЭС, где в 1965 г. также осуществлена одна из
его разновидностей.
2. Рыбоходные шлюзы, механические рыбоподъемники и другие
способы подъема рыбы. Рыбоходные шлюзы — рыбоподъемные со-
оружения, по типу, конструкции и принципу работы одинаковые с
судоходными шлюзами, но имеющие меньшие по сравнению с ни-
ми плановые размеры.
Осуществленный в 1959 г. на Волгоградском гидроузле рыбо-
ходный шлюз (рис. 23.18) имеет следующие основные части: низо-
вой входной лоток, или рыбонакопитель, рабочую камеру, верховой
выходной лоток, блок питания. Низовой входной лоток, сопрягаю-
щийся с нижним бьефом, служит для привлечения и направления
134
рыбы к рыбоподъемной части. Рабочая камера предназначена для
пропуска рыбы из нижнего бьефа в верхний и в отличие от камеры
судоходного шлюза имеет горизонтальную и вертикальную побу-
дительную решетки. Верховой выходной лоток имеет своим назна-
Рис. 23.18. Рыбоходный шлюз Волгоградского гидроузла:
1—выходной лоток; 2 — затвор верхнего бьефа камеры; 3 — вертикальная побу-
дительная решетка; 4— побудительная решетка; 5 — подводящий (входной) ло-
ток; 6 — затвор нижнего бьефа камеры; 7 — рыбоподъемная камера; 8 — горизон-
тальная побудительная решетка камеры; 9 — гидроагрегат, через который пропус-
кается вода для привлечения рыбы
чением пропуск рыбы из камеры в верхний бьеф гидроузлов. Блок
питания устраивается в тех случаях, когда вода из верхнего бьефа
в низовой входной лоток подается через гидроагрегаты.
Волгоградский рыбоходный шлюз имеет следующие показатели:
напор — 27 м, число камер — 2, размеры их в плане — 8,5x8,5 м,
мощность гидроагрегатов— 13 000 кВт, длительность шлюзова-
ния— 40-4-55 мин.
Многолетний опыт работы рыбоходного шлюза Волгоградского
гидроузла, а также аналогичного по размерам рыбопропускного со-
оружения Цимлянской ГЭС (1952) позволяет рекомендовать ры-
боходные шлюзы для строительства на средненапориых гидроузлах
крупных равнинных рек.
Рыбоподъемники — рыбопропускные сооружения, служащие для
механического подъема рыбы в специальной сетке или в наполнен-
ной водой камере. Принцип работы рыбоподъемников аналогичен
принципу работы механических судоподъемников, лифтов и канат-
ных дорог.
Наиболее известным из этого вида рыбопропускных сооружений
является «сухой» лифт, сооруженный в 1932 г. на низконапорном
гидроузле Кембс, рядом с рыбоходом. Пропускная способность его
оказалась в 6 раз меньше такой же у рыбохода и, кроме того,
условия пропуска рыбы в верхний бьеф резко отличались от естест-
венных, а в отдельных случаях влияли и на физическое состояние
рыбы.
Определенный интерес представляет рыбоподъемник, предло-
женный для высоконапорного гидроузла в Орегоне. Входная часть
135
его (см. рис. 23.11) расположена у гидроэлектростанции'и обслу-
живается специальным блоком питания, оборудованным тремя
насосными установками. Рыба, привлекаемая встречным течением
потока, минует небольшие по высоте перепады и оказывается в на-
полненной водой тележке, которая транспортируется затем в водо-
хранилище. Такая система рыбоподъемника достаточно экономич-
на и проста в эксплуатации.
Плавучие рыбопропускные сооружения. В последние годы была
предложена * и испытана в производственных условиях на Усть-
Рис. 23.19. Плавучий рыбоподъемник:
А — транспортирующий катамаран; Б — улавливающая часть; / — служебное помеще-
ние; 2 — корпус; 3 — сетчатый затвор; 4 — сетчатое днище; 5— помещение и лабо-
ратория; 6 — корпус; 7 — лоток; 8 — побудительное устройство; 9 — подъемник решет-
ки; 10 — решетки; 11— глухое днище лотка; 12 — насосные; 13—водоводы насосных
Манычском и Кочетковском гидроузлах на Дону передвижная кон-
струкция рыбоподъемника (рис. 23.19). Она состоит из двух основ-
ных частей — рыбонакопителя и контейнера для транспортировки
рыбы. Рыбонакопитель Б представляет собой плавучий лоток (док)
длиной 60-?-80 м и шириной не менее 10 м, к верховому концу ко-
торого прицеплен контейнер А, а к низовому — шарнирно присо-
единена наклонная решетка 10, сопрягающая дно реки с днищем
накопителя и имеющая уклон не круче 1 : 2,5.
Рыбонакопитель устанавливают в нижнем бьефе гидроузла на
якорях или расчалках, причем местоположение его определяется
натурными данными о местах наибольшей концентрации рыбы. Так
как рыбоиакопительный лоток открыт с обоих торцов, то поток от
гидроэлектростанции или водосбросной плотины проходит через
него транзитом. Если поток оказывается недостаточным для обра-
* Петрашень Р. Н. Плавучее рыбопропускное устройство. — Бюллетень тех-
нических информаций Гидропроекта, 1960, № 10. Мапеванчик Б. С. Вопросы про-
ектирования рыбопропускных сооружений на гидроузлах. — В сб.: Поведение рыб
в зоне гидротехнических сооружений. М., 1967, с. 75—79.
136
зования завлекающей рыбу струи, то насосные установки 12 рыбо-
накопителя подают дополнительный расход воды, исходя из обес-
печения выходных скоростей, больших, чем в этом месте реки, на
0,2-4-0,3 м/с. В этом случае шлейф повышенных скоростей просле-
живается на значительные расстояния от рыбонакопителя вниз по
течению. При помощи счетчиков, размещенных на ихтиологической
площадке, определяется количество и время накопления рыбы и
после того, как она будет собрана в достаточном количестве, при
помощи побудительных приспособлений 8 ее переводят в контей-
нер.
Контейнер состоит из бортов — поплавков, проницаемого сетча-
того диища 4 и таких же затворов на торцах. После отсоединения
контейнера его при помощи буксира проводят через судоходный
шлюз в водохранилище и на значительном расстоянии от гидроуз-
ла, где полностью отсутствует вероятность ската ее через гидросо-
оружения в нижний бьеф, рыбу выпускают. При отсутствии в гид-
роузле судоходного шлюза контейнер может транспортироваться
при помощи автомашин, по железной или канатной дороге.
По сравнению со стационарными устройствами плавучие рыбо-
пропускные сооружения обладают целым рядом строительных и
эксплуатационных преимуществ: возможностью установки их неза-
висимо от компоновки и состава гидротехнических сооружений в
гидроузле; автономностью работы, не связанной с дополнительны-
ми попусками воды из водохранилища; мобильностью, позволяю-
щей устанавливать их в любом количестве и на тех участках, где
наблюдается концентрация рыбы в нижнем бьефе, значительно
меньшей стоимостью изготовления плавучих установок, чем у ста-
ционарных рыбопропускных сооружений.
К недостаткам плавучих рыбопропускных сооружений относят-
ся: невозможность применения их на высоконапорных гидроузлах
и отсутствие опыта эксплуатации как в СССР, так и за рубежом.
3. Специальные сооружения гидроузлов, приспосабливаемые для
пропуска рыбы. Судоходные шлюзы в период работы всегда слу-
жили для пропуска некоторого количества мигрирующей рыбы.
В 1958 г. М. И. Тихий и Г. А. Карев поставили вопрос* о более
широком использовании судоходных шлюзов для этой цели. В даль-
нейшем специальные исследования ** подтвердили правомерность
такого предложения для низко- и средненапорных гидроузлов в том
случае, если судоходный шлюз расположен недалеко от потока,
идущего из верхнего бьефа в нижний. Кроме того, необходимо да-
вать холостые попуски воды в периоды между шлюзованиями су-
дов через судопроводные устройства, а камеру шлюза дооборудо-
вать направляющей сетью или электрическими побудителями (рис.
23.20).
* Тихий М. И., Карев Г. А. Использование судоходных шлюзов как рыбо-
пропускных сооружений. — Гидротехническое строительство, 1958, № 12.
** Киппер 3. М. Использование судоходных шлюзов в качестве рыбопро-
пускных сооружений. М., 1960.
137
Здания гидроэлектростанций, в частности, совмещенные с дон-
ными водосбросными отверстиями, также могут служить целям про-
пуска рыбы в верхний бьеф. Применительно для Саратовской ГЭС
такое предложение было сделано В. А. Малышевым * (рис. 23.21).
Рис. 23.20. Электрический побудитель на судоходных шлюзах:
а — поперечный разрез по камере шлюза; б — положение побудителя в нерабочем
состоянии (план); 1 — электроды; 2 — стоповые огни
В принципе все сорок водосбросных отверстий гидроузла возможно
использовать для пропуска рыбы, но для этого их следует оборудо-
вать одинаковыми нижними и верхними затворами . специальной
конструкции с сегментными клапанами, что превращает данный во-
досброс в однокамерный рабочий шлюз, работа которого осуществ-
ляется в такой последовательности: 1) нижний затвор поднимается
на всю высоту; 2) через отверстия в клапанах верхнего затвора да-
ется небольшой сброс воды из верхнего бьефа в нижний, который
создает в камере привлекающие скорости порядка 0,2 м/с; 3) после
наполнения камеры рыбой закрывается нижний затвор; 4) клапаны
* Малышев В. А. О возможности использования донных водосбросов сов-
мещенных ГЭС в качестве рыбопропускных устройств. — Гидротехническое строи-
тельство, 1962, № 1.
138
верхнего затвора открываются полностью, а сброс воды из камеры
осуществляется через отверстия в клапане нижнего затвора; 5) ры-
ба выходит в верхний бьеф через открытые клапаны верхнего за-
твора.
Следует отметить, что в вопросе приспособления специальных
сооружений гидроузлов для пропуска рыбы до сих пор имеется мно-
го неясностей, а также
отсутствует долговремен-
ный опыт их эксплуата-
ции.
4. Сопоставление раз-
личных типов рыбопропу-
скных сооружений. При
напоре до 25н-30 м про-
пуск рыбы следует осу-
ществлять через лестнич-
ные рыбоходы или плаву-
чие устройства. С ростом
напоров более целесооб-
разным оказывается при-
менение рыбоходных
шлюзов, а также рыбо-
подъемников механиче-
ского и особенно гидрав-
лического действия. Вы-
соконапорные гидроузлы
пока еще не имеют осо-
бо удачных решений воп-
роса о пропуске ихтио-
фауны. Возможно, здесь
надо идти по пути при-
менения механических
рыбоподъемников по ти-
пу канатных дорог. При-
способление специальных
сооружений гидроузлов
(судоходных шлюзов,
ГЭС) для пропуска ры-
бы должно рассматри-
ваться как дублирующее
А-А
Рис. 23.21. Рыбопропускное сооружение при Са-
ратовской ГЭС:
1 — верхний затвор; 2 — камера шлюза; 3 — нижний
затвор; 4—решетка для сопряжения рисбермы и дна
камеры; 5 — помещение для ихтиологов; 6 — гермети-
мероприятие и не должно
ческая дверь с иллюминатором
исключать возведения в
в гидроузле основного рыбопропускного сооружения, тип которого
следует устанавливать на основе технико-экономического сопо-
ставления различных вариантов.
5. Способы пропуска рыбы из верхнего бьефа в нижний. Обрат-
ный скат к морю отнерестившихся проходных и полупроходных
рыб, а также молоди может происходить через рыбоходы всех ти-
пов и гидравлические рыбоподъемники. Кроме того, для этих целей
139
возможно использование водосбросных плотин низкого и среднего
напора, судоходных шлюзов и зданий ГЭС, оборудованных тихоход-
ными большого диаметра турбинами. Идущие на нерест в море угри
помимо угреходов могут обходить гидроузлы, переползая 14-2 км
по влажной траве.
6. Рыбозащитные сооружения и устройства служат для предот-
вращения попадания рыбы в водозаборы и другие опасные для нее
направляющая сеть; 4 — отвер-
стие для прохода покатной
р ыбы
места. Рыбонаправляющие сооружения
для направления рыбы к входу в ры-
бопропускные состоят из сетей, реше-
ток, вращающихся сетчатых барабанов
и электрозаградителей. Неподвижные
сети и решетки выполняют из метал-
ла или капрона и подвешивают к по-
плавкам или жестким железобетон-
ным опорам (колоннам, сваям) (рис.
23.22). Недостатками работы такой
конструкции являются: потеря некото-
рого напора на ГЭС, быстрая засоряе-
мость и трудность ее очистки и ре-
монта.
Механические заградители ставятся
в головной части каналов и представ-
ляют собой покрытые сеткой бараба-
ны или отдельные лопасти (рис. 23.23),
которые приводятся в движение водя-
ным колесом или электромотором. Ры-
ба, задержанная заградителем, выпус-
кается через специальное донное от-
верстие и лоток обратно в реку.
В современных гидроузлах чаще
всего используют заградители электрического действия, примене-
ние которых основано на раздражающем влиянии электрического
поля на организм рыбы. На пути ее движения размещают ряд
Рис. 23.23. Механический сетчатый заградитель:
/—-грубая решетка; 2— отверстие для пропуска рыбы; 3 — подъемник затвора;
4— водяное колесо; 5 —барабан; 6 — сетка-; 7 — донное уплотнение
140
вертикальных электродов, подвешенных к металлическим тросам.
Под напряжением вокруг электродов образуется электрическое
поле, которое позволяет либо задержать мигрирующую рыбу, либо
изменить ее движение в нужном направлении. Такое устройство
выгодно отличается от сетчатых и механических тем, что не
требует очистки и может применяться при скорости течения 1,5-г-
2 м/с. При этом ширина перекрываемого потока практически не
Рис. 23.24. Электрорыбозаградитель:
а — электрорыбозаградительпый снаряд; б — схематический план гидроузла; 1 — консоль-
ная ферма для подвески электродов; 2 — электроды; 3несамоходная баржа
ограничивается (рис. 23.24). В настоящее время ведутся опыты по
применению оптических, акустических и химических средств для
управления поведением рыбы в зонах, примыкающих к гидросо-
оружениям, однако для запросов практики пока они недостаточны.
В. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Гидротехнические сооружения, предназначенные для забора
воды из водоема или водотока для хозяйственных целей — выработ-
ки электроэнергии гидроэлектростанциями, орошения полей, водо-
снабжения населенных пунктов и промышленных предприятий
и Т; п., называют водозаборными или водозаборами. Водозаборы
для гидроэлектростанций называют часто водоприемниками. Они
должны обеспечивать бесперебойный пропуск воды потребителям
в заданном количестве, надлежащего качества и в соответствии с
графиком водопотребления, не допуская в отводящие сооружения
(каналы, трубопроводы и пр.) донных наносов, шуги, льда и плав-
ника.
Водозаборы обычно классифицируют по следующим признакам:
1) по виду используемого водоисточника — речные, озерные, мор-
ские, каптажные, где забираются грунтовые или подрусловые во-
ды; в данном курсе рассматриваются только речные водозаборы;
2) по месту расположения на участках рек — горные, предгорные
141
и равнинные водозаборы; 3) по гидравлическим условиям транс-
портирования воды от водозабора — самотечные и с механической
подачей воды; 4) в зависимости от наличия или отсутствия плоти-
ны в составе водозаборного гидроузла — бесплотинные и плотин-
ные; последнее деление является весьма существенным и поэтому
принято в дальнейшем изложении за основу.
§ 23.5. БЕСПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
Бесплотинные водозаборы характеризуются тем, что вода в них
поступает из реки при бытовом состоянии ее уровней. Они могут
быть поверхностными и глубинными. Первые предназначены для
забора воды (открытыми потоками из поверхностных слоев реки и
озера), вторые — для забора воды с некоторой глубины закры-

Рис. 23.25. Схемы бесплотинного поверхностного водозабора:
а, б — без головного сооружения; в, г —-• с головным сооружением; д —
с прокопами-отстойниками и с дюкером: ж — то же, с акведуком;
1— магистральный канал; 2 — сбросной канал; 3 — головные сооруже-
ния; 4 — прокопы-отстойники; 5 — дюкер; 6 — акведук
тым водоводом. Всякий существенный отбор воды из реки изменяет
ее гидрологический режим: распределение скоростей течения, их
направление, движение наносов, льда. Задача проектирования во-
дозабора заключается в создании такого режима входа воды в во-
дозабор, при котором в водовод не допускаются донные наносы,
лед, шуга, плавающий сор и обеспечивается поступление воды в
отвод в соответствии с требованием водопотребителей — расхода-
ми при всех изменениях уровня воды в реке и при возможных де-
формациях речного русла.
Поверхностные водозаборы бывают трех разновидностей: бере-
говые, шпорные и ковшевые.
142
Рис. 23.26. Схемы многоголового водо-
забора:
1 — прокопы-отстойники; 2 — головное соору-
жение; 3 — магистральный канал; 4 — сброс-
ной канал
. Наиболее простым водозабором,
1. Береговые водозаборы. В соответствии со СНиП П-52—74
бесплотинные водозаборы применяют в том случае, если горизонты
воды в реке обеспечивают необходимое командование отводя-
щего магистрального канала и если процент водозабора не превы-
шает 20% от соответствующих
расходов воды в реке при бла-
гоприятных топографических,
гидрологических и геологиче- .
ских условиях. В частности,
место расположения беспло-
тинного водозабора устанавли-
вается на участке реки, где
водный поток протекает устой-
чиво, в русле отсутствуют от-
мели и острова, а береговая
линия достаточно стабильна.
Основные схемы располо-
жения бесплотинных водоза-
боров приведены на рис. 23.25
применяемым преимущественно для ирригации, является участок
открытого канала, отходящий от реки под некоторым углом к ее
оси (рис. 23.25, а, б). Размещение в начале канала головного со-
оружения (рис. 23.25, s) создает для берегового водозабора более
надежные условия работы, так как оно позволяет регулировать
расходы воды, поступающие в канал.
На реках с неустойчивыми берегами и большим количеством
наносов водозаборы иногда устраивают с несколькими входами
(рис. 23.25, д, ж). Они называются многоголовыми и имеют регу-
лирующие сооружения на каждом входном канале или (по предло-
жению В. А. Шаумяна) один общий шлюз-регулятор (рис. 23.26).
Основное преимущество многоголового водозабора по сравнению с
одноголовым заключается в том, что он лучше обеспечивает бес-
перебойность поступления воды в ирригационную систему в том слу-
чае, когда одна голова выходит из работы вследствие завала нано-
сами, обрушения берега или отхода русла реки. По такому прин-
ципу осуществлено водозаборное сооружение на р. Аму-дарья для
Каракумского канала.
2. Шпорный или фронтальный водозабор характерен выдвину-
той в русло реки водозахватной шпорой — дамбой. Применение
таких водозаборов обычно связывается с реками, обладающими
неустойчивым руслом. Идея водозахватного устройства заключает-
ся в том, что оно создает некоторый подпор в речном потоке и та-
ким образом способствует увеличению расхода воды, идущей в ка-
нал, а также уменьшению количества донных наносов, поступаемых
в него. Шпоры выполняют из местных строительных материалов —
хвороста, камня, каменной наброски, сипаев и т. д. Схемы шпорных
водозаборов приведены на рис. 23.27.
143
3. Ковшовые водозаборы применяют главным образом для
нужд водоснабжения и отличаются от ирригационных непрерывной
работой в течение всего года. Особенностью их является наличие
в голове широкого бассейна или ковша, в котором благодаря нез-
Рис. 23.27. Схемы шпорных водозаборов:
а— без головного сооружения (неинженерный); б — с боковым головным соору-
жением и с промывными отверстиями в шпоре; в — с фронтальным головным
сооружением и промывным устройством в продольной шпоре; 1 — подводящее рус-
ло; 2 — шпора; 3 — канал; 4 — сброс; 5 — промывные сооружения; 6 — головное
сооружение; 7 — дамба
начительным скоростям течения воды взвешенные наносы выпа-
дают на дно. Из ковша осветленную воду подают далее обычно с
помощью насосных установок.
4. Глубинные водозаборы в отличие от поверхностных работают
в напорном гидравлическом режиме. Их применяют в основном
для водоснабжения при небольших расходах воды, забираемых из
реки в высоких берегах, за-
трудняющих или делающих
даже невозможным устройство
открытого канала в выемках,
вследствие необходимости вы-
полнения большого количества
земляных работ. В схеме труб-
чатого водозабора (рис. 23.28,
а) заборное отверстие распо-
лагают в русле реки на глуби-
не 2—2,5 м от уровня зимней
межени для того, чтобы оно
не вмерзло зимой в ледяной
покров, и на 0,5—1,4 м от от-
метки дна, чтобы не было по-
падания в него донных нано-
сов. Если около берегов реки
глубины достаточны, то устра-
ивают не русловые, а берего-
вые водозаборы, в которые вода поступает через глубинные отвер-
стия (рис. 23.28, б).
При значительных колебаниях уровня воды в реке и высоких
малоустойчивых берегах водозаборы для ирригации выполняют
иногда плавучими в виде насосной станции, смонтированной на
плавучем понтоне, который следует за колебаниями уровня воды
в реке.
Рис. 23.28. Схемы глубинного водо-
забора:
а — трубчатого самотечного; б — берегового
144
§ 23.6. ПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
В состав плотинного водозаборного гидроузла входят: плотина
(глухая и водосбросная), регуляционные сооружения верхнего и
нижнего бьефов, головное сооружение, промывные устройства. В
отдельных случаях устраивают отстойники для. борьбы с взвешен-
ными и частично донными наносами, а также шугосбросные уст-
ройства для удаления шуги и мусора.
В водозаборах такого типа поступление воды обеспечивается
плотиной, в верхнем бьефе которой они располагаются. Преиму-
ществом плотинного водозабора перед бесплотинным является бо-
лее надежное обеспечение выполнения графика водопотребления
А—А
Рис. 23.29. Горный водозабор:
1 — фильтр; 2 — отверстия; 3 — донная решетка; 4 — направляющие дамбы; 5 —
труба; 6 — канал •
(стабильности уровня в реке и ее бьефов в месте забора воды), по-
вышение качества забираемой воды. Благодаря подпору при пло-
тинном водозаборе в верхнем бьефе образуются малые скорости
течения воды, что приводит к осаждению перед регулятором части
наносов, а созданный плотиной напор позволяет смывать их в ниж-
ний бьеф, вследствие чего количество наносов, идущих в водозабор,
уменьшается. Их делают двух разновидностей: поверхностными при
плотинах небольших напоров и малых колебаниях уровня воды и
глубинными обычно в гидроузлах среднего и высокого напора, а
также при значительных колебаниях уровня воды в верхнем бьефе
вообще.
1. Горные водозаборные гидроузлы. Горные участки рек отли-
чаются следующими явлениями: непродолжительными и быстро-
возникающими ливневыми паводками, сопровождающимися пере-
носом большого количества крупных донных наносов, значитель-
ными суточными колебаниями расходов, вызываемыми усиленным
таянием снегов и ледников днем и замедленным — ночью, относи-
145
тельно небольшим содержанием в потоке воды мелких наносов.
Для малых рек характерно почти полное прекращение поверх-
ностного потока в межень, когда остаются лишь грунтовые воды,
текущие в гравелисто-галечниковом русле. Нередко на горных ре-
ках наблюдается прохождение селей, а также образование шуги.
Требования, предъявляемые к водоза-
борным гидроузлам на горных реках, ус-
танавливаемых с низконапорными плоти-
нами: 1) минимальное стеснение русла;
2) обеспечение устойчивого подхода во-
ды к сооружению; 3) недопущение в во-
Рис. 23.30. Схема послойно-решетчатого водозабора:
/—•криволинейный капал; 2 — двухкамерный отстойник; 3 — решетки верхнего яруса;
4 — решетки нижнего яруса; 5 — водосброс; 6 — пустотелые быки
дозабор крупных наносов (гравия, гальки); 4) наличие в плотине
широкого и всегда открытого пролета, способного пропустить
большую часть паводкового расхода и смытые со склонов камни
и деревья.
Такого рода водозабор, называемый также донным или кав-
казским, показан на рис. 23.29. Поперек реки расположена гале-
рея, у которой донная и верховая стенки — сквозные (дырчатые),
защищенные фильтром, дониая галерея может занимать водо-
сбросной фронт или часть его в зависимости от потребного для
водозабора расхода воды. На участке b—с галерея перекрыта
дырчатой плитой с отверстиями 5-4-10 мм, пропускающими лишь
воду, песок и мелкий гравий. Крупные наносы, камни, деревья сво-
бодно проходят над ней в нижний бьеф.
146
Недостатком донного водозабора является возможность забив-
ки решетки галькой, сучьями, листвой, что требует ее очистки.
Более сложную конструкцию имеет послойно-решетчатый водо-
забор, предложенный Н. Ф. Данелия (рис. 23.30). Область примене-
ния его относится к горным (высокогорным) и предгорным участ-
кам рек, имеющих следующие характеристики: расход реки Qp =
= 0,24-500 м3/с, скорость течения DCp=l—6 м/с, уклон / = 0,014-
4-0,1; расход водозабора Q3 = 0,24-12 м3/с. Основными элементами
в послойно-решетчатом водозаборе являются небольшие по разме-
рам и затапливаемые во время прохождения паводка пустотелые
Рис. 23.31. Плотинный водозабор:
1 — водоприемное отверстие; 2 — шапдорный паз; 3 — паз затвора; 4 — паз затвора водо-
приемной галереи; 5 — водоприемная галерея; 6 — лоток; 7 — гравиеловка
быки 6, которые размещаются иад водосбросной галереей, распо-
лагаемой в примыкающей к берегу части водосбросной плотины.
При пропуске воды над галереей и обтекании быков на их лобовой
поверхности возникает донное (обратное) течение, которое, пере-
ходя во вращательное движение, направляет донные наносы в об-
ход быков, в иижпий бьеф. Результатом расслоения потока перед
фронтом и вдоль быков часть дна оказывается очищенной от на-
носов. В боковых частях пролетов, свободных от движения донных
наиосов, размещают частые решетки нижнего яруса 4, через кото-
рые вода забирается в галерею при меженных расходах воды, сред-
няя часть пролетов не имеет решеток и перекрывается наглухо, яв-
ляясь холостым сбросом. Ввиду отсутствия донных наносов в верх-
них слоях воды быки сверху покрывают решетками 3, через которые
в галерею попадает вода при прохождении паводковых вод.
Плотинный водозабор с входными отверстиями в быках и ус-
тоях был предложен В. Г. Айвазяном и осуществлен на р. Мзымте
для Краснополянской ГЭС (рис. 23.31). Паводковые расходы, а
также влекомые потоком донные наносы сбрасываются в нижний
бьеф через отверстия плотины. В быках и сопрягающих устоях на
отметках верхних слоев потока устраиваются водоводы, вход 1
в которые защищен решетками. За плотиной отдельные водоводы
объединяются общим лотком 6, который направляет воду в от-
стойник. Дно лотка имеет перекрытые затворами отверстия для
очистки его от крупных наносов 7. Водозабор предназначен для
147
подачи сравнительно небольшого расхода воды (35 м3/с), но, как
показали дальнейшие проработки, может быть применен для водо-
подачи, доходящей до 65-ь-100 м3/с.
2. Водозаборные гидроузлы на предгорных участках рек. Пред-
горные участки рек характеризуются тем, что меженные расходы
воды в отличие от горных участков рек постоянны, расходы ливне-

Рис. 23.32. Водозабор с глухим порогом:
/ — водозабор; 2 — порог; 3 — промывные отверстия; 4 — сороудерживающие решетки
вых паводков, как правило, намного меньше расходов ледниковых
и снеговых; реки шугоносны. Расход водозабора составляет обыч-
но часть меженного расхода реки.
Весьма разнообразную по конструктивным типам группу пред-
горных водозаборов можно разделить на две подгруппы: 1) водо-
заборы береговые (с промывными устройствами в берегу или в
плотине); 2) водозаборы в теле или быках плотины. В отдельных
случаях, например, для целей орошения применяют двусторонний
водозабор — на правом и левом берегах реки.
Водозаборы береговые устраивают рядом с плотиной в берегу,
а промыв наносов осуществляют тоже через береговые устройства
или через плотину.
Водозабор с глухим порогом (рис. 23.32) обычно расположен
под прямым углом к течению реки и является простейшим реше-
нием. Назначение порога — задержание и недопуск донных нано-
сов в канал. Осевшие перед порогом наносы смываются в нижний
бьеф через ближайшие к водозабору водосбросные отверстия пло-
тины (промывники). Опыт эксплуатации такого рода водозаборов
(Верхне-Зеравшанский, Сардарабадский и др.) выявил недоста-
точную степень удаления наносов, отложившихся перед порогом.
Для усиления действия промывника был применен водозабор
(рис. 23.33) с промывным карманом 9, который представляет собой
пространство, ограниченное несколькими пролетами водосбросной
плотины 8, порогом водозабора <3 и длинной стенкой, выдвинутой
в верхний бьеф. Однако при заборе воды из кармана в нем возни-
кают циркуляционные течения, приводящие к взмучиванию и умень-
шению количества осаждающихся наносов. Кроме того, для смыва
148
наносов из кармана в нижний бьеф требуется давать значительные-
по величине промывные расходы, а иногда и отключать на время
водозабор.
Водозабор с промывным
карманом и горизонтальной
полкой (рис. 23.34) был
предложен А. В. Троицким.
Он позволяет осуществлять
раздельную работу донных
и верхних промывных от-
верстий. Первыми смывают-
ся наносы, отложившиеся
перед и под полкой, при
расходе меньшем, чем в
предшествующем типе. Кро-
ме того, в период промыва
обеспечивается бесперебой-
ная работа водозабора.
Верхние отверстия участву-
ют в пропуске через гидро-
узел паводковых вод, а так-
же смывают наносы, отло-
жившиеся непосредственно
на полке.
Одним из способов борь-
бы с донными наносами и
недопуском их в водопрово-
дящую систему является
устройство (рис. 23.35, а,
б) специальных наносопере-
хватывающих галерей про-
мывников 3, через которые
наносы смываются в ниж-
ний бьеф. Первые из подоб-
ного рода устройств распо-
лагались равномерно по
фронту водоприемника, т. е.
под каждым из его пролетов
находилось входное отвер-
стие донной галереи. Однако
было обнаружено, что нано-
сы поступают в них нерав-
номерно и наиболее загру-
женными являются верхо-
вые (по течению) отверстия;
низовые же галереи 3 сбра-
сывают в нижний бьеф поч-
ти чистую воду. Кроме того,
шиеся перед порогом,
Рис. 23.33. Водозабор с промывным карма-
ном:
]— водозабор; 2 — гравиеловка; 3 — порог; 4 — во*
допроводящий тракт; 5 — промывник 6 — соро-
удерживающие решетки; 7 — промывные отвер-
стия; 8— водосбросная плотина; 9— карман
Рис. 23.34. Водозабор с промывным кар-
маном и горизонтальной полкой
в период промыва наносы, отложив-
втягиваются в отверстия водозабора 1
149
вследствие чего последние приходится выключать из работы, что
является недостатком этого типа водозабора.
Береговые водозаборы с наносоперехватывающими галереями
для забора воды из рек большой мутности значительно улучшил
Н. Ф. Данелия. Остановимся лишь на конструктивных особенно-
стях этого предложения (рис. 23.36). Угол между осями плотины
Рис. 23.35. Водозабор с напосоперехватывающими галереями:
7— головное сооружение; 2— капал; 3 — донные промывники; 4— плотина; 5 — входной
порог; 6 — аванкамера; 7 — порог аванкамеры; 8 — затвор; 9— промывиик
и порогом водозабора назначается 904-115°. Водосбросной фронт
в месте примыкания к водозабору заканчивается промывными от-
верстиями плотин, которые служат для пропуска расходов при
форсированных уровнях воды в водохранилище, а также смыва
наносов, отложившихся в верхнем бьефе и сброса различных пла-
вающих тел и шуги. Две наносоперехватывающие галереи 6 рас-
полагаются выше и ниже верховой стенки водозабора и берут на-
чало в зоне интенсивного отложения донных наносов. В аванка-
мере 2 перед входной частью водовода предусматривается устрой-
ство криволинейного порога 3 и наносы, осевшие перед иим, сбра-
сываются в нижний бьеф через дополнительный промывиик 5. Бе-
реговые водозаборы такого типа, осуществленные на р. Куре и
Храми, оказались надежные в работе н характеризовались неза-
иляемостью магистральных каналов.
Водозаборы в теле плотины, иначе фронтальные, имеют донные
промывные галереи, расположенные в русле реки. Береговые уст-
ройства в них почти полностью отсутствуют, но несколько услож-
няется конструкция плотины. В качестве примера данной разновид-
150
в
Рис. 23.36. Водозабор с наносоперехватывающими галереями:
1 — головное сооружение; 2— аванкамера; 3—криволинейный порог; 4 — канал;
5 — промывник аванкамеры; 6 — наносоперехватывающие галереи; 7 — водосброс*
яая плотина; 8 — понур; 9 — сдвоенные затворы плотины; 10 — решетка; 11— за-
твор
ности водозаборных сооружений приводится так называемый
двухъярусный водозабор, осуществленный в СССР на р. Чу. На
рис. 23.37 изображена схема фронтального водозабора, который
вынесен в верхний бьеф и в конце которого устраивается головной
шлюз-регулятор, а под ним донные промывные галереи. Сопряже-
ние водоприемника с водоводом, в данном случае с каналом, осу-
ществляется при помощи криволинейных стенок. Донные промыв-
ные галереи получают здесь
татком этой схемы явля-
ется то, что раздельная
стенка может испытывать
значительные давления от
льда и, кроме того, суже-
ние водобоя, приводящее
к повышению удельных
расходов
берме.
прямолинейные направления. Недос-
воды на рис-
Рис. 23.37. Двухъярусный фрон-
тальный водозабор:
Л — плотина; 2 — водозабор; 3 — про-
мывные галереи; 4 — канал
Рис. 23.38. Двусторонний, равнинный водо-
забор:
/ — водосбросная плотина; 2, 6 — головные регу-
ляторы с донными промывниками; 3,7 — магист-
ральные каналы; 4, 8 — донные промывники; 5 —
здание ГЭС; 9 — рыбоход
Имеются и другие разновидности плотинных водозаборов, осу-
ществляемых на предгорных участках рек.
3. Водозаборные гидроузлы на равнинных реках. Равнинные
участки располагаются в средних и нижних течениях рек. Твердая
составляющая речного потока характеризуется здесь в основном
мелкими и меньше средними наносами. Количество влекомых по
дну наносов невелико. Гидроузлы на этих участках рек имеют
обычно комплексное назначение и предназначены для удовлетво-
рения нужд многих отраслей народного хозяйства: орошения,
энергетики, рыбоводства и др., которые предъявляют различные
требования к очистке воды от наносов. Кроме того, нередко воз-
никает необходимость подачи воды на два берега. В этих услови-
ях могут применяться фронтальные водозаборы, которые были
описаны выше. На рис. 23.38 приведен двусторонний водозаборный
гидроузел на равнинной реке.
152
§ 23.7. ПЛОТИННЫЙ ГЛУБИННЫЙ ВОДОЗАБОР
1. Типы водозаборных устройств. Глубинный водозабор приме-
няется при отводе воды из глубин глубоких подпертых бьефов
или водохранилищ, образованных плотинами среднего и высокого-
напора, при значительных колебаниях уровня воды в бьефе. В этом

случае проблема наносов (как и ледохо-
да, шуги) не имеет значения, так как
глубокое водохранилище представляет
собой прекрасный отстойник, исключение
представляют случаи не очень глубоких,
сравнительно быстро заносимых бьефов.
Водозабор располагается или в теле пло-
тины, или в берегу.
2. Водозабор в теле плотины осущест-
вляется в виде трубчатых отверстий в
теле бетонной плотины (гравитационной
или арочной) или трубопроводов, проре-
зающих железобетонные, земляные и ка-
ГМ0101,6
2 —
НПУ 119,О'
I
2________=
7VO
Рис. 23.39. Трубчатый водозабор в гравитационной бетонной плотине:
1 — стальной трубопровод; 2 —решетка, 3 — затворы; 4 — здание ГЭС
менно-набросные плотины. Трубы со стороны напорной грани пло-
тины имеют плавное расширение — входную воронку для улучше-
ния гидравлических условий входа и оборудуются решеткой и
затвором. Конструкции водозаборов в теле плотин одинаковы с
конструкциями глубинных и донных водосбросов (см. ч. I, гл. 2,
10, И, 12). Разница заключается лишь в том, что отверстие водо-
забора располагается не у дна, а на отметке несколько ниже уров-
ня сработки верхнего бьефа и скорости течения в водоводе огра-
ничены.
На рис. 23.39 даны детали водозабора в массивной бетонной пло-
153
тине: входная грубая железобетонная решетка значительных раз-
меров (во избежание излишних потерь напора на ней), плоский
затвор и пазы для ремонтного затвора впереди, обводная труба для
выравнивания давления за затвором при маневрировании послед-
ним и труба диаметром 60 мм для подвода воздуха в зону ваку-
ума. Водовод на входе имеет прямоугольное сечение, а далее круг-
лое, в виде стальной трубы, забетонированной в массив плотины.
Рис. 23.40. Типы водозаборов в контрфорсных плотинах:
1 — решетка; 2 — шандорный паз; 3 — затвор; 4 — гидравлический подъемник; 5 —мае-1
лонасос; 6 — дроссель; 7 — затвор
В контрфорсных железобетонных плотинах входную часть во-
дозабора устанавливают илн с применением вертикального плоско-
го затвора (рис. 23.40, а), илн с применением наклонного плоско-
го затвора с гидравлическим механизмом (рис. 23.40, б). В массив-
но-контрфорсной плотине водозабор устраивают в оголовке. Так,
на плотине Мензиль напор на затворе водозабора составляет 58 м
(рис. 23.40, в).
3. Береговой водозабор применяют в тех случаях, когда нельзя
или нецелесообразно устраивать трубы в теле плотины. В таких
случаях водозабор осуществляется в открытой выемке берега, если
она не очень глубока, или посредством туннеля. В последнем случае
водозабор носит название туннельного. По месту размещения зат-
воров водозабор может быть башениым или шахтным. Устройства
их аналогичны башенным и шахтным глубинным водосбросам (см.
ч. I, рис. 17.1, 17.2, 17.13).
РАЗДЕЛ V
ОСОБЕННОСТИ ВОЗВЕДЕНИЯ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
И КОМПОНОВКА ГИДРОУЗЛОВ
ГЛ АВА 24
ПРОПУСК РЕЧНЫХ ВОД, ЛЬДА, ЛЕСА, СУДОВ
В ПЕРИОД ПОСТРОЙКИ ГИДРОУЗЛОВ
Вопросы пропуска речных вод, льда, сплава леса, обеспечения
судоходства, возможности прохода рыбы в период строительства
гидроузла являются очень важными и неразрывно связаны с ти-
пами и конструкциями основных сооружений и их компоновки и,
конечно, с природными особенностями района гидроузла.
Существует три основных метода пропуска речных вод в период
строительства гидроузла: 1) без отвода реки из ее бытового русла,
в котором располагаются основные бетонные сооружения; 2) с от-
водом реки в сторону и пропуском ее воды по каналам, туннелям,
трубам; 3) комбинированный метод, когда часть основных соору-
жений возводится без отвода реки в сторону, а другая часть — с
отводом в сторону. Для пропуска речных вод иногда целесообраз-
но расширить русло реки за счет расчистки одного берега, как это
сделано при строительстве Чебоксарского гидроузла на р. Волге.
А. ВОЗВЕДЕНИЕ СООРУЖЕНИИ БЕЗ ОТВОДА РЕКИ
ИЗ ЕЕ БЫТОВОГО РУСЛА
Строительство гидротехнических сооружений можно вести в кот-
ловане, огражденном от затопления водой перемычками — времен-
ными ограждениями типа дамб, стенок и т.п., или возводить под-
водные части сооружения без перемычек методами подводной клад-
ки, а надводные — насухо, пропуская воду через части сооружений,
возведенных в первую очередь. Первый прием называется перемы-
чечным или методом секционных перемычек, второй — бесперемы-
чечным методом.
§ 24.1. ПЕРЕМЫЧЕЧНЫЙ МЕТОД
1. Общая схема метода двухсекционных перемычек. Сначала
строятся сооружения первой очереди в котловане, расположенном в
русле реки и защищенном перемычками первой очереди (рис. 24.1).
Первой возводится продольная 1 перемычка первой очереди, нап-
155
равленная вдоль потока воды или под небольшим углом, затем ни-
зовая 5 'или верховая 8 — поперечные перемычки первой очереди.
В котловане возводится лишь часть основных сооружений первой
Рис. 24.1. Схема пропуска речных вод методом секционных пере-
мычек:
В— водосбросная плотина; Г — здание ГЭС; П — понур; Р — рисберма; К —
ковш; I— первая очередь строительства; II — вторая очередь строительства;
-* — направление потока в первую очередь строительства;---* —
направление потока во вторую очередь строительства
очереди (на рис. 24.1 — здание ГЭС и один пролет плотины). Здесь
размещают водосбросы для пропуска воды реки в период строи-
тельства основных сооружений второй очереди.
При построении первой очереди (в необходимом объеме) со-
оружений выполняется продольная перемычка второй очереди 4, 7,
примыкающая к построенным сооружениям (к раздельной стенке
156
6), затем разбирается часть низовой перемычки первой очереди 5
и затапливается нижний бьеф сооружений, далее разбирается вер-
ховая перемычка 8 и вода проходит через сооружения, построен-
ные в первую очередь и по руслу реки. Затем к низовому узлу пе-
ремычек А обычно пристраивается низовая поперечная перемычка
второй очереди 3, а к верховому узлу Б — верховая поперечная пе-
ремычка 2, осушается пространство между перемычками, а расхо-
ды реки проходят через водосбросы в сооружениях, построенных в
первую очередь (на рис. 24.1 через донные отверстия в здании
ГЭС). Под защитой перемычек второй очереди достраиваются ос-
новные сооружения. При построении необходимого объема соору-
жения перемычки второй очереди удаляются (разбираются). Во-
досбросные сооружения, построенные за перемычками первой оче-
реди в целях пропуска строительных расходов (так обычно назы-
вают расходы воды в реке в период строительства), заделывают в
определенной последовательности.
Сооружения, выходящие за пределы перемычек, выполняются
обычно подводным способом; на рис. 24.1—это подводящий и от-
водящий каналы, которые могут быть выполнены земляными сна-
рядами или взрывным путем.
Описанный метод двухсекционных перемычек применяется
обычно на многоводных реках с русловым расположением бетон-
ных сооружений (Братский, Красноярский, Усть-Илимский, Саяно-
Шушенский, Зейский и другие гидроузлы). Перемычки достигают
высоты более 30 м при скоростях течения воды в сжатом перемыч-
ками русле на скальных породах до 8-4-10 м/с. Расходы воды стро-
ительного периода при высоких бетонных плотинах иногда более
целесообразно пропускать через трубчатые водосбросы второй оче-
реди, расположенные в несколько ярусов в теле плотины.
Метод секционных перемычек, когда русло реки делится на три
части, используется в особых случаях при очень широких руслах.
Пропуск льда, судов, леса может быть обеспечен через гребенку
(см. §24.6). Углы перемычек и конструкции входа надежно зак-
репляются или ставятся специальные направляющие стенки, ледо-
резы.
Особенно сложно обеспечить судоходство при строительстве со-
оружений. Чтобы пропустить суда через шлюз в период строитель-
ства, необходимо все каналы и головы шлюза разместить на низ-
ких отметках или построить временный шлюз у одного из берегов.
Иногда целесообразно поочередное использование шлюзов для
временного судоходства. Первоначально используют одну нитку,
затем на высоких отметках — вторую. Далее шлюзы достраивают
поочередно до проектных отметок. Подобным методом обеспечи-
валось судоходство при строительстве гидроузла «Железные во-
рота» на р. Дунай.
Пропуск рыбы успешно осуществляется при пойменной компо-
новке сооружений, когда река не стесняется перемычками до мо-
мента перекрытия. При перекрытии русла пропуск рыбы прекра-
щается.
157
2. Стеснение русла перемычками. Уменьшение живого сечения
русла реки установкой перемычек вызывает подпор воды на учас-
тке реки до перемычек и увеличение скорости в суженной части, за
счет чего возможен размыв русла в этом месте и подмыв перемы-
чек. На рис. 24.2 показан продольный разрез реки по руслу — по
Д-А
Рис. 24.2. Воздействие перемычек на уровни воды в реке (разрез А — А
по рис. 24.1)
линии А—А (см. рис. 24.1) в случае, когда уже установлены пе-
ремычки первой очереди 5—3—2 (на рис. 24.1 соответствует обоз-
начениям 8—1—5).
Если предположить, что размыва 6 в стесненной части русла
нет и ниже по течению за перемычками пет бара 7 намытых отло-
жившихся продуктов размыва, то подпор Z ориентировочно можно
определить по формуле
2 2
Vc Vn
<?22g 2g '
(24.1)
где vn, vc — средние скорости течения перед перемычками и в сжа-
том сечении русла; ср—-коэффициент сжатия, ср=0,75-4-0,9; мень-
шие значения для форм перемычек в плане, близких к прямоуголь-
ному (рис. 24.3, а), большие — для трапецеидальной формы и при
наличии направляющих сооружений (рис. 24.3, б, в).
Существенную поправку в значении Z может дать размыв рус-
ла б в свободной от перемычек части. Особенно интенсивный раз-
мыв происходит при пропуске первого половодья. Продукты размы-
ва откладываются в виде бара 7 по течению ниже перемычек и
создают подпор 1, за счет которого уменьшается перепад с Z до
Zi (рис. 24.2), что в свою очередь уменьшает размыв русла прора-
на. Подпор, создаваемый баром, может привести к необходимости
увеличить высоту перемычки с 3 до 4 в низовой части.
Выбор степени стеснения русла перемычками производится на
основе рассмотрения ряда вариантов. Конкурентоспособные ва-
рианты стеснения должны быть исследованы на гидравлических
моделях с размываемыми материалами русла и перемычек с моде-
лированным временем процесса размыва. На практике степень
стеснения русла реки назначается равной 30-4-65%. При этом стре-
мятся выполнить следующие условия: скорость vc не должна соз-
давать разрушительных для перемычек размывов, обеспечить про-
158
пуск льда, взводное судоходство (ц^ 1,34-2,0 м/с), лесосплав
(ще4 2,54-3,0 м/с ).
Размыв основания, подмывы перемычек можно ограничить при-
данием перемычкам легко обтекаемой формы (рис. 24.3, а) устрой-
ством направляющих дамб (рис.
24.3, б), предварительных расчи-
сток прорана для улучшения по-
перечной циркуляции, существен-
но влияющей на размывы (рис.
24.3, б), обеспечением рациональ-
ных очертаний смоченных поверх-
ностей перемычек и др. Стеснение
русла реки в значительной степе-
ни связано и с конструкцией пе-
ремычек, особенно продольной.
3. Размеры и формы перемыч-
ки и котлована. При выборе типа и
размеров перемычек, формы кот-
лована учитываются следующие
требования: 1) расстояние от
перемычки до фундамента соору-
жения должно быть не менее
10 м, а иногда и более; 2) очер-
тание котлована в плане должно
быть таким, чтобы удобно раз-
местить дороги на гребне пере-
мычек, съезды в котлован, сопря-
жение со строительными дорога-
ми; 3) формы котлована должны
быть удобными для размещения
кранов и другого строительного
оборудования, размещения водопонизительных установок и поверх-
ностного водоотлива. На рис. 24.4, а — е показаны поперечные про-
фили различных, наиболее часто применяемых перемычек.
Стеснение русла существенно зависит от конструкции пере-
мычки.
Рис. 24.3. Способы улучшений
условий движения потока в русле,
стесненном перемычками:
1 — расчистка
Например, при стальной цилиндрической шпунтовой перемычке высотой
в 16 м ширина ее равна 16 м, а ширина каменнонабросной перемычки по низу
с заложениями откосов, принятыми на Хантайской ГЭС, низового 1 : 1,4 и вер-
хового с суглинистым экраном 1 : 2,5 составляет более 70 м. Эта относительная
разница в ширине между двумя типами перемычек будет увеличиваться с умень-
шением угла внутреннего трения материала, из которого выполняется грунтовая
перемычка.
Тип перемычки оказывает существенное влияние на форму кот-
лована, объем его выемок.
По высоте гребня перемычки бывают незатопляемые и затоп-
ляемые в паводок. Незатопляемые перемычки позволяют строить
сооружение в котловане круглый год. В случае затопляемых пере-
мычек большие расходы воды проходят через стесненное перемыч-
159
ками русло и поверх перемычек (рис. 24.4, ж). После пропуска па-
водка затопленный котлован освобождается от воды и расчища-
ется от наносов. Затопление котлована удлиняет сроки строитель-
ства на 3-4-4 месяца (1-4-2 месяца — пропуск паводка, 1-4-2 меся-
Рис. 24.4. Поперечные профили перемычек:
а — из каменной наброски с суглинистым экраном; б — из песка; в — цилиндрическая ячеис-
тая из стального шпунта; г — сегментная ячеистая из стального шпунта; д — широкая ряже-
вая сквозной рубки; е — узкая ряжевая; ж— водосливная грунтовая пвремычка первой оче-
реди Токтогульского гидроузла; 1 — суглинок; 2 — каменная наброска; 3 — песок; 4 — обрат-
ный фильтр; 5 —тетраэдры и негабариты; ПЭ — полиэтиленовый экран; Б — быстроток;
Ш — шпоры; lull — первая и вторая очереди строительства
ца—на откачку воды и расчистку котлована). В ряде случаев за-
топляемые перемычки дают более экономичные решения в целом,
особенно когда река отличается большими паводковыми расхо-
дами.
160
Водосливные перемычки аналогичны предложенному П. И. Гор-
диенко варианту водосливных земляных плотин и особенности их
работы одинаковы. Перемычки являются сложными и дорогостоя-
щими сооружениями. На строительство их затрачивается обычно
не менее 1,54-2 лет, что отодвигает сроки ввода в эксплуатацию
основных сооружений, поэтому от них стараются отказаться.
§ 24.2. БЕСПЕРЕМЫЧНЫЙ МЕТОД
При бесперемычном методе пропуска строительных расходов
основные сооружения располагаются в русле реки и возводятся
частями или полностью непосредственно в текущей воде. Извест-
но два основных направления осуществления строительства этим
методом: с доставкой конструкций на плаву к месту установки и
с изготовлением конструкций на месте.
1. Метод доставки конструкций на плаву заключается в изго-
товлении секций сооружений в виде железобетонных ящиков, кес-
сонов на стапелях или специальных доках и доставке с помощью
самоходных барж или буксирных катеров к месту установки.
Если сооружается водосливная плотина, то секции ее удобно
комплектовать из фундаментной плиты и полубыков. Однако не
всегда удается обеспечить качественную предварительную плани-
ровку основания под фундаментную плиту подводным способом и
тогда секция не имеет фундаментной плиты и работы производят-
ся с помощью кессона или опускного колодца. С использованием
кессонов был составлен проект гидроузла на р. Волге в Камы-
шинском створе и построены Волховская плотина * и ГЭС с напо-
ром 10,5 м.
В опускном колодце грунт разрабатывается подводным спосо-
бом землесосами, подводным черпанием или опускание колодца
производится методом вымыва грунта из-под ножа подачей под
нож воды под давлением.
Примером доставки гигантского блока на плаву является стро-
ительство Кислогубской ГЭС. Блок размером в плане 42,5Х 18,3 м
и высотой 16,05 м весом 5200 т был изготовлен близ г. Мурманска
более 100 км от створа и транспортирован на плаву (рис. 24.5).
Бесперемычный метод удобен, но при плотных грунтах осно-
вания плотин. При обычных грунтах между отдельно стоящими
кессонами (колодцами) образуются глубокие размывы, сильно ос-
ложняющие строительство. Этот метод пока в стадии разработки.
2. Метод изготовления конструкций сооружений на месте широ-
ко применяется для строительства ряжевых плотин при плотных
грунтах основания, когда секции плотины собираются в зимнее вре-
мя на льду и затем погружаются в воду загрузкой секций камнем,
грунтом. Секции устанавливают так, чтобы между ними были про-
межутки в 24-2,5 м, в которые и проходят строительные расходы.
* Филимонов Н. А. Из истории строительства Волховской ГЭС им. В. И. Ле-
нина.— Гидротехническое строительство, 1970, № 12.
6—1777
161
Далее в определенном порядке промежутки закрываются деревян-
ными щитами с верховой и низовой сторон, засыпаются камнем с
нарубкой сверху сплошного порога водослива. Ко времени закры-
Рис. 24.5. Схема блока Кислогубской ГЭС:
а — поперечный разрез по оси агрегата /; б — план по оси агрегатов: Б — бас-
сейн; М — море; 1— пазы для затворов; 2 — водослив; 3 — камень; 4 — нож—
стальные пластины; /, // — гидроагрегаты
тия последнего промежутка должны быть подготовлены эксплуа-
тационные отверстия в береговых секциях или готовы другие во-
допропускные сооружения узла.
Аналогично на месте могут изготавливаться отдельные секции
железобетонных опускных колодцев. Секции устанавливаются друг
на друга, т. е. происходит наращивание необходимой высоты.
Возможна постройка плотины без перемычек с помощью желе-
зобетонных трубчатых свай или железобетонных труб большого
диаметра *.
* Эти методы в практике плотиностроения не применялись.
162
Есть предложения строить плотину без перемычек с предвари-
тельной установкой быков * и последующим заполнением прост-
ранства между быками аналогично методу гребенки.
3. Условия применения бесперемычечных способов. Нашедшие
применение в практике плотиностроения методы кессонный и опу-
скных колодцев сложнее, чем перемычный, но позволяют уско-
рить ввод сооружений в эксплуатацию. Опускные колодцы дешев-
ле кессонов, но их можно применять, когда грунты поддаются раз-
работке под водой, без осушения. Кессонный способ используют
при опускании опор па глубину ЗОд-35 м, способ опускных колод-
цев не имеет таких ограничений, кроме этого, последний приме-
ним в комбинации с методом секционных перемычек, как это было
сделано на строительстве Волховской плотины.
Б. ВОЗВЕДЕНИЕ СООРУЖЕНИЙ С ОТВОДОМ РЕКИ ИЗ ЕЕ РУСЛА
Метод возведения сооружения с отводом реки из ее русла ис-
пользуется обычно при небольших ширинах русла, крутых берегах
на строительстве средне- и высоконапорных гидроузлов, когда
Рис. 24.6. Схема отвода реки из ее русла туннелем:
1 — туннель; 2— створ гидроузла; 3 и 6 — верховой и низовой порталы тунне-
ля; 4 и 5 — верховая и низовая перемычки; 7 — гравелисто-песчаная масса; 8 —
тетраэдры; 9 — гравий; 10—песок; // — суглинок; 12 — камень
основные сооружения расположены в русле реки и их выполнение
методом секционных перемычек или без перемычек невыгодно.
В первую очередь выполняется водосбросное сооружение гидро-
узла, которое предназначено для пропуска строительных расходов
* Воронкин Н. И., Рогачев П. Г. О возведении плотин без перемычек. —
Гидротехническое строительство, 1960, № 2.
g* 163
воды. Такими сооружениями могут быть туннели 1 (рис. 24.6), ка-
налы, лотки, трубы. Их выполняют обычно в берегах речных долин.
Когда такой водосброс построен, начинается перекрытие русла
реки перемычкой, обычно при меженных расходах и минимальной
энергии потока. Существует несколько методов перекрытия. При
пионерном методе с одного или двух берегов отсыпается гравели-
сто-песчаная масса * слоем до 1,5—-2,0 м, на нее набрасывается
крупный камень, специально' изготовленные бетонные тетраэдры,
ежи, гирлянды, соединенные между собой проволокой, образуя
«банкет». На банкет насыпается материал перекрытия, который
доставляется на место по мосту, канатным дорогам, саморазгру-
жающимися баржами (как это было сделано на строительстве
Асуанской плотины в Египте).
Намывной метод перекрытия осуществляется с помощью песка,
гравия и некрупного камня. Насыпанная в воду масса (банкет)
создает подпор воды Z, часть воды проходит по водосбросу (на
рисунке по туннелю), часть просачивается через наброску, а часть
переливается через нее (рис. 24.6, б). Чтобы поток не снес набра-
сываемый материал и не было размыва русла реки ниже наброски,
в котором может «утонуть» наброска, напор Z ограничивается
14-1,5 м для нескальных оснований и 2,5-4-5 м для скальных. Напо-
ра Z, созданного верховой перемычкой, должно быть достаточно,
чтобы вся вода была пропущена только через водосброс. В образо-
вавшийся тиховод отсыпается вторая (низовая) перемычка 5, из
пространства между перемычками откачивается вода и ведется
строительство сооружений. После перекрытия русла перемычки
сразу наращиваются до проектной отметки.
§ 24.3. ОТВОД ВОДЫ ТУННЕЛЯМИ И КАНАЛАМИ
В практике строительства высоконапорных сооружений наибо-
лее распространенным является отвод воды туннелями. Диаметр
туннеля и высоту перемычек определяют технико-экономическим
сравнением вариантов пропуска строительного расхода (фстртах).
Можно построить совмещенный график стоимости туннеля перемы-
чек и в первом приближении выбрать наиболее экономичный ва-
риант (рис. 24.7). Однако этот график надо существенно корректи-
ровать с учетом особенностей строительства, технических возмож-
ностей и т. п. Не всегда удается за время от перекрытия русла до
наступления QcTpmax возвести перемычку на необходимую высоту.
В этих случаях увеличивают количество туннелей или применяют
затопляемые перемычки, перелив воды через перемычки, исполь-
зуют взрывной метод, позволяющий возвести перемычку быстро.
Диаметр туннеля из условий пропуска расходов при перекрытии
можно уменьшить за счет увеличения напора. Для этого напор при
* Этот слой защищает песчаное русло реки от размыва при наброске круп-
ного камня, позволяет вести перекрытие при больших перепадах Z. В ряде слу-
чаев (при плотных глинах, крупных песках) отсыпка этого слоя не требуется.
164
перекрытии можно создавать не только одним банкетом, а двумя
и тремя.
На р. Хаптайке такой прием позволил осенью 1967 г. перекрыть проран на
скальном основании при общем перепаде уровней в 7 м при скоростях в проране
6-.-8 м/с. При этом был допущен размыв среднего банкета, но объемы размытого
грунта входили в тело будущей плотины. Устройство промежуточных бьефов
позволило снизить напор на верховой перемычке до 4,5 м.
Отвод воды туннелем особенно целесообразен, если туннель в
дальнейшем используется как эксплуатационный водосброс или
водозабор ГЭС, что обычно и делается (см. ч. 1, гл. 17 и 23).
В ряде случаев отвод реч-
ного потока производится по
•одному или нескольким кана-
лам. Порядок пропуска строи-
тельных расходов при этом
можно иллюстрировать строи-
тельством Вилюйского гидро-
узла с пропуском строительно-
го расхода 1%-ной обеспечен-
ности 11 160 м3/с. После
перекрытия реки строительные >
Рис. 24.7. График для определения диа-
метра туннеля:
D — диаметр туннеля; Сс — суммарная стои-
мость; С,г и Сп — стоимости туннеля и пере-
расходы пропускались через
канал длиной 650 м, шириной
22—25 м. В меженный период
канал был перекрыт и произ-
водилось накопление водохра- мычки
нилища. При наступлении оче-
редного паводка перемычки в канале были убраны и расходы
(примерно 4 000 м3/с) пропущены по каналу со скоростью
18—19 м/с. Лед пропущен также через канал. После спада павод-
ка канал вновь перекрыли и возведение плотины обеспечивалось
с опережением подъема воды в водохранилище и очередной паво-
док пропускался уже по эксплуатационному водосбросному кана-
лу. Отвод реки каналами успешно применяется при трудноразмы-
ваемых породах.
При схеме возведения сооружений с отводом реки туннелем,
каналом после перекрытия русла нередко требуется значительное
время для устройства перемычек такой высоты, чтобы можно было
пропустить летне-осенние и весенние строительные расходы. Это
удлиняет сроки строительства. Можно устроить перемычки мень-
шей высоты, но тогда придется увеличивать сечение туннеля, кана-
ла или делать их по нескольку,что удорожает стоимость строитель-
ства и увеличивает1 сроки подготовительного периода.
По туннелям лед, суда, лес обычно не пропускаются, если
не считать специальных судоходных и лесосплавных туннелей.
В. КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД ПРОПУСКА СТРОИТЕЛЬНЫХ
РАСХОДОВ ВОДЫ
При комбинированном методе пропуска строительных расходов
основные сооружения гидроузла возводятся в определенной после-
165
довательности: одни без отвода реки, другие с отводом или одно»
и то же сооружение возводится в определенные периоды с отводом
реки и без отвода. Следовательно, речной сток пропускается и через;
береговые водосбросы и в пределах русла.
§ 24.4. ПРОПУСК РАСХОДОВ ВОДЫ ЧЕРЕЗ БЕРЕГОВЫЕ
ВОДОСБРОСЫ И С ПЕРЕЛИВОМ ЧЕРЕЗ ПЕРЕМЫЧКИ
И НЕДОСТРОЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
1. Пропуск воды через береговые водосбросы и с переливом че-
рез перемычки был использован при строительстве Токтогульской
бетонной плотины высотой 220 м.
Вода р. Нарын отводилась в межень туннелем. Верховая перемычка, нара-
щенная до 30 м, превращена в водослив (см. рис. 24.4, ж). Паводок пропускался
через перемычки и туннель, а следующий паводок — только через туннель под
напором перемычки, возведенной в межпаводочный период на проектную высоту.
Бетонные конструкции перемычки первой очереди были удалены. Этот метод
позволил возводить перемычку в две очереди, начать работы в котловане пло-
тины на год раньше и уменьшить сечение строительного туннеля. Наибольший
эффект этот метод дает при строительстве грунтовых плотин, где перемычки,
могут быть введены в тело плотины.
Аналогично был осуществлен пропуск строительных расходов при строитель-
стве Нурекской грунтовой плотины высотой 300 м. Паводок 2790 м3/с пропускался
через укрепленную верховую перемычку высотой 20 м (1860 м3/с) с удельным
расходом до 40 м3/с-м и через первый туннель (930 м3/с). Затем верховая пере-
мычка была наращена взрывным методом. Материал для наращивания был зара-
нее размещен в кавальерах длиной 240 м по сортам и взрывом заряда ВВ (мас-
сой 258 т) 150 тыс. м3 грунта было уложено точно на свое место.
2. Пропуск воды через береговые водосбросы и с переливом че-
рез недостроенную плотину был использован на строительстве Хап-
тайского гидроузла, где меженные расходы пропускались через
туннель, а весенние и летние с допуском перелива — через русловую,
плотину, что позволило уменьшить высоту верховой перемычки с
40 до 17 м и отказаться от второго туннеля. Есть предложения
пропуска двух паводковых строительных расходов через недостро-
енную грунтовую плотину Калымского гидроузла. Плотина высотой
130 м при пропуске первого паводка возводится на высоту 40 м,
второго — 70 м. При этом на плотине делается крепление из
сборных легких плит аналогично креплению, предложенному
П. И. Гордиенко.
§ 24.5. ПРОПУСК ВОДЫ ПРИ ПОЙМЕННОМ МЕТОДЕ
СТРОИТЕЛЬСТВА СООРУЖЕНИЙ ГИДРОУЗЛА
При пойменной и полупойменной компоновке водосбросных со-
оружений гидроузлов среднего напора бетонные водосбросные со-
оружения, здания ГЭС, шлюзы и другие строятся на низкой и ши-
рокой пойме, а русло реки перегораживает глухая плотина, выпол-
няемая чаще из грунтовых материалов (рис. 24.8). При этом не
нужно делать высоких перемычек, а иногда удается обходиться во-
обще без них, если котлован бетонных сооружений ограждается
166
оерегом, как это показано на рисунке, с отметками поверхности
земли выше отметок воды в реке при прохождении строительных
расходов.
В первую очередь ведется разработка котлована под бетонные
сооружения подводящего и отводящего каналов. Грунт использу-
ется для строительства перемычек, ограждающих котлованы и бе-
реговых участков глухой плотины. Пропуск строительных расходов
воды, льда, леса, судов производится по реке. Короткие участки
каналов, примыкающие к реке,
оставляются неразработан-
ными.
Во вторую очередь строится
глухая русловая плотина, а
строительные расходы воды
пропускаются через водосброс-
ные сооружения, ГЭС, шлюзы,
специально приспособленные
для пропуска строительных
расходов методом гребенки,
через донные отверстия (см
ниже). Перед этим участки ка-
налов, примыкающие к реке,
разрабатываются подводным
способом земснарядами, взры-
вом. Рост глухой плотины по
высоте должен опережать
подъем уровня верхнего бьефа
прн заделывании «гребенки»,
донных отверстий в пойменных
сооружениях.
Этот метод сокращает сро-
ки строительства (по сравне-
нию с перемычечным мето-
дом), так как строительство
пойменных перемычек может
производиться одновременно
с разработкой котлована.
Обычно отпадает необходи-
мость разборки перемычек,
так как они включаются в со-

Рис. 24.8. Очередность пропуска строи-
тельных расходов при пойменной компо-
новке водосбросных сооружений:
I и II— первая и вторая очереди строитель-
ства; I—пойменная водосбросная плотина;
2 — верховая перемычка; 3 — русловая глухая
плотина; 4 — низовая перемычка; 5 — здание
ГЭС; 6 — гребенка плотины
став глухих плотин, русловые явления не влияют, как правило, на
постройку пойменных сооружений.
Недостатком метода является большой объем земляных работ
по выемке котлована под бетонные сооружения и каналы. Однако
часть грунта используется в теле грунтовых плотин, повышая эко-
номический эффект этого метода.
В СССР накоплен большой опыт использования этого метода
для строительства гидроузлов (на р. Волге, Каме, Днепре, Оби),
107
§ 24.6. ПРОПУСК ВОДЫ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ
В СТРОЯЩИХСЯ СООРУЖЕНИЯХ
1. Метод гребенки с успехом применяется при такой конструк-
ции водосливной плотины или другого сооружения, что ее можно
разделить на фундаментную часть — плиту и стоящие на ней стен-
ки, например быки, и выполнить их в первую очередь. Остальная
часть профиля сооружения осуществляется под прикрытием затво-
ров, которые перекрывают пространство между стенками—-быками
с верховой и низовой стороны *. При закрытии гребенки из общего
числа пролетов или отверстий плотины п каждый раз закрывается
затвором l/k часть (практически J/2, !/з или !/4, т. е. k—2, 3, 4 или
более). При двухступенчатой гребенке (&=2) сначала затворы
ставятся, например, в нечетные отверстия; вода проходит в четные
отверстия слоем около h над начальным порогом (на рис. 24.9, а
положение /). После укладки бетона в нечетные отверстия на вы-
соту h затворы ставятся в четные отверстия, и бетон в них уклады-
вается уже на высоту 2/г. Вода проходит в это время через нечет-
ные отверстия слоем h (положение 11), но на уровне 2/г над перво-
начальным порогом; далее затворы опять переводятся в нечетные
отверстия (положение 111), вода идет через четные, но уже на
уровне 3/г над первоначальным порогом; за затворами укладывает-
ся бетон высотой 2/г и т. д. При каждой перестановке затворов
уровень верхнего бьефа поднимается на высоту /г, называемую
шагом гребенки. Затворы должны иметь высоту 2/г плюс запас —
около 0,54-1,0 м.
При трехступенчатой гребенке (рис. 24.9, б) каждый раз закры-
вается >/з всех отверстий, причем в каждой секции из трех отвер-
стий вода проходит в одном пролете слоем /г, в другом — 2/г, а
уровень воды верхнего бьефа поднимается на высоту /г; высота
затворов должна быть равна 3/г плюс запас. Для облегчения ма-
неврирования затворами (шандорами) пролеты гребенки не долж-
ны превышать 154-20 м. Закрытие гребенки производится обычно
в период низких вод — осенью, зимой.
2. Метод донных отверстий используют обычно при строитель-
стве бетонных и железобетонных сооружений, когда в нижней час-
ти тела сооружения оставляются отверстия для пропуска строитель-
ных расходов. Эти отверстия стремятся расположить между экс-
плуатационными швами — внутри секции плотин, чтобы гидроизо-
ляционные шпонки в этих швах выполнялись в обычных условиях
до пропуска строительных расходов. В контрфорсных плотинах
такие-отверстия устраивают между контрфорсами. При полых
контрфорсах их удобно располагать в полости, так же как и в
контрфорсах многоарочных плотин.
Часто оказывается целесообразным применение комбинирован-
ного метода, когда вначале пропуск строительных расходов обес-
* Плита с расположенными на ней ребрами напоминает «гребенку» с зуб-
цами, направленными вверх, откуда и название метода.
168
печивается через гребенку, а затем через глубинные строительные
отверстия.
На строительстве бетонной Красноярской плотины на р. Енисей гребенка
состояла из шести пролетов шириной по 21 м и одного пролета—15 м с расчет-
ным напором 7 м, затем были выполнены 18 донных отверстий в гребенке разме-
ром 6X12 м, создающих подпор 16 м, при высоте верховой перемычки второй
очереди 35 м.
Иногда целесообразно
выполнять водосбросные
строительные отверстия на
нескольких отметках по вы-
соте с последующим исполь-
зованием их как эксплуата-
ционных водоспусков.
Для пропуска строитель-
ных расходов используются
также штрабленые отвер-
стия, т. е. неоконченные
блоки сооружения, которые
в последующем бетонируют-
ся, например, турбинные
блоки зданий гидроэлектро-
станций, отверстия в напор-
ных перекрытиях железобе-
тонных плотин. Выпуски
арматуры («щетина») этих
штраб, отверстий, для по-
следующей сварки их с не- Рис 24 9 Схемы гребенки:
СущеИ арматурой заделки а — двухступенчатой; б — трехступенчатой
делаются длиной не более
6—7 диаметров стержня во
избежание разрушения бетона штрабы и ломки «щетины». При
сложных формах штрабленых блоков пропускная способность их
определяется опытами на гидравлических моделях.
К недостаткам этого метода относится некоторое ослабление
бетонного тела плотины, сложность заделки отверстий, штраблений,
трудности достижения при этом монолитности сооружения.
3. Пропуск строительных расходов через эксплуатационные от-
верстия сооружений гидроузла сочетается с календарным планом
строительства гидроузла. Ввод в эксплуатацию этих отверстий
должен соответствовать вводу в эксплуатацию части всего сооруже-
ния. Для этой цели могут быть использованы водоспуски плотин,
как это сделано в проекте Андижанской контрфорсной плотины;
водопропускные галереи судоходных шлюзов, как это сделано при
строительстве Павловского гидроузла; глубинные водосбросы в
зданиях гидроэлектростанций, промывные устройства водозаборных
сооружений, как это сделано на Ладжанурском гидроузле. На
строительстве Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС строительные
расходы воды пропускались через ГЭС без рабочих колес. Необхо-
169
димым условием при этом оказалось: подвод атмосферного воздуха
под крышку турбины и соблюдение напорного режима * на тракте.
4. Прочие методы пропуска расходов реки. При наличии в ство-
ре одного или нескольких рукавов реки весь расход сосредотачива-
ется в одном рукаве, а в других возводятся сооружения за перемыч-
ками или без них. Так выполнен вододелитель на р. Волге, разде-
ленной островом Подводным на два рукава. При строительстве
низконапорных гидроузлов, когда все работы по русловым соору-
жениям можно производить в период межени, отвод воды обеспе-
чивается лотками. Лоток выполняется обычно из дерева и разме-
щается на эстакаде.
5. Выбор метода пропуска строительных расходов и влияние его
на конструкцию и компоновку сооружений. Пропуск речных вод при
строительстве гидроузлов решается совместно с компоновкой и вы-
бором конструкций сооружений и является сложной задачей. При
решении ее приходится учитывать на первой стадии проектирова-
ния весь комплекс вопросов строительства гидроузла.
Опыт строительства гидроузлов среднего напора позволяет-
сделать некоторые рекомендации: 1) при бетонных водосливных
сооружениях пойменный и полупойменный варианты компоновки
является предпочтительнее руслового варианта; 2) при методе сек-
ционных перемычек и русловой компоновке сооружений к работам
по отрывке котлована и по сооружениям можно приступить только-
по окончании строительства перемычек. Бетонные сооружения при-
ходится расчленять и строить по меньшей мере в две очереди. Не-
смотря на недостатки, пропуск строительных расходов методом,
секционных перемычек использован при строительстве Днепровской
ГЭС им. В. И. Ленина, Братской на р. Ангаре, Красноярской на
р. Енисее, Бухтарминской на р. Иртыше и др. Основной причиной
применения этого метода явилось наличие высоких пойм и неоправ-
данно больших объемов скальных работ, которые пришлось бы
сделать при пойменной компоновке. Наличие достаточно широких
русл рек создавало хорошие условия для руслового варианта ком-
поновки.
При методе затопляемых перемычек конструкция бетонных со-
оружений должна позволять выполнить быстро нижние ее части и
быть надежной при пропуске расходов через котлован и легко очи-
щаться от ненужных наносов после прохождения паводка.
Метод отвода реки в сторону туннелем является единственным
при строительстве высоконапорных сооружений на реках с узким
створом, что является характерным для условий Средней Азии и
Сибири, где вынос сооружений на пойму исключается. Значитель-
ным совершенствованием этого метода является комбинированный
метод.
При пропуске строительных расходов туннелем наполнение во-
дохранилища производится путем регулирования пропусков затво-
* Горбачев С. И., Саркисов М. Ф. Пропуск воды через проточный тракт гид-
ротурбины при отсутствии рабочего колеса. — Гидротехническое строительство,
1970, № 10.
170
рами, расположенными в туннелях. При напорах порядка
1004-120 м существующие затворы пока рискованно использовать
при частичных открытиях отверстий, а также пока не решены проб-
лемы кавитации. Поэтому бетонные русловые сооружения прихо-
дится пробивать строительными отверстиями на высоких отметках.
Целесообразно использовать эти отверстия для пропуска эксплуа-
тационных расходов.
При строительстве гидроузлов с грунтовыми плотинами пропуск
строительных расходов обеспечивается обычно путем отвода реки
в туннель или канал.
Для наполнения водохранилища пропуски воды регулируются
затворами туннелей или ведется строительство плотины с опере-
жением относительно роста отметки воды в водохранилище. При
строительстве высоких плотин приходится из условий ограничения
напора на затворы 1004-120 м делать несколько туннелей, располо-
женных на разной высоте так, чтобы каждый из них работал при
допустимых напорах.
Для создания необходимого напора в туннеле следует делать
высокие перемычки, выполнить которые в короткие сроки трудно.
Зарекомендовал себя метод возведения перемычек взрывом. За-
служивает внимания опыт устройства части верховой перемычки
взрывом с заранее заданной раскладкой грунта при строительстве
Иурекской плотины. Опыт показал возможность возведения пере-
мычки сразу на всю высоту с помощью взрыва, что существенно
сокращает срок строительства и его стоимость.
Значительную экономию может дать метод пропуска паводко-
вых строительных расходов через недостроенную грунтовую плоти-
ну и туннель.
При пропуске строительных расходов целесообразно лед через
сооружения не пропускать. Для этого перемычками или недостроен-
ными сооружениями создается иапор, прн котором ширина потока
и подходные скорости к отверстиям будут незначительными и лед
можно оставить в верхнем бьефе.
ГЛАВА 25
КОМПОНОВКА СООРУЖЕНИЙ В ГИДРОУЗЛАХ
§25.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОМПОНОВКИ СООРУЖЕНИЙ
В НАПОРНЫХ РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛАХ
При заданном составе сооружений узла компоновка зависит от
величины напора, климатической зоны расположения узла, геоло-
гических условий и топографии створа, многоводности реки, водо-
хозяйственных задач узла, строительно-производственных условий.
Из климатических условий важно знать максимальные и мини-
мальные температуры воздуха, а также среднюю годовую темпе-
ратуру, число безморозных дней, количество и длительность атмо-
сферных осадков, характер зимнего режима реки. В отношении то-
пографии створа узла следует различать узкие створы (коэффи-
циент створа L/H<Z3), в частности створы каньонного типа, иши-
рокие створы важно также знать ширину речной поймы.
1. Общие принципы компоновки сооружений в комплексном гид-
роузле. При компоновке сооружений необходимо придерживаться
следующих общих принципов.
Эксплуатационно-технические требования. Каждое сооружение
должно наилучшим образом выполнять свои функции и не мешать
работе других сооружений гидроузла. Необходимо, чтобы располо-
жение сооружений обеспечивало благоприятный гидравлический!
режим для их работы и бесперебойное обслуживание сооружений.
В частности, величины и направления скоростей течения в подхо-
дах к водосбросам и при отводе воды и льда от них не должны со-
здавать затруднений в работе гидроэлектростанций, водозаборов^
шлюзов и рыбоходов.
Технико-экономические условия. Стоимость гидроузла с уютом
ежегодных эксплуатационных расходов должна быть минимальной.
Выбор сооружений и их компоновка осуществляются с учетом ми-
нимальных затрат труда, материалов и других ресурсов, возможно»
раннего пуска узла в эксплуатацию при недостроенных сооружени-
ях. Следует максимально использовать местные строительные ма-
териалы и применять совмещенные типы сооружений (здание гид-
роэлектростанции— водосброс и т. п.) и при формировании напор-
ного фронта глухие части его, как правило, выполнять из грунто-
вых материалов. При строительстве на реке ряда гидроузлов, т. е.
возведении каскада, необходимо максимально типизировать и уни-
фицировать конструкции сооружений и оборудования (затворы,
механизмы, рабочие агрегаты и пр.).
Строительно-производственные условия. При выборе типа кон-
струкции и компоновки сооружений следует учитывать организа-
цию и производство работ и возведение гидроузла в кратчайшие
сроки. Компоновка узла должна обеспечивать удобный и надеж-
ный пропуск строительных расходов воды, допускать частичное
поднятие напора и пуск во временную эксплуатацию неоконченно-
го сооружения, позволять возможно раньше приступить к основным
172
работам на широком фронте при компактном строительном хозяй-
стве. Для производства работ крайне желательно компактное со-
средоточенное размещение бетонных сооружений в одном комплек-
се, что к тому же сокращает число сопряжений их с грунтовыми
сооружениями и снижает стоимость гидроузла.
Дополнительны?, условия. Правильная компоновка сооружение
должна создавать и красивый архитектурный ансамбль, причем эп
достигается не внешним украшением сооружений, дорогими обли
цовками и ненужными надстройками, а разумным распределениех
масс материалов, необходимых по условиям прочности, устойчиво
сти и целевого назначения.
Другими дополнительными условиями при компоновке являют-
ся, например: 1) учет размещения потребителя энергии или воды
для орошения и водоснабжения на том или другом берегу реки;
2) необходимость предусмотреть то или иное перспективное разви-
тие узла, например постройку в будущем судоходных шлюзов, по-
вышение напора узла и степени зарегулирования стока, повышения
мощности, увеличение водозабора канала и т. д.; 3) учет
подходов к строительной площадке гидроузла (связь с внешней
дорожной сетью) и возможности размещения подсобно-вспомога-
тельных предприятий строительства и жилых поселков для рабо-
чих и технического персонала; 4) использование сооружений гид-
роузла для транзитного сухопутного транспорта вместо строитель-
ства специальных мостовых переходов.
2. Варианты компоновки. Район створа гидроузла выбирается
на первой стадии проектирования исходя из общей схемы исполь-
зования реки; тогда же предварительно определяется ось створа.
Затем после уточнения изысканиями природных и других условий
строительства сооружений узла на основе обычно нескольких ва-
риантов окончательно устанавливается положение оси.
При составлении вариантов большое значение имеет выбор типа
плотины, стоимость которой составляет, как показывает практика,
404-70% от общей стоимости сооружений гидроузла. При выборе
типа плотины учитываются решения по типу эксплуатационного
водосброса и способу пропуска речных вод в период строительства
(строительные расходы воды) (см. гл. 24).
Варианты компоновки сравнивают по себестоимости (по капи-
таловложениям) строительных работ и уровню ежегодных эксплуа-
тационных расходов. Принятый в СССР метод технико-экономи-
ческого сравнения изложен в «Типовой методике определения эко-
номичной эффективности капиталовложений», утвержденной в
1969 г. Госпланом СССР, Госстроем СССР и Президиумом
АН СССР.
В основу сравнения вариантов положен так называемый срок
уравнивания затрат по вариантам, приближенно определяемый по
формуле
173
где Ki и К2 — капиталовложения (единовременные затраты) по ва-
риантам, а К и Иг —ежегодные расходы (издержки) по ним же.
Проблемный срок tn окупаемости на практике принимают в за-
висимости от характера объекта строительства. Для комплексных
гидроузлов нормативный срок составляет 10 лет. Обратная ему
величина называется коэффициентом сравнительной эффективности
Еа. Из сравниваемых таким путем вариантов наиболее целесообра-
зен тот, для которого t<t0-
Возможность по выбранному варианту возвести сооружение
раньше или раньше начать частичный выпуск продукции влияет па
оценку эффективности, так как это равносильно уменьшению стои-
мости такого варианта на величину экономии для народного хозяй-
ства, получаемой от выпуска продукции за период времени между
пуском в эксплуатацию сооружения по одному и другому ва-
риантам.
Изложенный метод сопоставления вариантов не может считать-
ся абсолютным и исчерпывающим, а является одним нз показате-
лей экономичности, имеющим смысл при прочих равных условиях.
§ 25.2. КОМПОНОВКА СООРУЖЕНИЙ В НИЗКО-
И СРЕДНЕНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛАХ
1. Низконапорные гидроузлы строят на равнинных и горных ре-
ках. В первом случае их строят в целях улучшения судоходства,
лесосплава и водоснабжения, во втором — в энергетических и ирри-
гационных целях (для подъема уровня в целях водозабора в соот-
ветствующие каналы). В состав узлов кроме плотины входят судо-
ходные шлюзы, лесосплавные и водозаборные сооружения, иногда
здания гидроэлектростанций (в узлах судоходно-энергетических)
довольно часто необходимы еще рыбопропускные устройства.
Транспортные и энергетические сооружения обычно располага-
ют на разных берегах (рис. 25.1), так как работа шлюзов (или
плотоходов) не связана с работой гидроэлектростанций. В первую
очередь стремятся возвести здание гидроэлектростанции, поскольку
оно требует большого времени для монтажа оборудования. Шлюз
желательно возводить одновременно с гидроэлектростанцией, при-
чем очень удобно выносить шлюз иа деривационный канал, если
это возможно по местным условиям.
Расположение здания гидроэлектростанции и шлюза (пли плото-
хода) на одном берегу создает некоторые затруднения в обслужи-
вании сооружений, но облегчает строительство бетонных сооруже-
ний в одном комплексе. При таком варианте предпочтительнее рас-
полагать здание гидроэлектростанции ближе к руслу реки
(рис. 25.2), хотя доставка тяжелого оборудования на станцию и
должна будет производиться через шлюзы, что потребует устрой-
ства специального моста.
При относительно малой ширине реки, недостаточной для раз-
мещения всех сооружений узла, часть устройств выносится в выем-
ку на берегу (на рис. 25.1 —здание гидроэлектростанции). Лучшей
174
Рис. 25.1. Транспортно-энергетический узел с расположением шлюза
и здания ГЭС на разных берегах:
1— электроподстанция; 2 — здание ГЭС; 3— судоходный шлюз; 4 — водосливная
плотина; 5 — грунтовая плотина; б —дороги; 7 — внешние подходы к ГЭС
Рис. 25.2. Низконапорный гидроузел:
а — профиль по осн гидроузла; б — план; / — водосливная плотина; 2—
здание ГЭС; 3 — судоходный шлюз; 4 — направляющие сооружения
шлюза; 5 — раздельный устой; 6 — береговой устой; 7 — берега поймы
компоновки можно достигнуть совмещением здания гидроэлектро-
станции с водосливом, хотя при малых напорах этого довольно
трудно добиться; более эффективно расположение гидроагрегатов
в быках плотины.
На горных реках водосливная часть, плотин часто осуществля-
ется в виде низкого бетонного порога с плоскими или сегментными
Рис. 25.3. Средненапорный гидроузел на равнинной реке:
а — профиль по оси гидроузла; б — план; 1, 4, 6 — грунтовые плотины; 2 — здание ГЭС;
3 — водосливная бетонная плотина; 5— судоходный шлюз; 7 — границы затопления
в верхнем бьефе; 8, 11 — подходный и отводящий каналы ГЭС; 9, 10 — подходные кана-
лы к шлюзу
затворами, а при небольших колебаниях уровня воды верхнего
бьефа — без затворов. В малых гидроузлах допустимы простейшие
плотины: ряжевые, габионные (см. ч. II, гл. 16).
В судоходных узлах на равнинных и предгорных реках при на-
порах до Зч-4 м применяют плотины судоходного типа: с поворот-
ными фермами, со стоечно-плоскими затворами и др. Если судо-
ходный узел включает и энергетические сооружения при напорах
более 3 м, то плотины с поворотными фермами, стоечно-плоскими
затворами мало пригодны из-за больших потерь воды через щели
между многочисленными щитами и неприспособленности их к зим-
ней работе. В этом случае следует применять бетонные плотины с
плоскими, сегментными, крышевидными и секторными затворами.
2. Средненапорные гидроузлы бывают двух типов: первый на
равнинных многоводных реках с широкими поймами, в которых
основаниями сооружений, как правило, являются нескальные грун*
176
ты, и второй тип — на реках горных и предгорных со сравнительно
крутыми .склонами долин, неширокими поймами или даже с отсут-
ствием пойм, основаниями полускальными и скальными.
Средненапорные гидроузлы строят главным образом для энер-
гетических целей. Как правило, в узле имеются и судоходные со-
Рис. 25.4. Воткинский гидроузел на р. Каме:
1, 2, 5, 3 — грунтовые плотины; 3 — водосливная плотина; 4 — здание ГЭС; 6 — судоход-
ный шлюз; 7 — мол, ограждающий подход к шлюзу
оружения, водозаборные устройства, если они есть, обычно глубин-
ного типа. Основными бетонными сооружениями являются: бетон-
ная или железобетонная водосбросная плотина и здание гидро-
электростанции, судоходные шлюзы, остальная часть напорного
фронта занята грунтовыми плотинами.
Существуют две основные схемы компоновки гидроузлов перво-
го типа: русловая, когда водосливная плотина строится в русле
реки методом секционных перемычек (см. рис. 25.4 )и широко при-
177
меняемая у нас пойменная, когда водослив располагается в пойме,,
а русло перекрывается плотиной, отсыпаемой в воду (см. рис. 25.3).
Бывает еще и полупойменная компоновка, когда бетонные соору-
жения частично размещаются в русле реки (см. рис. 25.5).
Рис. 25.5. Новосибирский гидроузел на р. Оби:
/ — здание ГЭС; 2 — водосливная плотина; 3, 9, /2 — грунтовые плотины; 4— судоход-
ный шлюз; 5, 6, 11 — оградительные дамбы; 7, 10 — подходные каналы к шлюзу; 8— ра-
бочие поселки
Принцип взаимного размещения энергетических и транспортных
сооружений тот же, что и в низконапорных гидроузлах; в большин-
стве случаев шлюз располагается на пойме с использованием для
подхода к нему староречий или пойменных понижений.
На рис. 25.3 представлена пойменная компоновка гидроузла:
водосливная плотина 3 и здание ГЭС 2 расположены в котловане,
на пойме, речной поток направляется из русла по каналу 8 и выхо-
дит в нижний бьеф по каналу 11, русло же и пойма перекрыты грун-
товыми плотинами 1, 4, 6. Судоходный шлюз 5 расположен на
пойме в верхнем бьефе, суда в него направляются по каналам 9
и 10.
На рис. 25.4 показана русловая компоновка сооружений Вот-
кинского гидроузла на р. Каме (напор 23 м), здесь бетонные соору-
178
жения 3, 4 занимают часть русла, остальной фронт, в том числе и
часть русла, перекрыты грунтовыми плотинами. На рис. 25.5 при-
ведена 'полупойменная компоновка сооружений Новосибирского
гидроузла иа р. Оби (напор 15,3 м), где бетонные сооружения не
могли быть полностью размещены в русле реки, так как котлован
их, огражденный перемычками, сильно стеснял бы русло, вызывая
недопустимые для судоходства скорости течения в нем в период
постройки узла.
Хотя в пойменных компоновках объем земляных работ в узле
по сравнению с русловыми увеличен за счет выемок в подходных
каналах к бетонным сооружениям, гидроузлы с пойменной компо-
новкой экономичнее за счет меньшего срока строительства (не тре-
буется устройства и разборки дорогих перемычек, большого водо-
отлива и т. д.).
На большинстве гидроузлов применена пойменная компо-
новка. При этом все бетонные сооружения стремятся концентриро-
вать в одном котловане (облегчается организация бетонных работ)
и объем их свести к минимуму за счет заполнения напорного фрон-
та грунтовыми сооружениями. Для этой же цели применяют конст-
рукции машинных зданий ГЭС, совмещенных с водосбросными от-
верстиями для паводочных вод (например, Камская, Кайраккум-
ская, Плявиньская ГЭС). Геологические, гидрологические и другие
условия приводят иногда к довольно сложным компоновкам (при-
мером является узел Волжской ГЭС им. В. И. Ленина, Бонневпльт
ский узел на р. Колумбия).
Что касается гидроузлов среднего напора второго типа (на ре-
ках с узкими поймами, скальными основаниями), то в принципе
компоновки их мало отличаются от компоновок высоконапорных
узлов.
§ 25.3. КОМПОНОВКА СООРУЖЕНИЙ В ГИДРОУЗЛАХ
ВЫСОКИХ НАПОРОВ
Высокопапорпые гидроузлы бывают двух типов: 1) на горных
реках, несудоходных, в сравнительно узких ущельях, при почти
отсутствии пойм, в условиях скальных оснований и берегов, при
максимальных расходах воды не слишком больших (обычно до
нескольких тысяч кубических метров в секунду) и 2) па предгор-
ных и равнинных многоводных реках (максимальные расходы во-
ды могут доходить до 104-20 тыс. м3/с и более) в условиях скаль-
ных оснований.
В составе сооружений узла первого типа главное сооружение
плотина, затем водосбросы, водозаборы (ГЭС, ирригации, водо-
снабжения), здание ГЭС и редко транспортные сооружения (лесо-
пропускные). Состав сооружений узлов второго типа тот же, но
могут иметь место судоподъемники и судоходные шлюзы (редко),
плотоспуски, лесотаски.
1. Компоновка сооружений в узких створах может иметь два
основных решения: 1) строится бетонная, гравитационная, а чаще
179
при подходящих условиях арочная плотина, и все водосбросы раз-
мещаются по возможности в ней или частично на берегу (откры-
тые или туннельные); здание гидроэлектростанции располагают
в теле плотины или непосредственно за плотиной, или же под зем-
лей; 2) строится грунтовая плотина, чаще всего каменно-земляная,
а все водосбросные и водоподводящие сооружения (открытые или
туннельные) в берегах, а здание ГЭС — обычно подземного типа.
Примером гидроузла второго типа является строящийся Нурекский гидро-
узел на р. Вахш (рис. 25.6) с каменно-земляной плотиной 1 высотой 300 м. Водо-
сбросы строительного периода 3 и эксплуатационные 2, туннельные на левом бере-
гу, здание ГЭС — на правом берегу.
Рис. 25.6. Нурекский гидроузел на р. Вахш:
1 — каменно-земляная плотина; 2 — паводковый водосброс; 3— строительный туннель;-
4 — здание ГЭС; 5 — подводящий туннель ГЭС; 6 — забор воды для ГЭС
Примером гидроузла с бетонными плотинами является Чиркейский гидроузел
на р. Сулак (рис. 25.7), строящиеся узлы Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисее
(ч. I, см. рис. 12.5), Ингурский на р. Ингури (ч. I, см. рис. 12.4), Токтогульская
ГЭС (ч. I, см. рис. 10.5 6), сооруженная в трудных природных условиях, привед-
ших к своеобразному типу плотины (ч. I, см. рис. 10.5, а). В Чиркейском узле
здание ГЭС 2 (рис. 25.7) расположено ниже плотины арочного типа 1, водо-
сбросы — туннельные. В Саяно-Шушенском узле все водосбросы, водозаборы на-
ходятся в теле арочно-гравитационной плотины, здание ГЭС непосредственно
примыкает к плотине.
Выбор решения гидроузла делается путем технико-экономиче-
ского сравнения вариантов. Основную роль при этом играет вод-
ность реки и ширина створа: при узком створе и больших сбросных
расходах воды более вероятна и целесообразна схема с бетонной
арочной плотиной, при средних и малых паводочных расходах бо-
лее выгодно применение грунтовой плотины, но в любом случае
180
технико-экономический анализ необходим с учетом характера мест-
ных строительных материалов и климатических условий створа.
2. Компоновка сооружений в широких створах на многоводных
реках. Большие паводочные расходы воды в широких створах тре-
буют устройства в русле бетонной водосбросной плотины. Здание
ГЭС размещается в зависимости от напора гидроузла или по на-
Рис. 25.7. Чиркейский гидроузел на р. Сулак:
1— арочная плотина; 2 — здание ГЭС; 3 — водозаборы для ГЭС; 4 — эксплуата-
ционный-водосброс; 5 — строительный туннель; б — транспортный туннель
порному фронту, воспринимая напор, ио чаще располагается непо-
средственно за бетонной плотиной. Остальной участок фронта за-
страивается грунтовыми плотинами, если этот участок достаточно
велик по длине, либо глухой бетонной плотиной, если расход бето-
на на нее меньше расхода па сопрягающий устой между грунтовой
и бетонной плотинами. Судоходные сооружения (шлюзы, судоподъ-
емники) удобнее располагать в скальных берегах (см. ч. I, рис.
10.3, а и 25.8).
Подобная схема компоновки осуществлена в СССР на ряде гидроузлов в Си-
бири (р. Ангара, Иртыш, Енисей, Зея). Впервые она применена на Днепре при
строительстве Днепрогэс им. В. И. Ленина (рис. 25.8), где водосливная плотина 3,
криволинейная в плане (для увеличения фронта водослива), переходит в щито-
вую стенку на правом берегу, за которой находится здание Днепрогэс-1, судо-
ходный трехкамерный шлюз 5 расположен на левом берегу.
В настоящее время, после зарегулирования стока р. Днепр каскадом ГЭС
(выше Днепрогэс им. В. И. Ленина), половина пролетов плотины в левой части
русла используется как водозаборы для подвода воды к зданию Днепрогэс-2
181
2
Рис. 25.8. Гидроузел Днепрогэс им. В. И. Ленина:
1 — здание ГЭС на правом берегу; 2 — открьная подстанция; 3— бетонная
водосливная плотина; 4— зона строящейся ГЭС второй очереди; 5 — судоход-
ный шлюз на левом берегу
Рис. 25.9. Зейский гидроузел (вид с верхнего бьефа):
1, 5 — глухне участки плотины; 2 — станционная часть плотины; 3 — забор воды дня
ТЭС; 4 — водосбросная плотина; 6 — поверхность сохранной скалы; 7 — подошва це-
ментационной завесы; 8 — естественная поверхность земли; 9— судоподъемник
(см. рис. 31.4), расположенному непосредственно ниже плотины, дополнительно
строится вторая нитка шлюзов.
Примерами описанной компоновки гидроузлов в широких створах являются
узлы Братской ГЭС им. В. И. Ленина на р. Ангаре (см. ч. I, рис. 10.2, а), Крас-
ноярской ГЭС па р. Енисее (см. ч. I, рис. 10.3, а) и Зенекой ГЭС на р. Зее (рис.
25.9) и др. Бетонные плотины осуществлены разных типов: гравитационные (рис.
25.8, ч. I, 10.2, 10.3, 10.4), массивно-контрфорсные (рис. 25.9, ч. I, 11.34, 5), много-
арочные (ч. I, рис. 11.23, а, 11.29, б).
3. Выбор типа плотины в узлах высокого напора. Стоимость
плотин в составе высоконапорного гидроузла составляет по дан-
ным мирового опыта 40-5-70% от стоимости строительства всех
сооружений узла, поэтому выбору типа плотины следует уделять
особое внимание *.
На первой стадии проектирования обычно решается вопрос, бу-
дет ли основная плотина из грунтовых материалов или же из бето-
на. Обычно вопрос решается технико-экономическим сопоставлени-
ем вариантов, но обязательно с учетом стоимости всех сооружений
узла, особенно существенно в варианте грунтовой плотины учесть
стоимость водосбросных сооружений вне плотины, имеющую часто'
решающее значение.
При выборе бетонной плотины тип ее решается с учетом ряда
местных условий: формы створа (широкий, узкий), геологических
условий, сейсмичности района, водности реки, наличия материалов
на месте и их стоимости, способа пропуска речных вод в период
строительства (водосбросы в теле плотины или в берегах), техно-
логичности, т. е. удобств производства строительно-монтажных ра-
бот, вида механизации работ, предполагаемой строительной орга-
низации, возможности и эффективности пуска узла в эксплуатацию
при недостроенной плотине (частичный напор), срока этого пуска
и общего срока ввода узла в эксплуатацию, различных местных
обстоятельств, влияющих на ход работ. Не все приведенные пока-
затели могут быть выражены численно в стоимости работ, но все-
они должны быть учтены качественно при сравнении вариантов.
Из вариантов четко может быть решен вопрос в отношении
арочной плотины, так как она требует определенных условий ство-
ра, вопрос же о других видах плотин решается лишь сопоставлени-
ем стоимостных показателей.
При выборе типа грунтовой плотины (земляной, каменно-зем-
ляной, каменной) решающее значение приобретает наличие и ко-
личество местных материалов: грунтов связаных и несвязных, круп-
но-обломочных, скальных. Далее важен характер основания и бе-
реговых примыканий, многоводность реки, климатические условия
(колебания температуры, длительность безморозного периода,
количество атмосферных осадков и ход их во времени). Варианты
типов плотин вместе со всеми сооружениями узла оцениваются по
капиталовложениям и учитывается местная специфика, на основе-
чего делается выбор оптимального варианта.
* Выбор типа высоких плотин при проектировании гидроузлов. — Тр. коорди
национных совещаний по гидротехнике. Л., 1974. вып. 90.
183-
РАЗДЕЛ VI
ВОДОПРОВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
Водопроводящие сооружения, или водоводы, предназначенные
для подачи воды из одного пункта в другой, представляют собой
открытые или закрытые искусственные русла, безнапорные, если
поток воды движется в них со свободной поверхностью, и напорные,
если не существует свободной поверхности потока (см. § 1.4).
В зависимости от конструкции водоводы делятся на: 1) кана-
лы— искусственные открытые русла правильного очертания, уст-
роенные в открытой выемке и насыпи грунта или в полувыемке и по-
лунасыпи; 2) лотки — искусственные открытые русла, устроенные
из различных материалов (дерева, стали, бетона, железобетона) и
расположенные на поверхности земли или выше ее; 3) трубопрово-
ды— искусственные закрытые (замкнутые) русла из различных ма-
териалов, укладываемые открыто на поверхности земли или в вы-
емке с засыпкой их землей; 4) гидротехнические туннели — искус-
ственные закрытые (замкнутые) русла, устроенные в земной коре
без вскрыши лежащей над ними массы грунта.
Нередко водоводы большой длины выполняют на различных
участках в разных конструктивных формах, например: канал сме-
няется лотком или туннелем, трубопроводом и т. д., в таком случае
водовод иногда называют водным трактом.
ГЛАВА 26
КАНАЛЫ
§ 26.1. ТИПЫ, ФОРМЫ И РАЗМЕРЫ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ
КАНАЛОВ
1. Классификация. По назначению каналы могут быть энерге-
тическими, водопроводными, ирригационными, судоходными, лесо-
сплавными, обводнительными, осушительными, рыбоводными и
комплексного назначения (например, для судоходства и водоснаб-
жения) .
По способу подачи воды каналы делят на самотечные и каналы
с механическим подъемом воды (машинные) (рис. 26.1). В само-
Рис. 26.1. План и продольный профиль участка машинного канала:
1— водохранилище; 2 — подводящий канал; 3—аванкамера; 4 — насосная станция; 5 — на-
порный трубопровод; 6 — напорный бассейн; 7 — отводящий канал; 8 — железнодорожный
мост; 9 — труба; 10 — акведук; 11— дюкер; 12 — сбросной канал; 13— шлюз-регулятор; 14 и
15— каналы; 16 — водосбросные отверстия в акведуке
течных каналах вода движется по трассе под действием силы тя-
жести. В тех случаях, когда уровень воды в месте ее забора из
источника (водохранилища, реки) ниже, чем требуемые по усло-
виям «командования» уровни воды в канале, по трассе канала
устраивают насосные станции, осуществляющие подъем воды.
В СССР ведется интенсивное строительство крупных каналов и
водных трактов. За годы Советской власти построены судоходные
каналы Беломоро-Балтийский (протяженностью 227 км), Волго-
Донской им. В. И. Ленина (101 км), судоходно-водопроводный ка-
185
нал им. Москвы (128 км), водопроводные каналы — Северный До-
нец— Донбасс (129 км), Иртыш — Караганда (490 км), ирригаци-
онные— Большой Ферганский канал (350 км), Донской -магист-
ральный (112 км), комплексные каналы — Каракумский (более
800 км), Терско-Кумский (150 км), Северо-Крымский (402 км)
Рис. 26.2. Поперечные сечения каналов и лотков:
а — трапецеидальное; б — полигональное; в — прямоугольное; г — параболическое
д — полукруглое
и др. Эти каналы пропускают расходы воды от 204-75 (водопро-
водные) до 1004-500 м3/с (ирригационные и комплексные); дери-
вационный канал Нарвской ГЭС подает расход 700 м3/с.
2. Формы и размеры живого сечения каналов и лотков. Живое
сечение каналов имеет следующие формы (рис. 26.2): трапецеи-
дальную, полигональную, прямоугольную, параболическую, полу-
круглую и другие более сложные.
Формой сечения каналов, наиболее распространенной по про-
изводственным условиям и условиям устойчивости откосов, явля-
ется трапецеидальная и полигональная (часто используемая в су-
доходных каналах). Форма, близкая к прямоугольной, применяется
в основном в скальных и полускальных грунтах, а параболиче-
ская— главным образом в лотках и грунтах, склонных к оплы-
ванию.
Гидравлически наивыгоднейшее трапецеидальное сечение харак-
теризуется отношением:
р = ЫН = 2 (/1 4- m2 — т), (26.1)
где b — ширина канала по дну; h—глубина воды, т — заложение
откоса, ctg а = т = а/Л (рис. 26.2, а).
Для распространенных заложений откоса т= 14-4 величина
[3 = 0,834-0,25. Следовательно, «абсолютно гидравлически наивыгод-
нейшие сечения» имеют узкую и глубокую форму. Такие сечения
не всегда удобны при производстве работ и экономически невы-
годны даже при спокойном рельефе. На практике выбирают обыч-
но р = 2,24-5. При этом объемы выемки увеличиваются лишь на
24-3% по сравнению с гидравлически наивыгоднейшим сечением.
Кроме того, при проходке канала в глубоких выемках (см. рис.
26.10, б, в) экономически целесообразно увеличивать глубину жи-
вого сечения против глубины, соответствующей гидравлически паи-
выгоднейшему сечению; при устройстве канала в насыпи (см. рис.
26.10, д, е) —наоборот. На выбор величины р влияют также усло-
186
вия незаиляемости и неразмываемости русла, назначение канала,
особенности, связанные с режимом зимней эксплуатации канала,
и другие соображения.
Минимальную ширину трапецеидального сечения по дну b вы-
бирают в зависимости от применяемых для строительства механиз-
мов, но не менее 1,54-2,0 м.
Величину заложения откоса т принимают на основании изуче-
ния устойчивых участков существующих каналов, работающих в
аналогичных гидрогеологических и геологических условиях, а также
на основании расчетов откосов на оползание по кривым скольжения.
Для каналов в выемках глубиной до 5 м для предварительных
прикидок можно пользоваться данными табл. 26.1.
Таблица 26.1
Примерное заложение откосов каналов в выемках глубиной до 5 м
Грунты, слагающие русло канала Заложение откосов
подводное надводное (выше бермы)
Невыветрившаяся скала 0,1-5-0,25 0
Выветрившаяся скала 0,25 ч-0,50 0,25
Полускальный водостойкий грунт 0,50-5-1,0 0,5
Галечник и гравий с песком 1,25-5-1,5 1,0
Глина, суглинок тяжелый и средний 1,0-5-1,5 0,54-1,0
Суглинок легкий, супесь Песок крупно- и среднезернистый 1,25-5-2,0 1,04-1,5
1,254-2,25 1,5
Песок мелкозернистый 1,54-2,5 2,0
Песок пылеватый 34-3,5 2,5
Торф (в зависимости от мощности слоя и сте- пени разложения) 0,25 4-2 —
Для каналов в насыпях откосы дамб устанавливают по тем же
принципам, что и в земляных плотинах (см. ч. 1, гл. 14). Площадь
живого сечения канала определяют на основе гидравлических рас-
четов.
3. Гидравлические расчеты канала и выбор допустимых скоро-
стей течения. Гидравлические расчеты канала производят в пред-
положении равномерного движения в нем потока. Кроме того, вы-
полняются поверочные расчеты на неравномерные режимы движе-
ния потока в канале, возникающие при подпорах и спадах поверх-
ности воды вследствие изменения по длине уклона, шероховатости,
площади и формы поперечного сечения, а также в случае возникно-
вения волн наполнения и излива в энергетических каналах при
сбросе или набросе нагрузки. Гидравлические расчеты на неравно-
мерный режим движения воды в канале излагаются в специаль-
ных курсах.
Для определения скорости и расхода при равномерном движе-
нии используют известные формулы Шези:
v = CVRi и Q = uCyRi, (26.2)
187
где С — коэффициент Шези; R — гидравлический радиус; i — гид-
равлический уклон; Q — расход воды в канале; и—площадь живо-
го сечения.
Расход воды Q задается исходя из водохозяйственных и техни-
ко-экономических расчетов. Уклон i зависит от отметки места во-
дозабора, потребителя воды и расположения трассы канала,
которая выбирается после технико-экономического сравнения не-
скольких вариантов. В отечественной практике обычно уклоны боль-
ших самотечныхканалов равны I = 0,00008-?-0,0002. Во французской
технической литературе рекомендуется принимать 1 = 0,00014-
0,0005. Во всяком случае для заданного варианта трассы канала
уклон i известен. Задачей расчета является определение площади,
формы поперечного сечения канала и скорости течения воды в нем.
Соображения по выбору формы сечения изложены выше. Площадь
живого сечения и скорость потока определяются при решении урав-
нений (26.2) путем подбора.
При выборе скорости течения воды следует стремиться к тому,
чтобы канал не заиливался наносами, грунт его ложа не размы-
вался и чтобы обеспечивались благоприятные гидравлические ре-
жимы по биологическим и эксплуатационным условиям. Поэтому
диапазон варьирования скоростями течения воды в канале обычно
весьма ограничен.
4. Предельные скорости по заилению. Поток воды в канале час-
то несет во взвешенном состоянии некоторое количество твердых
частиц. Они поступают в канал либо вместе с водой, забираемой
из источника, либо иоток обогащается взвешенными наносами
в местах, где происходит размыв грунтового, ложа канала. Процесс
оседания твердых частиц в текущей воде, а также процесс насыще-
ния потока продуктами размыва грунтового ложа зависит от мно-
гих факторов, характеризующих свойства грунта и потока. В част-
ности, он зависит от турбулентности потока и эпюры распределения
скоростей. При гидравлических расчетах каналов обычно исполь-
зуют лишь понятие о средней скорости течения, поэтому формулы,
описывающие процессы выпадения наносов, а также размыва ло-
жа канала, являются приближенными.
Минимально допустимую «незаиляющую» скорость течения во-
ды (м/с) в деривационных каналах можно определять по эмпири-
ческой формуле И. И. Леви
да ,— /0,0225\
и =0,01 ——//? --------- , ((26.3)
1 dcp \ п /
где w — гидравлическая -крупность частиц взвешенных наносов
среднего диаметра dcv (скорость равномерного оседания частиц в
спокойной воде), мм/с; dcv— средний диаметр преобладающий
массы частиц взвешенных наносов, мм; R — гидравлический радиус
сечения канала, м; п — коэффициент шероховатости откосов и дна
канала.
Величину незаиляющей скорости в каналах можно определять
по формуле С. А. Гиршкана
188
i'h.3 = ^°’2> ' ' (26-4)
где A — коэффициент, равный 0,33 при да<1,5 мм/с, 0,44 при w =
= 1,54-3,5 и 0,55 при аэ>3,5; Q — расход канала, м3/с.
С позиций теории более правильное суждение о незаиляющей
скорости можно составить, используя понятие о транспортирую-
щей способности потока, под которой подразумевается способность
воды транспортировать во взвешенном состоянии некоторую массу
твердых примесей (при отсутствии выпадения их). При этом реко-
мендуется пользоваться полуэмпирическими формулами Е. А. За-
марина. Транспортирующая способность для крупных наносов
(2 iMm/c<®<8 мм/с)
т — 700 у RI, (26.5)
для более мелких наносов (0,4 .мм/с<и><2 мм/с)
т = 350г/ Riv[w. (26. 6)
Канал не будет заилиться, если вычисленная транспортирую-
щая способность будет больше ожидаемой мутности потока в ка-
нале.
5. Предельные скорости по размыву. Наибольшая величина ско-
рости потока, при которой грунтовое ложе канала еще не размыва-
ется, т. е. от массы грунта еще не отрываются и не уносятся в виде
взвешенных или влекомых наносов отдельные частицы, называется
неразмывающей скоростью. Размыв является сложным процессом,
.зависящим от многих трудно учитываемых факторов, таких, как
диаметр частиц грунта, его плотность, связность, турбулентность
и глубина потока, наличие взвешенных наносов, шероховатость ло-
жа канала и др. Ввиду этого известные методы определения нераз-
мывающей скорости являются весьма приближенными. Из формул,
имеющих теоретическую основу, следует отметить формулы нераз-
мывающих скоростей, предложенные Ц. Е. Мирцхулавой.
Рассматривая равновесие в предельном состоянии сил, действующих со сто-
роны турбулентного потока на неровность поверхности ложа канала, и сил сопро-
тивления вырыву и сдвигу отдельной частицы в массе грунта с учетом усталост-
ных явлений в грунте, Ц. Е. Мирцхулава предложил полуэмпиричсское уравне-
ние
'Сир' — fig j ]/ ~^-[(Рг— РвНср + bRyk], (26.7)
> \ dcp / Г apBs
* где цНр — неразмывающая скорость, м/с; h — глубина воды в канале, м; dCp—
( средний размер зерен несвязного грунта или отрываемых при размыве отдельно-
(,стей связного грунта, м; g— ускорение силы тяжести, м/с2; рг — плотностьгрун-
‘ та, кг/м3; рв —ПЛОТНОСТЬ ВОДЫ, кг/м3; S — коэффициент перегрузки, S = (UmaxA)2;
max — пульсационная мгновенная максимальная скорость в точке на высоте
выступа шероховатости А, м/с; v —осредненная донная скорость в той же
точке, м/с; при отсутствии данных величину s можно определять по формуле
’ ' 5 = 1 + [dCp/(0,00005 + 0,3d)];
ip — коэффициент условий работы отдельной частицы на отрыв ее от массы грун-
та, зависящий от категории канала и типа грунта, ф=1,1—1,7;
189
а и b — эмпирические коэффициенты, для несвязного грунта а = 0,44; 6 = 2; для
связного грунта а = 2,6; 6=1,25; //..— усталостная прочность на разрыв, для не-
связного грунта Яу= 175/1010dcp (т/м2) есть проявление сил сцепления (зацепле-
ния), для связного грунта = 0,035 С, где С — среднее (нормативное) сцепление
в т/м2 поверхностного слоя капиллярно-водонасыщенного грунта при полной вла-
гоемкости, устанавливаемое специальными исследованиями; k — коэффициент, ха-
рактеризующий однородность сил сцепления грунта, для несвязных грунтов.
6 = 0,5, для связных грунтов величина k характеризует вероятность отклонения
показателей сцепления от их средних величин в неблагоприятную сторону и при-
нимается равной 6=1 — (ао/С); а — коэффициент, характеризующий вероятность
минимального сцепления грунта и принимаемый в зависимости от категории
(класса капитальности) каналов от 2 до 2,65; о — среднее квадратичное откло-
нение (стандарт кривой распределения) сил сцепления.
Формула (26.7) основана на представлениях о реальной физи-
ческой картине размыва грунта потоком, но требует обширных
сведений о структуре потока и свойствах грунта. Эти сведения осо-
бенно на предварительных стадиях проектирования часто ограни-
чены.
Другая группа формул неразмывающей скорости имеет эмпири-
ческую основу. Широкое распространение в инженерной практике
получили эмпирические формулы А. М. Латышенкова и Б. И. Сту-
деничникова, в которых величина неразмывающей скорости зави-
сит от диаметра зерен, слагающих грунт, и глубины потока:
«нр = Ad^v hn.
При dcp< 14-10 мм Л = 5, /? = 0,3, л = 0,2; при dcp>14-10 мм Л = 3,6;.
R = « = 0,25. Следует помнить, что такие расчеты являются ориен-
тировочными, поэтому на практике часто используют подходящие
аналоги. Для рыхлых грунтов допустимую неразмывающую ско-
рость снижают на 15%. Неравномерность эпюры распределения
скоростей по ширине канала иногда учитывается при проверке на
размыв путем увеличения средней скорости течения в канале на
104-20%.
Взвешенные наносы в потоке уменьшают возможность размыва
ложа канала в зависимости от мутности т, что можно учесть по
эмпирической формуле Б. И. Студеничникова
<р = ^нр V1 + Зи2/3> (26.8>
где т —мутность потока, кг/м3.
Для вычисления допустимых скоростей течения в облицованных
каналах и в каналах, проложенных в скальных породах, различные
ведомственные нормативы рекомендуют использовать таблицы,
составленные на основе обобщения инженерного опыта. В табл. 26.2
приведены величины перазмывающих скоростей для скальных
грунтов и различных типов облицовок, если в потоке не содержит-
ся крупнопесчаиых и галечниковых наносов.
6. Предельные скорости по зарастанию каналов. При скорости
течения воды в канале менее 0,34-0,5 м/с он быстро зарастает во-
долюбивой растительностью, особенно в неглубоких каналах. Так,,
в первые годы эксплуатации канала Северный Донец — Донбасс,
190
Таблица 26.2
Допустимые неразмывающие средние скорости
для скальных грунтов и облицовок
Вид грунта или крепления Временное сопротивление сжатию или марка бетона, МПа (кгс/см2) Неразмывающие средние скорости, м/с, при глубине потока h, м
0,5 1 5
Скальные грунты (оса- 50 (500) 6,3 7,7 11,0
дочные и изверженные 10(100) 3,0 3,6 5,2
породы) 2,5(25) 1,7 2,1 3,0
Деревянные лотки — 264-29 284-32 344-38
Бетонные облицовки 20 (200) 15,6 17,3 21,2
10(100) 12,5 13,8 17,0
5(50) 9,6 10,6 13,0
Одежды из крупной ка- 15-:-5 (150н-50) 7,4 8,7 И,6
мениой кладки 2,5(25) 6,3 7,4 9,8
1(Ю) 4,3 5 6,7
Габионы со сторонами более 0,5x0,5X1,0 м — 4,7 5,5 7,3
Каменная наброска в плетневых клетках Мощение одиночное на слое щебня Юн-15 см при крупности камней: 3,0 3,5 4,4
154-20 см — 2,4 2,8 3,8
204-30 см — 2,8 3,3 4,4
когда средняя скорость движения воды в канале не превышала
0,2 м/с на каждый 1 м2 облицованной бетоном поверхности откоса
капала, одновременно наблюдалось до 1,3 кг биомассы водорослей
в сырой массе. Интенсивность обрастания зависит от климатиче-
ских, главным образом температурных, условий. Организмами об-
растания являются: водоросли (особенно диатомеи и синезеленые),
лишайники, губки, дрейсена (особые ракушки, которых наблюда-
лось до 15 кг/м2 в районе водозаборных сооружений одной из водо-
проводных станций Москвы), тростник, камыш, осока. При скоро-
стях течения меньших чем 0,Зд-0,5 м/с и глубинах менее 1,5д-2 м
каналы могут зарастать по всему поперечному сечению. У берегов
скорости течения всегда меньше и там наблюдается развитие рас-
тительности.
Борьба с зарастанием ведется разными способами: 1) опрыски-
ванием различными ядами (гербицидами и др.); 2) очисткой ка-
налов специальными механическими устройствами; 3) путем при-
дания откосам канала гладкой или ступенчатой формы, предотвра-
щающей возможность прикрепления к поверхности организмов об-
растания; 4) использованием новых материалов для крепления от-
косов каналов, на которых организмы обрастания жить не могут
(например, полиэтиленовых пленок); 5) биологическими методами
(заселением каналов травоядными рыбами, как, например, толсто-
лобиком или белым амуром).
191
7. Особые требования, связанные с зимним режимом эксплуа-
тации каналов. Поверхностный и донный лед нежелательны в ка-
налах, работающих зимой.
Однако часто образование льда в канале является неизбежным.
Это приводит к снижению его пропускной способности вследствие
уменьшения живого сечения из-за ледяной корки и увеличению со-
противления движения воды в результате трения воды о лед.
Уменьшение площади живого сечения учитывают, полагая по-
гружение ледяного покрова в воду в среднем на 0,9 /гл, где ha —
толщина льда. Величину /гл можно примерно подсчитать по эмпи-
рической формуле Ф. И. Быдйна
Лл = а/2?, (26.9)
где а — эмпирический коэффициент; а=2, если суммируются сред-
несуточные температуры, и а= 11, если суммируются среднемесяч-
ные температуры; SZ— сумма отрицательных температур воздуха
за период с начала образования ледяного покрова до момента, на
который определяется толщина льда.
В соответствии с предложением Н. Н. Павловского влияние льда
на пропускную способность канала можно учитывать введением в
формулу (26.2) вместо коэффициента С приведенного коэффици-
ента Cr=Ry/nr, где пг — приведенный коэффициент шероховато-
сти. Величина пг по данным У. С. Рось *
Пг\
пяу л + ПрХр
Хл + Хр
(26.10)
где пл и пр — коэффициенты шероховатости соответственно ниж-
ней поверхности ледяного покрова и русла, а %л и %р — смоченные
периметры ледяного покрова и русла.
Коэффициент трения пл зависит от состояния ледяной поверх-
ности (табл. 26.3).
Таблица 26.3
Коэффициенты шероховатости ледяного покрова
Средние скорости в момент льдообразования, м/с Средние значения пд
при отсутствии шуги при наличии шуги
0,44-0,6 0,01 -=-0,012 0,0164-0,018
>0,6 0,0144-0,017 0,0174-0,02
Для сохранения необходимой пропускной способности канала
уровни воды в нем в зимнее время поддерживаются на 0,4н-0,6 м
выше нормальных уровней воды в летнее время. При повышении
уровня и сохранении неизменным расхода воды скорости течения
* Рось У. С. О расчетных формулах для русл, покрытых льдом. — Гидротех-
ническое строительство, 1965, № 10.
192
в канале снижаются, что способствует более быстрому образова-
нию ледяного покрова и исчезновению шуги.
Опыт показывает, что в канале, не имеющем сооружений, соз-
дающих заметные циркуляции в потоке, лед образуется при
иеУ;0,5-:~0,6 м/с и при наличии сооружений в канале v0,44-0,5 м/с.
Это весьма приближенные данные, так как лед может образоваться
и при больших скоростях, например, в случае сильных морозов, и,
наоборот, льда может не быть, если канал берет начало из боль-
шого водохранилища, в котором температура воды зимой снижает-
ся очень медленно, а длина канала мала, и вода в нем не успела
охладиться до температуры, близкой к 0°С. Поэтому правильнее
ориентироваться на гидрологические наблюдения над образованием
льда в реках и каналах в данном районе или близком к нему по
климатическим условиям. Можно также вести специальные терми-
ческие расчеты.
Данные наблюдений позволяют заключить, что при у>24-Зм/с
поверхностный лед не образуется, при з> 1,24-1,5 м/с лед размыва-
ется потоком,если он образовался.
Образование шуги в каналах крайне нежелательно, так как она
забивает решетки водозаборных отверстий гидроэлектрических или
насосных станций. Борьба с образованием шуги легче всего удает-
ся путем образования в канале ледяного покрова. Для этого в пе-
риод возможного шугообразования идут на временное снижение
расчетных скоростей течения, пока канал покроется небольшим
слоем поверхностного льда, при наличии которого шуга не образу-
ется. Иногда применяют легкие деревянные запани поперек кана-
ла, снижающие поверхностные скорости течения и ускоряющие
образование ледяного покрова. Однако эта мера может применять-
ся только при гарантированном постоянном режиме в канале, так
как при колебаниях расходов и уровней происходит разрушение
запаней и льда и обломки конструкций вместе с битым льдом за-
купоривают решетки, нарушая работу водоприемных отверстий.
Если шуга неизбежно появляется в канале, то необходимо обес-
печить транспортирование ее по каналу до мест сброса и предотвра-
тить образование в канале шуговых заторов. В этих целях реко-
мендуется поддерживать в канале скорости течения не ниже
14-1,5 м/с и избегать частых поворотов трассы канала в плане.
Зимний режим энергетических каналов с их переменным режи-
мом расходов воды очень сложен. Его проектирование возможно
лишь при учете местных климатических условий, гидрологических
условий реки или водохранилища, из которых питается канал,
и опыта эксплуатации каналов в аналогичных условиях. Приведен-
ные выше соображения являются лишь ориентирующими.
8. Дополнительные ограничения. Назначение канала иногда
предъявляет к его гидравлическому режиму специфические требо-
вания. Так, в энергетических каналах приходится устанавливать
скорость течения и уклон исходя из экономических соображений:
чем больше скорость течения, тем меньше объемы работ и стоимость
канала; но с увеличением скорости и уклона канала теряется часть
7—1777
193
напора, используемого на установке. Наиболее экономичное реше-
ние получается в варианте, для которого будут минимальными сум-
ма ежегодных затрат на содержание канала (ремонт плюс аморти-
зация) и стоимость ежегодно теряемой на гидроэлектростанции
энергии в результате увеличения уклона канала. Часто оказывает-
ся выгодным устраивать облицовки канала (см. § 26.3), допуска-
ющие повышение скорости течения до 1,5-=-2 м/с. В судоходных
каналах по условиям экономичной тяги судов скорости течения
принимаются не более 0,8 м/с.
9. Учет русловых процессов в крупных каналах. При расчете
гидравлических режимов канала следует учитывать возможность
переформирования русла потоком в процессе эксплуатации. Для
крупных современных каналов характерно во многих случаях от-
сутствие облицовки на откосах и дне, большая протяженность
трассы (сотни километров), большие расходы воды (до сотен м3/с),
разнообразие геологических и топографических условий по длине
трассы, использование для прокладки трассы канала русл естест-
венных водотоков, озер и др. Поэтому такие каналы, как Каракум-
ский, Иртыш—: Караганда и др., по существу являются крупными
искусственными реками, в которых могут интенсивно протекать
процессы руслообразования. Так, в первые годы эксплуатации Ка-
ракумского канала на некоторых участках наблюдалось увеличение
ширины канала по зеркалу воды до 30% (за счет боковой эрозии).
В связи с расширением русла уровень воды в канале снижался еже-
годно на 0,44-0,6 м. На других участках наблюдалось отложение
наносов мощностью до 1,8 м, изменялся гидравлический уклон: на
одних отрезках трассы он увеличивался почти вдвое (с 0,0001 до
0,00023), на других, наоборот, уменьшался. Наблюдалось образо-
вание плессов и перекатов.
Учет явлений переформирования русл при современном уровне
знаний является трудной задачей гидротехники и решается глав-
ным образом путем модельных исследований.
§ 26.2. ПОТЕРИ ВОДЫ ИЗ КАНАЛОВ И БОРЬБА С НИМИ
1. Виды и характер потерь воды. В открытых каналах вода те-
ряется на испарение с поверхности воды и на фильтрацию через
дно и стенки русла. Потери на испарение, зависящие от климати-
ческих условий и площади открытой поверхности воды в канале,
относительно малы. Они измеряются слоем воды высотой 0,3-е-0,8 м
в год. Потери воды на фильтрацию в грунт русла канала могут
достигать 50-4-60% полезного расхода воды, что удорожает стои-
мость канала, требуя увеличения его пропускной способности.
Фильтрация воды может вызвать насыщение грунта в окрестности
канала, что иногда приводит к потере устойчивости облицовки внут-
ренних откосов и наружных дамб канала. Особенно опасна фильт-
рация при расположении канала на косогоре (см. рис. 26.13). При
определенных геологических условиях на косогоре могут возник-
нуть даже оползни (такая ситуация имела место на канале Ир-
194
тыш — Караганда). Подъем грунтовых вод в результате фильтра-
ции из канала иногда приводит к подтоплению и заболачиванию
местности, а при просадочных грунтах (например, лёссе) — к осад-
ке построенных сооружений и их разрушению.
Фильтрация воды из каналов имеет две стадии: 1) свободная
(без подпора) фильтрация, при которой существующий естествен-
ный (подземный) поток не влияет на фильтрационный поток из ка-
Рис. 26.3. Виды фильтрации воды из каналов:
а — без подпора в необлицованяом канале; б — с подпором в необлицованном канале;
в — без подпора в канале с облицовкой; г — с подпором в канале с облицовкой; 1 — фронт
движения зоны промачивания; 2— начальный уровень грунтовых вод; 3 — граница рас-
текания в конце 1-й фазы; 4 — капельный поток
нала (рис. 26.3, а, в); 2) несвободная (с подпором), при которой
фильтрационный поток из канала сомкнулся (подпирается) грунто-
вым потоком (рис. 26.3, б).
В необлицованных каналах в течение первой стадии происходит
промачивание грунта под каналом. Фильтрационный поток, сплошь
заполняя поры грунта, образует тело насыщения — область, заклю-
ченную между поверхностью канала и фронтом движения зоны
промачивания (рис. 26,3, а). Эта стадия фильтрации длится до тех
пор, пока фронт движения зоны промачивания 1 не сомкнется с
существующим уровнем грунтовых вод 2 или поверхностью водо-
упора, и обычно скоротечна (сутки или недели после заполнения
канала). После достижения поверхности грунтовых вод наступает
вторая фаза фильтрации (с подпором) (рис. 26.3, б), в течение ко-
торой происходит растекание грунтовых вод от канала.
В каналах периодического действия отмечается еще третья ста-
дия, когда после осушения канала образовавшийся под ним бугор
фильтрационных вод растекается в стороны по поверхности грунто-
вых вод.
7*
195
Фильтрация из канала в первой стадии — процесс резко неуста-
новившийся. Расчет характеристик фильтрационного потока * при
различных свойствах грунтов основания излагается в специальных
курсах.
В случае залегания под каналом однородного грунта время его
промачивания на глубину у от дна определяется по формуле
+ 0,677) Г g - 1П!' .77)!» (26.11)
где ji— недостаток насыщения (в долях единицы); k — коэффици-
ент фильтрации; Н — полная высота капиллярного поднятия воды
в грунте.
Обычно через несколько дней или недель после наполнения ка-
нала фронт движения зоны промачивания достигает уровня грун-
товых вод. К этому времени граница растекания тела насыщения
занимает положение, показанное пунктирной линией на рис. 26.3, а.
Общий объем потерь воды в этой фазе, несмотря на ее кратковре-
менность, может быть весьма значителен и равен объему тела на-
сыщения (на 1 м канала):
V x(2B + Kh)l, (26.12)
K=j(Bjh, tri) для расчета
свободной (без подпора)
фильтрации воды из кана-
лов
где К—коэффициент, зависящий от отношения В/й и заложения
откоса т и определяемый по графику (рис. 26.4).
Во всех постоянно действующих ка-
налах наиболее продолжительна вто-
рая стадия фильтрации (с подпором).
Она имеет главное значение при оцен-
ке потерь. При расчете второй стадии
фильтрации можно пользоваться об-
щеизвестными методами.
Следует помнить, что на практике
геологические условия каналов часто
сложны и не соответствуют предпо-
сылкам теоретических решений. В та-
ких случаях гидрогеологические усло-
вия схематизируются или используют-
ся для расчета эмпирические формулы.
В частности, для расчета потерь воды
в оросительных каналах применяют
формулы А. Н. Костикова, в которых
потери воды на 1 кмканала даются в
% от протекающего в нем расхода во-
ды Q: для каналов в легкопроницаемых грунтах q\ = 3,4/Q0’5; в сред-
непроницаемых грунтах </2= 1,9/Q0,4’, в тяжелых малопроницаемых
грунтах <73 = 0,7/Q0’3.
Данные опыта эксплуатации показывают, что средние потери
на 1 км длины канала в % от расхода воды в нем при среднепро-
* Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем/Ва-
сильев С. В., Веригин Н. Н., Глейзер Б. А. и др. М., 1970.
196
ницаемых грунтах колеблются от 0,24-0,5% для .крупных каналов
(Q = 204-100 м3/с) до 34-4% для мелких (Q = 14-50 м3/с).
Величина -фильтрации из канала не остается постоянной во вре-
мени: вследствие миграции частиц грунта в фильтрующей среде—
грунте, вымывания и отложения взвешенных наносов и растворен-
ных солей расход фильтрации с течением времени уменьшается
иногда в несколько раз. Так, потери воды на Каракумском канале
с 0,41 м3/с на 1 км канала снизились на седьмой год работы канала
до 0,2 м3/с, т. е. почти вдвое.
В облицованных каналах, когда 'проницаемость грунта во много
раз больше проницаемости облицовки, первая стадия состоит из
двух фаз: а) фазы насыщения грунта, продолжающейся до тех
пор, пока вода профильтруется через облицовку или швы и тре-
щины в ней и несплошным потоком в виде отдельных струй и ка-
пель (рис. 26.3, в), пройдя через грунт под канало-м, достигает
уровня подземных вод; б) фазы подъема естественных грунтовых
вод под каналом, продолжающейся до тех пор, пока под влиянием
инфильтрации из канала уровень грунтовых -вод не повысится до
дна канала (рис. 26.3, г). Все это время фильтрацию в облицован-
ном канале можно считать свободной. Когда проницаемость обли-
цовки канала равна проницаемости грунта, первая стадия фильт-
рации по внешнему виду такая же, как и в пеоблицованном кана-
ле. Фаза насыщения в канале с одеждой продолжается до несколь-
ких месяцев, при этом расход фильтрационного потока является
почти постоянным. Фаза подъема грунтовых вод под каналом с
одеждой может продолжаться несколько лет. В этой фазе поры
- грунта, находящегося между одеждой и уровнем грунтовых вод,
обычно лишь частично насыщены водой.
2. Борьба с фильтрацией воды из каналов ведется путем обра-
зования водонепроницаемого слоя по периметру сечения канала.
Этот слой может устраиваться двояким образом: 1) повышением
водонепроницаемости грунта русла канала; 2) покрытием дна и
откосов канала облицовкой из инородного материала. Облицовки
в зависимости от конструкции служат не только для -борьбы с филь-
. трацией, но и для защиты русла от размыва, уменьшения шерохо-
ватости и др. Поэтому они рассматриваются в следующем парагра-
фе, здесь же описываются способы увеличения только водонепро-
ницаемости грунта русла канала. К ним относятся прежде всего
кольматаж и искусственное уплотнение грунта, не требующие при-
менения привозных материалов.
Кольматаж представляет собой процесс заполнения пор грунта
мелкими частицами, вводимыми в него фильтрующейся водой. Ес-
тественный кольматаж происходит, если вода, пропускаемая по па-
налу, содержит мелкие взвешенные частицы. Искусственный
кольматаж производится введением в воду глинистых или илистых
частиц и взмучиванием их или путем впуска в канал мутной воды.
Кольматаж эффективен в песчатных и супесчаных грунтах, слага-
ющих ложе канала, с разнородным гранулометрическим составом
грунтов и при небольших скоростях течения.
197
Искусственное уплотнение может существенно снизить водопро-
ницаемость суглинистых грунтов, имеющих малую плотность, струк-
турных с сосредоточенными ходами фильтрации (карбонатных,
лёссовидных и т. п.). Уплотнение может производиться путем укат-
ки и трамбования (применение последнего способа необходимо при
уплотнении грунтов с ненарушенной структурой). Грунт, предвари-
тельно разрыхленный с поверхности, можно уплотнять механически
и путем взрывов, производимых в воде, наполняющей канал (сле-
довательно, этот метод можно применять и во время эксплуатации
канала). Уплотнение грунта снижает потери воды в канале в десят-
ки раз, но длительность противофильтрационного эффекта этого
способа еще не установлена.
Следующая группа способов борьбы с фильтрацией, главным
образом, в небольших каналах требует использования привозных
материалов.
Искусственное осолонение грунта русла состоит в разрыхлении
грунта, введении в пего солей (например, СаС12, NaCl) в количест-
ве 34-5 кг на 1 м2 поверхности и укатке, что уменьшает фильтраци-
онную способность грунта в 94-10 раз. Метод этот прост и дешев, но
не дает длительного снижения потерь воды и несколько уменьшает
устойчивость откосов канала.
Искусственное оглеение грунта представляет собой биохимиче-
ское воздействие на структуру связного грунта путем введения
в грунт (после его рыхления) органических веществ (соломы, сор-
няков, отходов конопли, подсолнечника и т. п.), которые разлага-
ются в присутствии воды и при недостатке кислорода — анаэробны-
ми бактериями, всегда имеющимися в грунте. При этом происходит
повышение дисперсности, пластичности и водонепроницаемости
грунта. Продукты разложения (газы, растворимые вещества, спир-
ты, кислоты и пр.) выносятся фильтрационным потоком в глубь
грунта, и слой повышенной водонепроницаемости грунта увеличи-
вается с 10 до 404-50 см (через несколько лет); коэффициент
фильтрации снижается в десятки и сотни раз.
Нефтевание русла канала производится путем поливки грунта
нефтью (чистой или с известковым молоком), расход нефти—
44-15 кт на 1 м2 поверхности русла, а известкового молока — 54-
8 кг на 1 м2. Этот вид повышения водонепроницаемости грунта со-
храняется недолго: ежегодно теряется до 10% полученной водоне-
проницаемости, поэтому через несколько лет нефтевание надо
возобновлять.
Из других способов, не получивших широкого распространения
и требующих изучения, можно отметить смешивание грунтов кана-
ла с дегтевыми материалами, асфальтом в виде водной эмульсии,
цементом и гидрофобной землей (смесь земли с поверхностно-ак-
тивными веществами).
Из всех перечисленных способов борьбы с фильтрацией наибо-
лее надежен метод кольматажа и искусственного уплотнения.
Осолонение и оглеение грунтов дают эффект главным образом
в южных районах.
198
§ 26.3. ОБЛИЦОВКИ (ОДЕЖДЫ) КАНАЛОВ
1. Назначение и условия применения облицовок. Облицовки
могут быть подразделены на две группы: 1) защитные, предохра-
няющие ложе канала от размыва и повреждений льдом и плаваю-
щими предметами; к ним относятся облицовки из камня и желе-
зобетонных плит; 2) противофильт рационные, уменьшающие
фильтрацию воды из канала; к этому типу относятся глинистые и
грунтовые облицовки, экраны из полимерных материалов, асфаль-
тобетонные, битумные, бетонные и железобетонные покрытия.
Такая классификация одежд каналов в некоторой степени условна,
так как при любом типе облицовки фильтрация воды из канала
и допустимые неразмывающие скорости иные, чем в необлицован-
ном канале.
По виду материала, из которого изготавливаются облицовки,
их можно подразделить на глинистые и грунтовые, асфальтовые
и битумные, каменные и гравийные, бетонные и железобетонные.
Выбор типа одежды канала определяется технико-экономическими
соображениями и эксплуатационными условиями.
2. Грунтовые облицовки (экраны) устраивают для борьбы
с фильтрацией по типу экранов плотин (см. ч. 1, гл. 14), но тоньше
глинистых, толщиной от 0,15—0,3 (при глубине воды 1,54-2 м) до
0,8 м в зависимости от глубины канала, откосы — не круче 1 :2—
1: 2,5.
Экраны выполняют также из грунта с бентонитом (толщиной
8-4'10 см), весьма эластичные из чистого бентонита (2,54-5 см), из
грунта с добавлением цемента (24-5%). Экран покрывают защит-
ным слоем из песчаного, песчано-гравелистого и гравелистого грун-
та толщиной 0,24-0,3 м в целях предохранения экрана от размыва.
Для защиты от промерзания защитный слой утолщается («шуба»),
а против воздействия волн защищается каменным или другим
креплением. Если сечение канала образовано в полувыемке-полу-
насыпи, то экран в насыпи (см. рис. 26.10, е) может быть заме-
нен ядром, сопрягаемым с водонепроницаемым грунтом (см.
рис. 26.10, <?).
Облицовки из смесей битумов с местным грунтом (грунто-ас-
фальтовые) просты в выполнении и недороги, они не требуют ук-
ладки защитного слоя. Облицовки из щебня, предварительно уп-
лотненного на откосе, по которому разливается горячий битум,
могут служить для защиты от размыва и волнобоя, но фильтрация
при этом уменьшается лишь частично.
3. Полимерные пленки (из полиэтилена, винипласта и других
полимерных материалов) в последние годы стали широко использо-
ваться в качестве «погребенных» экранов. Полотнище пленки тол-
щиной не менее 0,24-0,3 мм укладывают по хорошо спланирован-
ному ложу канала и склеивают (иногда сваривают) внахлестку.
Края пленки заанкеривают в траншею, расположенную на бровке
канала (выше уровня воды не менее чем на 204-40 см). В случае
гравелистных грунтов под пленкой устраивают песчаную подготов-
199
ку толщиной не менее 10 см. Полимерные экраны должны оыть
покрыты слоем уплотненного мягкого грунта толщиной 304-50 см.
Пленочные экраны почти полностью исключают фильтрационные
потери и обеспечивают нормальную эксплуатацию канала в тече-
ние 104-30 лет.
Недостатком полимерных пленочных экранов является низкий
коэффициент трения пары экран — грунт, поэтому они не могут
применяться при заложении откосов круче чем 1 : 3. Кроме того,
срок их нормальной работы ограничен процессом старения поли-
меров.
4. Асфальтные и битумные облицовки получили распростране-
ние в связи с успешным применением асфальтобитумных материа-
лов в дорожном строительстве. Существует несколько видов таких
облицовок.
Асфальтобетонные облицовки выполняют в виде слоя асфаль-
тобетона толщиной 54-8 см по подготовке из щебня или гравия;
поверхность его перед пуском канала в эксплуатацию покрывают
горячим битумом с добавкой коротковолокнистого асбеста. Смесь
из асфальтового битума (64-9%), заполнителя (пескаищебня), на-
гретую при 160-.-1800 С, укладывают на откосах при температуре
не ниже 140° С, а по дну канала иногда ее разливают (литой ас-
фальтобетон). Асфальтобетон обладает достаточной прочностью,
гибкостью, стойкостью против атмосферных воздействий и водоне-
проницаемостью большей, чем бетон. Недостатком асфальтовых
облицовок является пробивание их растениями, с чем ведется борь-
ба путем стерилизации грунта — поливки его веществами, уничто-
жающими жизнеспособность корневой системы растений, или уст-
ройством жесткого основания под асфальтобетон из бетона (5 см),
или уплотненной смеси грунта с цементом. Очень важен подбор
состава асфальтобетона, что следует поручить специальной лабо-
ратории; одежда из легкоплавких асфальтов и битумов оползает,
а поэтому не должна применяться в районах с жарким климатом.
Облицовки из асфальтового раствора (песчаные асфальты) от-
личаются от асфальтобетона отсутствием в смеси щебня и большим
содержанием битума (94-14% по массе). Эту облицовку выполня-
ют толщиной 34-5 см, возможно армирование сеткой (от 5x5 до
10X10 см) или мешковиной (полотном).
Разновидностью асфальтовых облицовок являются асфальтовые
плиты (маты) толщиной 14-2 см, представляющие собой асфаль-
товое заполнение между двумя слоями пропитанного асфальтом
войлока. Швы между плитами (внахлестку) заливаются асфальтом.
Эти облицовки недороги, но страдают от копыт животных и нуж-
даются в защите.
5. Облицовки в виде травяного ковра разработаны институтом «Львов-
гипроводхоз» и применяются для защиты от размыва на мелиоративных кана-
лах. Травяной, ковер в виде ленты длиной в сотни метров изготавливают на спе-
циальном полигоне. Для этого на бетонной площадке расстилают стекловолокно,
являющееся арматурной основой будущего ковра. На него насыпают слой торфа
толщиной в несколько сантиметров и высевают быстрорастущие травы, имеющие
прочную корневую систему (клевер, овсяница, тимофеевка). Корни трав, прорас-
200
тая через стекловолокно, достигают бетона, стелются по его поверхности и густо
переплетаются между собой. Готовый эластичный и прочный ковер сворачивают
в рулоны и доставляют к месту укладки. После выстилки ковра на откосах он
прижимается за несколько дней, создавая таким образом долговечное, гибкое и
дешевое крепление.
6. Каменные и гравийные облицовки (рис. 26.5). Каменные
одежды защищают ложе канала от размыва и лишь частично
уменьшают фильтрацию, при заполнении пустот между камнями
грунтовой смесью водонепроницаемость облицовок увеличивается,
а при заливке битумной смесью получается покрытие с очень малой
водопроницаемостью. Шерохова-
тость по сравнению с земляными
каналами изменяется мало или да-
же уменьшается (в каналах значи-
тельных сечений или судоходных ка-
налах роль шероховатости относи-
тельно невелика). Эти облицовки
экономичны там, где на трассе кана-
ла есть месторождение камня.
Камень во всех случаях уклады-
вается обязательно по слою в 15-=-
20 см крупнозернистого песка или,
что лучше, гравия (щебня), иногда
применяют «горную массу». В осно-
вании мощеного откоса необходим
Рис. 26.5. Каменные и гравийные
облицовки каналов:
а — каменная наброска; б — одиночное
мощение камнем; в — гравийное покры-
тие
упор, предохраняющий облицовку от оползания.
Гравийное покрытие (рис. 26.5, в) делают в виде отсыпки гра-
вия крупностью 5-ь8 см слоем 20-=-30 см непосредственно на откос;
если грунт мелкозернистый плывунный, надо положить под покры-
тие слой среднезернистого песка.
Каменные одежды выполняют иногда на растворе, а также на
гравелистой (щебеночной) подготовке толщиной 15 см, что прида-
ет мощению большую водонепроницаемость и прочность; недостат-
ком их является невозможность механизации работ. В отдельны^
случаях на участках повышенных скоростей потока или в области
вихревых течений (в примыканиях канала к сооружениям, на по-
вороте и т. п.) применяют габионные крепления в плетневых клет-
ках (см. гл. 30). Они хотя и дороги, но хорошо сопротивляются
механическому и волновому воздействиям.
7. Бетонные и железобетонные облицовки повышают пропуск-
ную способность канала (малая шероховатость), защищают ложе
от размыва течением, снижают потери на фильтрацию из каналов
и поэтому являются наиболее совершенными и распространенными.
Возможность широкой механизации работ делает бетонные и желе-
зобетонные облицовки при наличии на месте гравия или камня
для бетона достаточно экономичными. Толщину (бетонной облицов-
ки, ее тип, заложение откоса, марку бетона выбирают в соответст-
вии с требованиями ГОСТ 4795—68, 4797—69 * и СН 55—59 в за-
висимости от глубины воды в канале и грунта ложа канала. Как
201
правило, бетонные облицовки устраивают на прочных и устойчи-
вых (непросадочных) грунтах.
Монолитные бетонные облицовки выполняют на месте в виде
слоя бетона толщиной 0,06-4-0,2 im, чаще 0,14-0,12м (рис. 26.6),
для чего предварительно откосы и дно канала планируют и покры-
вают слоем дренирующей подготовки 0,1 м из гравия, щебня или
крупнозернистого песка. В зоне образования ледяного покрова об-
Рис. 26.6. Бетонные и железобетонные облицовки каналов:
а — вариант с продольным швом в сопряжении борта и днища; б — вариант без про*
дольных швов; 1—дренаж; 2 — бетонная облицовка; 3 — деревянный брус (8X8 см);
4 — гравийно-песчаная подготовка
лицовка утолщается на 50-4-75%. В каналах, проходящих в глини-
стых грунтах, подверженных зимой пучению, дренирующий слой
подготовки (называемый «шубой») утолщается до 0,3-4-0,5 м. Весь
процесс бетонирования русла каналов механизируется, для чего
применяют специальные машины. Бетонирование откосов с заложе-
нием 1 : 1,25 и более пологих производят без опалубки, более кру-
тые откосы требуют опалубки, так как без нее свежеуложенный
бетон оплывает.
Железобетонные облицовки отличаются от бетонных меньшей
толщиной, но благодаря наличию арматуры (армирование 0,2—
0,4%) обладают большей сопротивляемостью растягивающим уси-
202
лиям. Они особенно (целесообразны на грунтах деформирующихся,
малоустойчивых, в частности лёссовых и пучинистых.
Температурные колебания могут вызвать появление трещин в
облицовке. Во избежание этого в ней устраивают швы. При этом
следует помнить, что швы в облицовке являются основными путя-
ми потери воды на фильтрацию, так как они нарушаются даже при
Рис. 26.7. Типы швов в бетонных и железобетонных облицовках (размеры
в мм):
а, в — уплотнение шва доской при ручном бетонировании; б — то же, при машинном
бетонировании; г, д — фигурные швы, заполненные битумом; е — шов с резиновым уплот-
нением; ж — замонолнчнваемый шов; з — шов, перекрытый железобетонной плитой
относительно небольших деформациях грунта. Температурно-уса-
дочные швы в монолитных облицовках устраивают сквозными че-
рез 10-4-12 м (рис. 26.6, а). Устройство угловых продольных швов
по дну канала возможно, но не . рекомендуется. Чтобы избежать
появления трещин, сопряжение покрытия откосов и дна производят
плавно, по радиусу R (рис. 26.6, б).
Делают различные типы швов, обеспечивающие достаточную
водонепроницаемость: шов впритык, (рис. 26.7, а) с упругой про-
кладкой из толя, дерева и т. п. или промазкой асфальтовой масти-
кой — простой в выполнении, но иногда фильтрующий при разнице
в осадках секций; шарнирный шов (рис. 26.7, б, в), отличающийся
от предыдущего наличием тонкой бетонной полосы, — прост и удо-
бен при машинном бетонировании; «штрабной» шов (рис. 26.7, г, б)
и шов с перекрытием профильной резиной и прокладкой листов фа-
неры (рис. 26.7, е), обернутых толем (канал Северный Донец —
Донбасс). Швы в железобетонных облицовках устраивают на боль-
ших расстояниях, чем в бетонных, или они совсем отсутствуют. В
последнем случае рекомендуется при бетонировании через каждые
15-4-20 м оставлять временные поперечные швы шириной 0,5 м;
которые заделывают бетоном по окончании усадки бетона в уло-
женных секциях облицовки, скошенные края последних промазыва-
ют асфальтовой мастикой (рис. 27.6, ж).
Сборные облицовки выполняют путем укладки изготовленных
на полигоне или заводе плит на слой гравелистой подготовки («шу-
бы») и подразделяют на бетонные, железобетонные и предвари-
тельно напряженные. Их применяют только на (Прямых участках
канала. На повороте трассы устраивают вставки из монолитного
бетона толщиной, превышающей толщину плит в 2ч-3 раза. Пли-
203
ты отделяются от монолитного бетона температурными швами. Ре-
комендуется применять плиты возможно больших размеров. Тол-
щина плит площадью до 20 м2 назначается не менее 8 см. При
большей площади толщину определяют статическим расчетом с
проверкой на транспортные и монтажные нагрузки.
Основное преимущество сборных облицовок — высокое качество
бетона благодаря заводскому изготовлению, ускорение строитель-
ства и некоторая экономия при массовом изготовлении и примене-
нии плит. Основной их недостаток — большое количество швов, по-
Рис. 26.8. Дренаж облицовки канала:
а — поперечный разрез; б, в — детали дренажа, I — облицовка; 2 —заполнение
дренажной траншеи; 3 — подготовка; 4 — дрена; 5 — слой песка
нижающих водонепроницаемость облицовки, и возможность значи-
тельных деформаций отдельных плит при деформациях откосов.
Для герметизации швов сборных покрытий применяют пластифи-
цированную горячую битумную мастику. Швы могут перекрываться
и устраиваться по типу, показанному на рис. 26.7, ж, з.
В целях повышения водонепроницаемости бетонных облицовок
производят цементную или торкретную штукатурку их, наносимую
в 1-4-2, иногда 3 слоя по 0,54-1,5 см каждый с перерывами в торк-
ретировании в 24-3 дня. В некоторых случаях торкретная облицов-
ка выполняется как самостоятельная одежда на сухих гравелистых
и песчано-гравелистых грунтах при глубине каналов до 34-4 м
и обязательно по металлической сетке из проволоки (/ = 2мм; тол-
щина такой облицовки 2,54-5 см.
8. Дренаж под облицовками. Все виды водонепроницаемых об-
лицовок подвергаются опасному давлению со стороны грунтовых
204
вод при высоком стоянии последних и быстром 'снижении уровня
воды в канале или опорожнении его, зимой облицовки могут стра-
дать от пучения глинистых грунтов ложа канала, увлажненных
грунтовыми водами. Для борьбы с указанными явлениями под об-
лицовками устраивают дренаж, понижающий уровень грунтовых
вод путем отвода их в канал или отводящий фильтрующиеся из
канала воды ,за его пределы в ближайшие понижения рельефа
местности. Дренаж состоит из пористого слоя подготовки попереч-
ных и продольных дрен (рис. 26.8) и выпусков из гончарных или
иных труб. Выпуск дренированных вод в канал делается трубками
в облицовке, снабженными клапанами или крышками.
§ 26.4. ТРАССИРОВАНИЕ КАНАЛОВ. ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ
И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ
1. Трассирование каналов. Задача трассирования, т. е. разбив-
ка оси канала на местности состоит в том, чтобы, исходя из приня-
тых и допустимых уклонов и скоростей течения, выбранных в зави-
симости от назначения канала, откосов русла и радиусов закругле-
ний, провести между двумя заданными пунктами канал с заданной
пропускной способностью
при минимальной его стои-
мости. Вначале намечают
трассу канала на плане
местности в горизонталях.
Исходным вариантом трассы
может быть прямая линия
между заданными пунктами,
например А и В (рис. 26.9),
или линия заданного укло-
на. Рассматривая продоль-
ный профиль по этой трас-
се, можно видеть трудные
ее участки. Так, в зоне С по-
лучают глубокие выемки
(свыше 30 м, на практике
встречаются и более глубо-
но et
Рис. 26.9. План и продольный профиль
по трассе канала
кие выемки, хотя они и нежелательны), в пункте Е необходимо пе-
ресечь железную дорогу, в D и F — реку или овраг.
Следующим этапом трассирования будут поиски более благо-
приятных вариантов. Так, путем технико-экономического сравнения
вариантов участка С\С2 в выемке или туннеле, или в обход с мень-
шими выемками (СхС&СцС2 или С^С^С^С^С^) можно выбрать наи-
более выгодную трассу в зоне С. Аналогично варианты могут быть,
рассмотрены в зоне D, где трасса канала пересекает долину реки:
сначала канал идет в насыпи, а затем по мосту, который называют
мостом-каналом или акведуком, а далее опять в насыпи. В узле £
трасса канала под острым углом пересекает железную дорогу.
Здесь надо решить, что выгоднее: провести железную дорогу над
205
каналом ino мосту, для чего надо поднять железнодорожное полот-
но, или под каналом в выемке.
На некоторых участках геологические условия могут оказаться
тяжелыми. Следует, если это возможно и выгодно, обойти районы
выхода скалы, избегать трассы в зонах тектонических нарушений,
по крутым и оползневым склонам, в сильноводопроницаемых поро-
дах, по заболоченным районам, в зонах плывунов, просадочных
грунтов. По геологическим и топографическим условиям может
оказаться выгодным на отдельных участках заменить канал лот-
ком, туннелем или трубопроводом.
Воздействие канала на окружающую среду может существенно
повлиять на выбор варианта трассы. В частности, следует стремить-
ся к тому, чтобы из хозяйственного оборота изымалось как можно
меньше ценных земель и предотвращался подъем грунтовых вод
и подтопление земель вдоль канала. Действительно наличие отва-
лов, дренажей, защитных лесопосадок вдоль канала определяет от-
чуждение значительных площадей земельных угодий. При строи-
тельстве новых каналов часто наблюдается подтопление, заболачи-
вание или засоление ниже расположенных угодий. Если позволяют
условия командования, то предпочтительнее выбирать варианты
трассы, проходящие не по водоразделам, а по малоценным заболо-
ченным пойменным землям, слабо используемым в сельскохозяй-
ственном производстве. В этом случае удается назначить уровни
наполнения канала примерно на уровне стояния грунтовых вод
в пойме реки. Каналы, выполненные с соблюдением указанных ус-
ловий, оказываются обычно и более экономичными.
Изменение условий питания грунтовых вод и подрезка склонов
балок и оврагов при сооружении канала может привести к возник-
новению оползней по трассе (что, например, имело место на трас-
се канала Иртыш — Караганда). Это приводит к резкому возраста-
нию стоимости канала.
Строительно-производственные условия, в частности способ вы-
емки грунта, также влияют на выбор трассы канала. Выемка грун-
та может осуществляться: 1) механическим путем; 2) гидромеха-
ническим; 3) взрывным способом; 4) саморазмывом. Наиболее
распространен в настоящее время ввиду своей универсальности
механический способ, при котором профиль канала разрабатыва-
ется с помощью крупных землеройных механизмов, таких, как
шагающие экскаваторы, драглайны и др. Применение высокопро-
изводительного и эконом ич ново способа разработки профиля кана-
ла методами гидромеханизации обычно осуществляется на низин-
ных участках трассы, лежащих в поймах рек, и редко — на водо-
разделах, так как в последнем случае требуется проведение
дорогостоящих и длительных по времени подготовительных работ.
Взрывной способ выработки профиля канала применяют на
участках, имеющих выходы скальных пород или в зимних суровых
условиях (канал Иртыш — Караганда, где глубина промерзания
достигла 24-3 м). В условиях труднодоступной местности взрывной
способ прокладки канала на полный профиль оказывается иногда
206
экономичным и при прохождении трассы в мягких грунтах. При
методе саморазмыва вначале с помощью землеройных механизмов
по трассе канала прокладывают пионерный канал, площадь сече-
ния которого .во много раз меньше площади сечения проектного
профиля. Затем по пионерному каналу пропускают воду, которая
размывает ложе канала и выносит продукты размыва.
Разработанные варианты сравнивают по их технико-экономи-
ческим показателям и выбирают оптимальный. Трассу выбранного
варианта разбивают на местности, где она уточняется, после чего
окончательно закрепляют.
Трасса канала (ось его в плане) обычно состоит из прямых
и криволинейных участков. Последние не следует делать малыми
радиусами в плане, так как это ведет к излишним потерям напора,
местным увеличениям скоростей течения, а зимой — к ледовым за-
торам. Минимальный радиус изгибов трассы энергетических кана-
лов 7?min (м) определяют зависимостью:
Ят1п= 11с2 рТ7+ 12, (26.13)
где v—средняя скорость течения; со — площадь живого сечения.
Кроме того, следует соблюдать условие 7?min>5 b, где b — шири-
на канала по дну.
Во избежание заторов льда или шуги нужно, чтобы /?mm>10 Ъ
при угле поворота трассы а<45° и /?Шт>20 Ъ при а>45°.
2. Поперечные профили каналов на ровной местности. Живое
сечение канала может размещаться по отношению к поверхности
земли различно (рис. 26.10): полностью в выемке различной глу-
Рис. 26.10. Поперечные профили каналов:
a, в — каналы в выемке; г, д, е — каналы в полувыемке н насыпи; / — кювет; 2— по-
верхность земли
бины (рис. 26.10, а, б, в), в полувыемке-полунасыпи (рис. 26.10г, д),
полностью в насыпи (в дамбах) (рис. 26.10, е). Тот или иной тип
профиля часто не зависит от проектировщика, так как, например,
при подходах к мостам (акведукам) неизбежны участки в пасы-
207
пях. Обычно стремятся разместить живое сечение в неглубокой
выемке (рис. 26.10, а), используя грунт из нее в ближайшие насы-
пи. Участков канала в насыпях вообще лучше избегать.
Надводные откосы поперечного профиля канала в выемке
(рис. 26.10, б, в) образуются следующим образом: на высоте
0,5-4-1 ,м (запас на случайные повышения уровня воды в канале)
от наивысшего уровня воды в канале устраивают бермы шириной
1,54-2 м и более с уклоном в сторону от русла канала для обеспе-
Рис. 26.11. Расположение кавальеров
канала
чения стока воды со склона
в особый укрепленный кю-
вет, откуда вода организо-
ванно отводится в канал,
или понижение местности.
С одной стороны канала в
берме часто располагается
служебная дорога. Заложе-
ние т надводных откосов,
зависящее от рода грунта,
меньше и откосы круче, чем
в тех же грунтах для под-
водных откосов. Устойчи-
Рис. 26.12. Схема благоустройства бере-
гов канала:
1 — кавальер; 2 — лесозащитные посадки; 3 —
водоотводная канава; 4 — дорога
вость откосов глубоких вы-
емок и при сложном геоло-
гическом строении следует
проверять расчетом (см.
гл. 14).
Грунт из выемок стре-
мятся использовать в насы-
пях, а излишки складывают
в кавальеры, т. е. отвалы
(рис. 26.11), размеры кото-
рых зависят от принятого способа механизированной разработки
выемки. Подошва кавальера должна быть удалена от бровки отко-
са канала на расстояние I не менее 24-3 м, а от оси на L = 0,5b +
+ т0Н, где то* (14-1,15)ги; нагрузка от кавальера во всяком
случае не должна вызывать обрушения откоса канала, что прове-
ряют расчетом. При наличии дамбы канала кавальер присыпает-
ся к ней. Поверхность кавальера планируют и засевают травой.
Сечения канала в насыпи приведены на рис. 26.10, д, е. Ширина
дамб канала, фактически не отличающихся от земляных плотин,
делается поверху 2 м и более. Экранирование дамб против фильт-
рации производят по типу на рис. 26.10, д, е (в зависимости от вы-
соты дамб и положения водонепроницаемого слоя основания). При
закладке резервов для образования дамб канала глубина их долж-
на быть ограничена величиной 1-4-1,5 м с обеспечением отвода воды
из них (рис. 26.12), а бровка должна быть удалена от подошвы
насыпи на расстояние а, равное примерно 2-4-3 м.
3. Поперечные профили каналов на склонах и косогорах. Трас-
сирование каналов на косогорах требует особой тщательности,
208
а на крутых, оползневых и скальных участках представляет собой
сложную инженерную задачу.
На устойчивом косогоре трассу канала желательно вести по по-
логому склону в минимальной выемке (рис. 26.13, а), а при надеж-
ном грунте — в полувыемке-полунасыпи (рис. 26.13, б). На крутом,
но устойчивом склоне с иизовой стороны лучше устраивать стенку
(рис. 26.13, в).
На скальных, склонах ведение трассы канала особенно затруд-
нительно: на голых склонах трассу в большинстве случаев ведут
в полувыемке с ограждающей низовой стенкой (рис. 26.13, е), а при
наличии иа скале наносного слоя—со второй оградительной стен-
кой, задерживающей рыхлые грунты от оползания в канал
(рис. 26.13, д). При очень крутых, почти отвесных склонах и проч-
ных породах канал можно протрассировать в полутуннеле (рис.
26.1.3, г). Откосы и дно живого сечения канала покрывают вырав-
нивающей облицовкой, если это необходимо в противофильтрацион-
ных целях или выгодно экономически (уменьшение шероховатости).
При неустойчивом склоне надо проверить возможность ополза-
ния склона выше канала вследствие его подрезки (рис. 26.14, а)
и оползания низовой части склона, насыщенной фильтрационными
водами (от чего можно избавиться, экранируя ложе канала).
Уменьшение подрезки верховой части склона (рис. 26.14, б) может
вызвать оползание низовой части под нагрузкой ограждающей
дамбы или стенки. Если эта опасность реальна, надо переходить
к более дорогим решениям: устройству лотка (рис. 26.14, в) или
туннеля в надежной зоне склона (рис. 26.14, г) или канала в насы-
пи (рис. 26.14, д) у подножья склона. Выбор лучшего решения де-
лают путем технико-экономического сопоставления вариантов.
209
Косогорные участки трассы требуют защиты от атмосферных
вод, стекающих с вышерасположенной части склона, и от осыпей
горных склонов, могущих заваливать канал. Первое достигается
нагорными канавами (рис. 26.14, а, б, д), которые организованно
•отводят атмосферные воды в канал, если это не вызывает его заи-
ления, или, что лучше, сбра-
сывают их при помощи дю-
керов, или лотков в пони-
женные места русла, или
долины, пересекаемые кана-
лом.
4. Каналы в лёссовых
грунтах в первое время пос-
ле наполнения дают значи-
тельные деформации — про-
садки, сопровождающиеся
образованием трещин, кото-
рые па косогорах в соче-
тании с механической суф-
фозией приводят к образова-
нию карстовых ходов и
утечкам воды. Для умень-
шения их полезно произво-
дить предварительную за-
мочку грунтов водой, чтобы
вызвать просадочные явления до пуска канала в эксплуатацию.
Затем поперечное сечение канала выполняют на окончательный
профиль. На деривационном канале Гюмушской ГЭС (Армения)
на просадочных грунтах удачно применена специальная облицов-
ка в виде железобетонной плиты толщиной 12 см, слоя борулина
на мастике и верхней плиты 8 см. при откосах 1 : 1,5. Надводные
откосы в лёссовых грунтах могут быть очень крутыми (15 1—15 0,5)’
при большой их высоте.
5. Благоустройство берегов канала. Земли вдоль трассы кана-
ла, отчуждаемые под кавальеры, лесозащитные полосы, дренажи
дороги (см. рис. 26.12), до сдачи канала в эксплуатацию должны
быть благоустроены. Для этого поверхность кавальеров тщательно
планируют, покрывают слоем растительного грунта и закрепляют
от ветровой и водной эрозии посевом трав и кустарников, подходя-
щих для географической зоны, в которой проходит канал. Как
показывает практика эксплуатации крупных каналов, их русла мо-
гут при соответствующих природных условиях (степных, полупус-
тынных) заноситься песком, пылью, остатками растительности
(перекати-поле), зимой — снегом вплоть до полного заполнения
ложа канала. Наилучшая защита канала от заносов обеспечива-
ется древесными и кустарниковыми посадками полосой достаточ-
ной густоты. Резервы также засаживаются лесом.
ГЛАВА 27
СООРУЖЕНИЯ НА КАНАЛАХ
При проектировании и строительстве каналов отдельные их уча-
стки по экономическим и техническим соображениям могут заме-
няться другими водоводами — лотками, трубами, туннелями, акве-
дуками, дюкерами; в местах перелома продольного профиля сосед-
ние участки канала необходимо сопрягать специальными сооруже-
ниями— переходами, перепадами, быстротоками; в местах развет-
влений канала нужны перегораживающие сооружения и вододели-
тели; для регулирования режима канала требуются водосбросы,
водоспуски, шугосбросы, а также ремонтные заграждения.
§ 27.1. ВОДОПРОВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
1. Лотки устраивают вместо каналов на участках трассы со
сложным рельефом (крутыми склонами, в горных условиях), с не-
благоприятными геологическими условиями (неустойчивыми грун-
тами, выходами скал) и там, где
постройка канала обходится до-
роже, чем устройство лотка (зна-
чительные насыпи и т. п.). Лотки
представляют собой искусствен-
ные русла из различных материа-
лов (дерева, бетона, стали); дно
их располагается или на земле,
или выше ее поверхности на
эстакадах; движение воды в них
безнапорное.
Деревянные лотки обладают
следующими недостатками: они
сильно деформируются, вследст-
вие чего текут; при колебаниях
уровней потока загнивают, что
ограничивает срок их служ-
бы. Эти лотки целесообразно
применять в районах, богатых
лесом.
Рис. 27.1. Деревянный рамный ло-
ток
Деревянные рамные лотки
(рис. 27.1) устраивают из прямоугольных брусчатых рам, обши-
тых одним-двумя рядами досок и соединенных поверху деревянной
или стальной затяжкой. Рамы устанавливают на продольных бал-
ках, опирающихся на деревянные опоры. Обшивку лотка выполня-
ют из досок толщиной 54-7,5 см, иногда из двух рядов со стыками
вразбежку; стыки досок делают или в четверть, или со шпонкой
(что лучше), или с перекрытием планками (хуже и в фильтрацион-
ном, и в гидравлическом отношениях). Дополнительно стыки уп-
лотняют конопаткой и осмолкой.
211
Бетонные и железобетонные лотки устраивают прямоугольного
или трапецеидального (с крутым наклоном стен) сечения и рас-
полагают непосредственно на спланированном земляном основа-
нии или на эстакадах.
Лотки на сплошных основаниях выполняют: 1) разрезными, ког-
да стенки лотка отрезаны швом от днища и работают самостоятель-
но как подпорные стенки, 2) неразр<
0=12м3/с
j/
1=0,00. I УцА ==*$1
^4
Рис. 27.2. Сборный железобетонный лоток:
], 2, 3 — сборные блоки; 4 — водоотводная канава
ными, когда весь лоток пред-
. ставляет в поперечном сече-
нии монолитную конструк-
цию. Формы поперечных се-
чений лотков даны на рис.
26.1. Сборный железобетон-
ный лоток на косогоре, ус-
тановленный на бетонном
основании, показан на рис.
27.2.
Лотки могут быть откры-
тыми и закрытыми для за-
щиты от низких температур
или в санитарных целях.
Закрытые лотки имеют пря-
моугольную (рис. 27.3) под-
ковообразную или круглую
форму; это скорее трубы с
безнапорным течением. На
больших оросительных ка-
налах применяют сборные
криволинейной (параболиче-
Рис. 27,3. Железобетонный закрытый лоток:
1 — дренаж, 2 — железобетонная плита, 3 — об-
ратная засыпка
открытые гнутоформованные лотки
ской, полуциркульной) формы шириной до 1 м и длиной секций до
нескольких .метров.
Лотки на эстакадах имеют конструкции двух типов: 1) стенки
лотка воспринимают всю нагрузку между опорами эстакады (рис.
27.4, а); 2) корыто лотка лежит на эстакаде, имея сплошные опо-
ры в виде продольных балок (рис. 27.4, б). Стенки лотков работа-
ют как консоли; поверху иногда делаются стяжки, что несколько
облегчает стенки, но осложняет конструкцию лотка.
Лотки для малых расходов воды (0,54-5 м3/с) могут изготавли-
ваться сборными железобетонными тонкостенными (6 см) (рис.
27.5, а) и на опорах с пролетами 34-5 м. Стыки секций на опорах
очень просты (рис. 27.5, б); водонепроницаемость их обеспечивает-
ся прокладкой двух просмоленных канатов или резиновых жгутов.
Стальные лотки отличаются высокой водонепроницаемостью и
быстротой сборки; поперечное сечение малых лотков (шириной до
6 м) делается полукруглым, больших — с вертикальными стенками,
несущими нагрузку, и криволинейным днищем. Недостатками их яв-
ляются быстрая коррозия стали (даже оцинкованные лотки служат
не более 15 лет) и большая затрата металла. Площадь поперечного
сечения лотка обычно меньше, чем в подводящем и отводящем ка-
налах. Поэтому уклон лотка i, как правило, больше уклона канала.
212
Рис. 27.4. Железобетонный лоток на эстакаде (акведук):
п — несущий нагрузку в пролете между опорами; б — с продольными балками, несу-
щими нагрузку в пролете между опорами; 1 — лоток; 2 — пешеходный мост; 3 — бал-
ки (стяжки)

Рис. 27.5. Сборный железобетонный лоток параболического очертания на эста-
каде для малых расходов воды:
а общий вид; б—стык секции; 1 — днище лотка; 2 — опора; 3— гидроизоляция в виде
просмоленного каната или резинового жгута
Пропускная способность лотка Q определяется путем расчета вхо-
да в лоток как водослива с широким порогом. Средняя скорость
движения в лотке назначается равной 1,54-2,0 м/с, при этом пере-
пады между уровнем воды в канале на входе и выходе из лотков
Рис. 27.6. Акведук, опирающийся на несущие арки
в среднем равны 2 = 0,104-0,15 м. Большие скорости и перепады не
назначают во избежание излишних потерь напора и осложнений,
возникающих при сопряжении лотка с каналом.
2. Акведуки устраивают при пересечении водоводом реки, овра-
га, дороги и т. п. Они отличаются от лотков на эстакадах, тем, что
Рис. 27.7. Типы соединительных швов меж-
ду секциями акведука:
д — уплотнение с помощью металлического листа;
б, в — уплотнение с помощью битумной шпонки,
г, д — уплотнение с помощью полиэтиленового
листа и резиновой трубки
опоры их делают аналогич-
но опорам, применяемым в
мостостроении. По существу
это мосты, у которых про-
летным строением служит
лоток, заполняемый текущей
водой. Как и лотки, акведу-
ки бывают двух конструк-
тивных типов: 1) лоток с
водой является нагрузкой
на пролетное строение мос-
та (применяется при боль-
ших пролетах, см. рис. 27.6);
2) стенки и днище лотка
служат несущими пролетны-
ми конструкциями, что дела-
ет их более экономичными
(см. рис. 27.4).
Акведуки сборной конст-
рукции широко применяют
при большом количестве
Сопряжение акведука с кана-
одинаковых сооружений на канале.
лом осуществляют переходным лотком, имеющим форму раструба
и уложенным на грунт. Шов между входной (выходной) частью
и акведуком должен быть шарнирным и водонепроницаемым. Швы
между секциями снабжаются гудронными, металлическими, поли-
этиленовыми или резиновыми уплотнениями. При битумных швах
(рис. 27.7, б, в) металлические пластинки только предохраняют би-
тум от вытекания из шва. Для восприятия деформации шва дыры
214
под болты в верхней металлической пластинке с низовой стороны
ее (по течению) делаются овальными. Металлические уплотняю-
щие швы (рис. 27.7, а) просты в исполнении, но подвергаются
коррозии. Полиэтиленовые и резиновые швы (рис. 27.7, г, д) пере-
крываются прорезиненным полотном или трубкой. Трубка (рис.
27.7, д) имеет отверстия и заполняется водой акведука, что препят-
ствует ее сплющиванию. Металлическая пластинка здесь защищает
трубку от повреждений.
3. Селепроводы и ливневые лотки. Селевые потоки и ливневые
воды (см. гл. 29) несущие массы ила, песка, камней, следует про-
пускать над каналом через особые акведуки, называемые ливневы-
ми лотками или селепроводами.
Селепроводы устраивают с учетом изменчивости селевого русла
в плане и по глубине. Поэтому подходная часть имеет вид воронки,
огражденной укрепленными дамбами (рис. 27.8). При подходе к
лотку русло нересекается зубом глубиной до 4 м, который предотв-
ращает подмыв лотка с верховой стороны. Аналогичный зуб пере-
секает укрепленную часть селепровода, благодаря чему исключает-
215
ся возможность подмыва лотка с низовой стороны. При проекти-
ровании селепровода большое внимание следует уделять режиму
движения наносов в пределах сооружения. Во избежание образо-

Рис. 27.9. Разрезной стальной трубопровод с компенсатором:
/ — труба; 2 — компенсатор; 3 — анкерная опора; 4 — промежуточная опора
вания заторов уклоны селепровода должны быть больше уклонов
естественного селевого русла, причем уклон лотка, где площадь се-
чения русла наименьшая, должен быть наибольший. За выходной
частью селепровода иногда образуется конус выноса, который мо-
Рис. 27.10. Детали стального трубопро-
вода:
а — литой сальниковый компенсатор: 1 — пат-
рубок; 2— наружное кольцо; 3 — стяжной
болт; 4 — резиновое кольцо; 5 — раструб; б —
гладкостенный сварной трубопровод: 1 — листы
стали; 2— сварные швы; в — бандажирован-
ный трубопровод: 1 — листы стали; 2 — бан-
дажные кольца
жет подпереть селевой поток и
повернуть его в сторону кана-
ла. Для защиты канала от
разрушения устраивают низо-
вую защитную дамбу. Ввиду
значительного истирающего
действия селевых потоков дно
и частично стенки селепровода,
устраиваемого обычно сборной
конструкции, укрепляются бе-
тонной облицовкой (толщиной
0,15-ь0,20 м) на прослойке би-
тума, чтобы ее можно было
сменить после износа, не по-
вреждая основной железобе-
тонной конструкции. При про-
ектировании селепроводов не-
обходимо с достаточной точно-
стью оценить размеры селевого
паводка и его характер, назна-
чая запасы по высоте и тол-
щине стенок селепровода.
Ливневые лотки устраивают по типу селепроводов или в виде
напорных труб под каналом с раструбом и решеткой в головной
части и гасителями энергии в низовой.
216
4. Трубопроводы, дюкеры, трубы под насыпью. При неблаго-
приятных климатических условиях (особенно при низких темпера-
турах) на участках с сильно пересеченной местностью или лавино-
опасных, а также подверженных воздействию селей, камнепада
и т. д. часть трассы канала может выполняться в виде трубопровода
замкнутого русла, работающего обычно в напорном режиме. На
многих современных крупных каналах длина трубопроводов дости-
гает десятки километров. Трубопроводы бывают открытые и засы-
панные; открытые трубопроводы укладывают на поверхности зем-
ли, а также в траншеях, туннелях или галереях так, чтобы к ним
обеспечивался свободный доступ. Продольная и нормальная состав-
ляющие веса трубы 1 воспринимаются анкерными опорами 3
(рис. 27.9). Промежуточные опоры 4 могут воспринимать лишь нор-
мальную по отношению к оси трубы составляющую ее веса. Во
избежание чрезмерных температурных напряжений в трубах по-
следние разрезают между опорами. В месте разреза устанавливают
компенсатор, конструкция которого позволяет трубе свободно удли-
няться или укорачиваться. При расположении трубопровода в га-
лерее, где колебания температуры незначительны, трубы не разре-
зают. Конструкция стального литого компенсатора показана на
Рис. 27.11. Типы дюкеров:
а — дюкер под руслом; б — дюкер при пересечении долины по ее склонам и дну
(рис. 27.10, а). Патрубок 1 и раструб 5, соединяемые фланцами
с трубопроводом, могут совершать продольные перемещения один
относительно другого при изменении длины трубопровода вследст-
вие колебаний температуры. Уплотнение компенсатора осуществ-
ляется с помощью резинового кольца 4 при стяжке болтом 3 на-
ружного кольца 2 и раструба 5.
Засыпанные трубопроводы укладывают в траншеи на песчаную,
гравийную или бетонную подготовку, после чего траишею засыпают
грунтом. Оии конструктивно проще и дешевле открытых трубопро-
водов, так как не имеют бетонных опор и компенсаторов, но осмотр
и ремонт их затруднителен. Трубопроводы изготавливают из метал-
ла, бетона и реже из дерева. Металлические трубопроводы дороги
217
и применяются обычно в тех случаях, когда их диаметры невелики,
а также на участках с большим внутренним давлением. Основным
элементом металлического трубопровода является оболочка 1
(рис. 27.10, б, в), которая выполняется цельнотянутой или свари-
вается из отдельных вальцованных стальных листов. При повышен-
ных давлениях воды оболочку металлических трубопроводов уси-
а)
Рис. 27.12. Одноочковый дюкер из звеньев труб:
а — продольный разрез; б — план входа; в, г — детали соединений труб; / — бетонная
подготовка; 2 — железобетонное кольцо на стыке секций; 3 — железобетонная анкерная
опора
Рис. 27.13. Типы поперечных сечений дюкера:
а — круглое; б — коробовое; в — прямоугольное многоочковое
ливают путем насадки на нее металлических колец — бандажей
(рис. 20.10, в). Такие бандажные кольца обычно выполняют бес-
шовными из высокопрочной стали. Железобетонные трубопроводы
устраивают сборными (при диаметрах меньше 4 м, так как в про-
тивном случае их монтаж затруднен вследствие большой массы
звеньев) и монолитными. Типы сечений железобетонных трубопро-
водов и конструкция их отдельных элементов такие же, как у дю-
керов (см. рис. 27.12 и 27.13).
Дюкеры представляют собой напорные трубопроводы, уклады-
ваемые под руслом реки или на склонах долины (рис. 27.11, а, б),
218
Дюкеры первого типа, подверженные внутреннему давлению воды
и внешнему давлению от земли, должны иметь жесткую конструк-
цию; дюкеры второго типа испытывают большей частью только
внутреннее давление от воды и представляют собой трубопроводы
(металлические, железобетонные и деревянные). В зависимости от
расчетного расхода воды дюкер может состоять из одной или не-
скольких труб. На рис. 27.12 показан тип сборного железобетонного
дюкера, состоящего из звеньев труб. Форма сечения дюкера опре-
деляется условиями его статического нагружения и особенностями,
связанными с производством работ. Круглое сечение (рис. 27.13, а)
удобно в производстве, выгодно в гидравлическом отношении (наи-
меньший гидравлический радиус) и хорошо воспринимает внутрен-
нее давление. При небольшом внутреннем давлении и большой
внешней нагрузке дюкеру придают коробовую или эллиптическую
форму (рис. 27.13, б). Многоочковые дюкеры (рис. 27.13, в) часто
имеют прямоугольное поперечное сечение.
°) (У)
Рис. 27.14. Схема гидравлического расчета дюкера и сопряжение потока в го-
лове дюкера при минимальном уровне в канале:
1 — решетка; 2— шандорный паз; 3 — водобойный колодец
Во входном оголовке дюкера устраивают мусорозащитные ре-
шетки. Шандорные пазы предусматривают на входе и выходе из
дюкера (см. рис. 27.12), что позволяет регулировать режим движе-
ния воды в дюкере, а также производить ремонт каждой трубы мно-
гоочкового дюкера без перерыва в работе всего сооружения.
Площадь сечения дюкера определяют по расходу воды и сред-
ней скоростью течения порядка v = 2-4-4 м/с, которая определяется
технико-экономическим расчетом. При о<2 м/с дюкер может заи-
литься. Гидравлически дюкер представляет собой напорный водо-
вод с расходом
Q = ij.i'i'i V^gz,
где ц — коэффициент расхода, учитывающий потери в водоводе;
со — разность уровней перед дюкером и за ним; z— площадь по-
перечного сечения.
Особенность работы относительно длинных дюкеров состоит в
том, что при расходах Q, меньших максимальной пропускной спо-
собности Qmax, величина потерь напора ZiB трубе оказывается
иногда меньше перепада z между дном подводящего и отводящего
каналов (а следовательно, и уровнями воды в них) (рис. 27.14, а).
219
При этом на входе образуется кривая спада, входной участок ра-
ботает в безнапорном режиме (с «переменным прыжком» в трубе
рис. 27.14, а). Такие режимы нежелательны ввиду возможности
расстройства швов от толчков и т. п. Бороться с этим явлением
можно или подпирая шандорами уровень воды на выходе, или из-
меняя конструкцию входной части так, чтобы прыжок образовался
Рис. 27.15. Гидравлический режим в трубах
под каналами:
а — безнапорный; б — полунапорный, в—напорный

в открытой части на входе и
был затоплен (рис. 27.14, б).
5. Трубы под каналами в
насыпях служат для пропус-
ка ливневых вод, ручьев и
других небольших водотоков
под каналом в тех случаях,
когда канал проходит выше
пересекаемого потока (рис.
27.15). Вода в трубах обычно
движется при безнапорном
режиме (рис. 27.15, а) как в
открытом русле (чтобы не
создавать значительного на-
пора на насыпь канала). Но
при пропуске исключитель-
ных паводков допускается
временное затопление верх-
ней входной кромки трубы,
тогда движение воды в трубе
может быть и полунапорным,
и напорным (рис. 27.15, б, в).
Сечения труб принимают
круглыми, коробовыми, пря-
моугольными (см. рис.
Рис. 27.16. Двухочковая труба под каналом
220
27.13), при значительных расходах воды трубы устраивают много’
очковыми (рис. 27.16).
Русло потока перед трубой и особенно за трубой укрепляют во
избежание размыва. Если течение в трубе происходит с большими
скоростями, при выходе из трубы устраивают водобойные колодцы
(рис. 27.16).
Форма входных оголовков
ность ее. На практике чаще
27.17, а) и раструбные (рис.
27.17, б) оголовки. По дли-
не трубы устраивают оса-
дочные швы, как в акведу-
ках (см. рис. 27.7) и в тру-
бах водоспусков под земля-
ными плотинами.
Необходимо отметить
что пересечение трубы с ка- <
налом является -ответствен-
ным узлом и его работа на
практике часто оказывается
неудовлетворительной по
двум причинам — большой
фильтрации из канала в
трубу через швы и засоре-
ния (завала) трубы наноса-
ми. Напор воды канала, до-
стигающий 10-4-15 м, воспри-
нимается облицовкой кана-
труб влияет на пропускную способ-
всего применяют портальные (рис.
Рис. 27.17. Формы оголовков труб:
а — портал без боковых стенок; б — портал
с боковыми стенками
ла, стенками трубы и гидроизоляцией между ними (см. рис. 27.16).
Насыпной грунт под каналом и вокруг трубы неизбежно дает не-
равномерные осадки, которые вызывают расстройство температур-
но-усадочных швов и большие протечки через них. При выходе из.
трубы скорость потока часто уменьшается, что приводит к образо-
ванию конуса выноса наносов, подпирающего трубу, и падению
в ней скорости до таких значений, при которых донные наносы на-
чинают откладываться и в самой трубе. В конечном счете труба
может выключиться из работы.
§ 27.2. СОПРЯГАЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
При трассе канала, пересекающей местность с большими укло-
нами и перепадами высот, скорости течения воды в канале дости-
гают чрезмерно больших значений и вызывают нежелательные яв-
ления: размыв русла, отогнанный прыжок в нижнем участке кана-
ла и др. В таких местах приходится устраивать специальные со-
единяющие верхний и нижний участок канала сооружения, которые
называют сопрягающими.
221
Рис. 27.18. Формы поперечных сечений открытых перепадов:
а — прямоугольная; б — трапецеидальная; в — щелевая; г — гребенчатая;
/ — откосы подводящего канала; 2 — щелн; 3 — гребни
Рис. 27.19. Выход из открытого многоступенчатого перепада
в нижний канал
По условиям движения воды различают сопрягающие сооруже-
ния, в которых вода непрерывно движется по сооружению — это
быстротоки и трубы, и такие, в которых вода часть пути движется1
по сооружению, а часть свободно падает в воздухе (это перепады).
Известны и сооружения переходных форм, например трубчатые
перепады (см. рис. 27.21, а).
1. Перепады. Широко распространены два основных типа пере-
падов: ступенчатые и консольные.
Ступенчатые перепады бывают открытыми, полунапорными и
напорными. В гл. 17 были изложены сведения об открытых перепа-
дах, как об одном из типов береговых водосбросов. Открытые сту-
пенчатые перепады на каналах имеют ряд особенностей. Попереч-
ное сечение (рис. 27.18) открытого перепада на канале может быть
прямоугольное, трапецеидальное, щелевое н гребенчатое. Наиболее
проста прямоугольная форма. Однако в случае отсутствия затворов
на входе она имеет следующие недостатки: при превышении рас-
четных расходов воды в канале создается подпор, а при малых
расходах, наоборот,— спад уровня воды и значительное увеличение
скоростей на подходе к порогу. При трапецеидальной и особенно-
при щелевой и гребенчатой формах поперечного сечения явления
подпора и спада на входе выражены слабо и в подводящем канале
поддерживаются при всех режимах глубины, практически близкие
к глубинам равномерного движения воды в нем. Пропускная спо-
собность входного участка перепада рассчитывается как для не-
подтопленного водослива с широким порогом.
Днище многоступенчатого перепада обычно располагается ниже
уровня грунтовых вод. Поэтому водобойные плиты и подпорные
стенки часто испытывают значительные взвешивающие давления,
для снижения которого применяется дренаж.
В целях экономии бетона ширину перепада обычно назначают
уже, чем ширина верхнего и нижнего канала. Выход из перепада,
в нижний канал устраивают в виде водобойного колодца (рис.
27.19). Для создания более благоприятного режима сопряжения
с нижннм каналом поток желательно выпустить на водобой не со-
средоточенной струей, а струей, распределенной по всей ширине-
канала. Поэтому водобой часто имеет в плане расширяющуюся
форму. Ту же цель преследует применение концевого зубчатого-
порога различного рода расщепителей, гасителей и других уст-
ройств (см. ч. 1, гл. 2). Окончательную форму выходного участка-
перепада устанавливают путем лабораторных исследований.
Полунапорные перепады в отличие от открытых имеют участок
напорного движения потока, создаваемый с помощью особых по-
перечных стенок (рис. 27.20). Прыжок на всех ступенях может
быть и не затопленным, за исключением последней ступени (при
выходе в нижний канал прыжок должен быть затоплен). Поэтому
длина ступеней короче, чем в открытом перепаде и, следовательно,
полунапорные перепады можно применять при больших уклонах
местности. Глубина потока на водобое определяется так же, как
при истечении из-под щита. Поперечную стенку — забрало рассчи-
223
тывают на изгиб как балку с жестко заделанными концами. При
Рис. 27.21. Напорные перепады:
2 — шахтный; б — трубчатый консольный
лов, inpiH .которых дальнейший
ледоходе и шугоходе по каналу стенки из шандоров частично или
полностью разбираются, что позволяет регулировать и режим га-
шения энергии. Во избежание разбрызгивания, которое может, на-
пример, зимой вызвать образование наледей, стенки — забрала
устраивают наклонными. При
большой ширине перепада этот
тип конструкции сложнее и
дороже других, так как требу-
ет обеспечения большой жест-
кости поперечной стенки.
Напорные (или закрытые)
перепады устраивают при зна-
чительных падениях и крутых
склонах, не позволяющих раз-
вить ступенчатый открытый пе-
репад *. Перепад представляет
собой шахту (рис. 27.21, а) пли
же трубу (рис. 27.21, б). Гаше-
ние энергии происходит час-
тично по пути, но, главным
образом, на выходе в нижний
бьеф, где устанавливают гаси-
тели. Возможен перепад и со
сбросом свободно падающей
струи.
Консольные перепады ха-
рактеризуются наличием в лот-
ке консоли, с которой поток
свободно падает струей в со-
прягаемый участок канала. Под
воздействием падающей струи
в грунте образуется воронка
такой глубины, что скорости
потока уменьшаются до преде-
ыв прекращается. Консольные
перепады весьма экономичны, так как в них отсутствует стенка
падения и водобойная плита в нижнем бьефе. Однако неопределен-
ность величины размыва, который рассчитывается лишь прибли-
женно, и неустановившийся режим воронки в период ее развития
не всегда приемлемы для нормально эксплуатируемого канала. По-
этому чаще консольный перепад устраивают на сбросах из каналов
или в качестве берегового водосброса при плотинах из местных
материалов (см. ч. 1, гл. 17).
* На ирригационных каналах при малых расходах воды (14-5 м3/с) труб-
чатые перепады (с наклонными трубами) экономично устраивать и при малых
падениях.
224
2. Быстротоки сопрягают участки канала с разными уровнями,
представляют собой лотки с уклонами более критических. По срав-
нению с подобными сооружениями, рассмотренными в гл. 17, быст-
ротоки, как сопрягающие сооружения на каналах, имеют следую-
щие особенности. Входному участку, рассчитываемому как непод-
топленный водослив с широким порогом, желательно придавать
трапецеидальную или щелевую форму. Это позволяет поддержи-
вать в верхнем канале уровни, близкие к уровням равномерного
движения.
Другое важное отличие состоит в том, что быстротоки на кана-
лах пропускают сравнительно умеренные расходы веды (не более
сотен im3/c) . Поток обычно свободен от крупных донных наносов
льда и мусора, поэтому здесь
применяются конструкции й) е)
лотков, которые в условиях • • • —
речных гидроузлов нецеле-
сообразны: лотки повышен-
ной шероховатости и струй-
ные. Повышенная шерохова-
тость дна и стенок быстро-
тока необходима для умень-
шения скоростей течения в
лотке и создается ступеня-
ми (рис. 27.22), поперечны-
ми брусками, выступами,
зигзагообразными порогами,
шашками. Из них наиболее
эффективны пороги, показан-
ные на рис. 27.22, в. Недо-
статком этих лотков в усло-
виях каналов является воз-
можность постепенного раз-
рушения зубцов и порогов,
от мороза, если канал зи-
мой не эксплуатируется, от
истирания наносами или ка-
витационной эрозии.
Струйные лотки имеют продольные стенки высотой до расчетного
уровня в лотке (рис. 27.22, е), увеличивающие смоченный пери-
метр сечения и сопротивление движению потока, что ведет к сни-
жению скорости. Причем это снижение меньше, чем в лотках по-
вышенной шероховатости. Зато в струйных быстротоках не разви-
ваются боковые качания (колыхания) уровня воды, свойственные
широким быстротокам, особенно с пологими откосными стенками.
. Выход из быстротока в нижний канал осуществляется посредст-
вом сопряжения затопленным прыжком. Для этого обычно требу-
ется водобойный колодец, который часто имеет в плане раструбную
форму (см. рис. 27.19), позволяющую распределить поток по всей
ширине нижнего канала.
8—1777
225
Рис. 27.23. Схемы насосных станций на машинных каналах:
а — берегового совмещенного типа: 1 — водоисточник; 2— водозаборное сооружение;
3, 4 — подземная и наземная части здания насосной; 5 — напорный трубопровод;
6—акерная опора; 7 — водовыпуск; 8 — машинный канал; б — промежуточная стан-
ция подкачки; f—подводящий канал; 2 — аванкамера; 3, 4 — подземная и наземная
части здания насосной; 5 — напорный трубопровод
3. Переходы. Сопряжение участков канала с разными попереч-
ными сечениями (например, трапецеидальным сечением в мягких
грунтах и прямоугольным сечением в скале, при подходе к лоткам,
трубам) осуществляется переходами, в пределах которых откосы
русла плавно и постепенно изменяются. Одновременно может из-
меняться ширина и отметка дна.
4. Насосные станции. В крупных современных машинных кана-
лах для преодоления резкого сосредоточенного подъема местности
устраивают насосные станции, .которые в этом случае и осуществ-
ляют сопряжение нижнего участка канала с верхним (см. рис. 26.1).
Так, на трассе канала Северный Донец — Донбасс построено четы-
ре мощных насосных станции, поднимающих воду почти на 200 м.
По расположению на канале насосные станции можно разделить
на береговые, устраиваемые в голове канала иа берегу водоисточ-
ника, и промежуточные станции подкачки, сооружаемые непосред-
ственно на трассе канала. На рис. 27.23, а показана схема берего-
вой насосной станции совмещенного типа, в которой водозабор яв-
ляется частью здания насосной (возможны и схемы с водозабором
раздельного типа). Вода из водоисточника 1 поступает по напорно-
му трубопроводу 5 в водовыпускное сооружение 7, расположенное
на более высоких отметках, и далее в машинный канал 8.
Схема промежуточной станции подкачки показана на рис.
27.23, б. Забор воды здесь осуществляется из аванкамеры 2, пред-
ставляющей собой расширенный и углубленный участок нижнего
(подводящего) канала и по напорному трубопроводу 5 через водо-
выпуск поступает в верхний (отводящий) канал. Более подробные
сведения по насосным станциям излагаются в специальных кур-
сах *.
§ 27.3. СООРУЖЕНИЯ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОБЩИЙ РЕЖИМ КАНАЛА
1. Шлюзы-регуляторы и вододелители. В ирригации и водоснаб-
жении бывает необходимо сделать ответвление от магистрального
канала. Шлюз-регулятор конструктивно представляет собой плоти-
ну с затворами, позволяющими регулировать расходы воды в основ-
ном канале и ответвлениях от него, а также полностью перекры-
вать канал. Шлюз-регулятор может быть расположен на ответвле-
нии канала (рис. 27.24, а) или на основном тракте и ответвлении,
причем два или даже три регулятора соединяются в одно сооруже-
ние. На рис. 27.24, б два регулятора 1 и 3 с промывником 2 объ-
единены в один узел. Наличие высокого порога 4 в обоих шлюзах,
горизонтальной палки 5 и промывных отверстий б позволяет свести
к минимуму поступление крупных донных наносов в оба разветвле-
ния канала. Иногда отбор части воды из магистрального канала
в боковое ответвление осуществляется с помощью трубы, оборудо-
ванной затворами (рис. 27.25). Труба может работать в напорном
или безнапорном режиме.
* Турк В. И., Минаев А. В., Карелин В. Я- Насосы и насосные станции. М.,
1976.
8* 227
Рис. 27.24. Схемы шлюзов-регуляторов:
а — на ответвлении; б — узел шлюзов-регуляторов; 1, 3 — шлюзы-регуляторы, 2 —
сооружение для промыва и сброса наносов; 4 — порог; 5 — горизонтальная полка,
6 — промывные отверстия

Рис. 27.26. Вододелитель
Рис. 27.25. Трубчатый шлюз-регулятор
(план)
Вододелители— это регуляторы без затворов с фиксированным
соотношением расходов воды, пропускаемой по главному каналу и
ответвлениям; применяются в ирригации (рис. 27.26).
2. Аварийные заграждения. На длинных каналах, не имеющих
перегораживающих сооружений (регуляторов), для изоляции от-
дельных участков канала на случай аварии или ремонта располага-
ют аварийные заграждения. Эти заграждения в период нормальной
эксплуатации находятся в открытом (разобранном) состоянии, а
при необходимости могут быть быстро закрыты. Конструктивно за-
граждения представляют собой пороги, оборудованные затворами.
Рис. 27.27. Сифонный водосброс, совмещенный с водоспуском:
/— трубы водоспуска; 2 — сифон
3. Водосбросы и водоспуски. Водосбросы, расположенные по
трассе или в концевой части канала, устраивают для организован-
ного сброса воды, могущей переполнить канал по условиям эксп-
луатации или при тех или иных неполадках и недосмотрах. Водо-
сбросы могут быть различных типов; на трассе канала они по гид-
равлической схеме являются боковыми водосливами. На энерге-
тических каналах водосбросы иногда используют и для сброса
льда, шуги и плавающих тел. Конструктивно водосбросы выполня-
ются в виде бетонной водосливной стенки, водосливных лотков-
быстротоков, сифонных водосливов или сифонных труб, уложенных
по дамбе канала. Полезно сбросы устраивать также в акведуках
и у дюкеров.
229
Для опорожнения канала водоспуски располагают по трассе в
зависимости от его длины и во всяком случае — в конце канала
(сбросы). Водоспуски часто совмещают с водосливами (рис. 27.27)
и другими сооружениями: шлюзами-регуляторами, насосными стан-
циями и т. п. Эти соору-
жения при небольших и
средних расходах воды
устраивают сборными.
4. Шугосбросы. Если
по каналу осуществляется
транзит шуги или шуга
образуется в самом кана-
ле, необходимо предусмот-
реть в конце канала (а
при большей длине его и
в ряде мест по длине) шу-
госбросы для отвода шуги
из канала. Существует ряд
конструкций шугосбросов.
Одна из удачных кон-
струкций шугосброса по-
казана на рис. 27.28. Здесь
лоток шугосброса, могу-
щий перемещаться в вер-
тикальном направлении,
имеет в плане направляю-
щие стенки, улучшающие
Рис. 27.28. Шугосброс: гидравлические условия
I — рама с лотком и направляющими для сброса шу- пптптса и сбпос
гн; 2 -г- сегментный затвор промывника; 3—промыв- LiUDuyuia iiuiuixd в сирис
ник ной канал, вход в который
перекрыт опускным затво-
ром. Шугосброс должен быть совмещен с промывным донным от-
верстием для удаления отложений, которые могут скапливаться
в подходе к нему. Для обеспечения всплывания шуги в верхние слои
потока подходной участок канала должен быть прямолинейным на
длину не менее 20 глубин канала с уменьшением скоростей тече-
ния до 0,7 м.
Хорошие результаты по сбросу шуги получены на Бодайбинских
ГЭС на р. Бодайбо, отличающейся тяжелым зимним режимом, где
шуга концентрировалась у бокового водосброса направляющими
щитками, погруженными в поток до 0,3 м и расположенными попе-
рек всего потока под углом 45-4-60° к направлению оси канала.
ГЛАВА 28
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ТУННЕЛИ
§ 28.1. ХАРАКТЕР РАБОТЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ
1. Типы туннелей. Туннелем называют горизонтальную или на-
клонную протяженную горную выработку (выломку), устраивае-
мую без выемки вышележащей породы и имеющую два выхода на
земную поверхность. Горизонтальную или наклонную до 45° вы-
работку, имеющую один выход на земную поверхность, называют
штольней; наклонную под углом 45° —стволом или шахтой.
Рис. 28.1. Схемы основ-
ных конструктивных эле-
ментов гидротехническо-
го туннеля:
а—б— разрезы по А—А,
Б — Б; в — портал туннеля
Горная выработка (выломка) —это полость в земной коре, об-
разованная в результате горных работ. В поперечном сечении вы-
работка 12 (рис. 28.1) может быть различного очертания. Внутри
выработки устраивают обделку или крепь и другие конструкции.
По назначению различают: туннели транспортные, устраиваемые
на железнодорожных, автомобильных, судоходных, лесосплавных
231
и других путях; коммунальные, используемые для водопроводов,
канализации, прокладки кабелей и т. п., а также специального на-
значения— для размещения подземных складов, заводов, в целях
обороны и др. Туннель, режим работы которого связан с пропуском
воды, называют гидротехническим. Гидротехнические туннели ис-
пользуют в следующих случаях: 1) если трасса туннеля проходит
глубоко под земной поверхностью и строительство открытой выемки
не экономично; 2) открытые .водоводы могут быть повреждены за-
валами при оползнях, осыпях, лавинах, камнепадах; 3) водовод
идет по густо застроенной местности.
По водохозяйственному назначению различают следующие гид-
ротехнические туннели: энергетические — подводящие воду к гид-
роэлектростанции или отводящие ее, ирригационные и обводнитель-
ные, строительные — для временного отвода реки от участка строи-
тельства, водопроводные, судоходные и лесосплавные, водосброс-
ные— для сброса излишков воды из водохранилищ, каналов, ком-
бинированные— имеющие несколько назначений.
По гидравлическому режиму течения воды в туннеле они быва-
ют напорные и безнапорные. Часто оказывается целесообразным
назначать различные гидравлические режимы по длине туннеля,
(рис. 28.1), когда от входа воды в туннель и до камеры затворов 6—
напорный режим, а далее — безнапорный. Участки туннелей с на-
порным 5 и безнапорным 8 режимами сопрягаются камерой гаше-
ния 7 энергии потока, выходящего из напорного участка. Для обес-
печения назначенного гидравлического режима в безнапорной ча-
сти туннеля устраивают необходимые конструкции для аэрации —
подвода воздуха.
2. Основные элементы гидротехнического туннеля * показаны на
рис. 28.1: подводящий канал /; входной оголовок (портал) 2 для
укрепления врезок туннеля и канала и создания плавного входа в
туннель; сороудерживающая решетка 3, вместо которой можно ус-
тановить затвор; переходный участок 4 от четырехугольного сече-
ния на входе к круглому; напорный туннель 5 круглого сечения; ка-
мера 6 затворов; водобойный колодец 7; безнапорный туннель 9;
выходной оголовок (портал) 10; отводящий канал 11; замок (или
шелыга) 14 — самая верхняя часть туннеля; забутовка 15—.цемен-
тационный раствор, подаваемый под давлением; обделка (или
крепь) 16, воспринимающая действующие нагрузки; облицовка 13,
уменьшающая шероховатость поверхности; кровля 19 — поверх-
ность сверху расположенной породы; колотта 18 — верхняя сводча-
тая часть поперечного сечения; штросса 17 — нижняя часть стены
20; лоток 21; портальная стенка 22; крыло 23.
Количество элементов может быть различным в зависимости от
назначения туннеля и многих других факторов. Например, в отво-
дящем туннеле шахтного водосброса не будет подводящего канала,
входного портала, камеры затворов. Если в туннеле не требуется
обделка, то делают только облицовку. При обеспечении весьма
На примере Дангаринского мелиоративного туннеля.
232
гладкой поверхности обделки можно обойтись без облицовки. До-
пускаются поверхности выработки вообще без ее обделки и обли-
цовки и т. п.
На территории России первый водосбросный туннель был по-
строен в XVIII в. на Урале у Змеиногорской плотины известным
русским гидротехником К- Д-
Фроловым. К настоящему
времени в .СССР сооружено
'более 200 км гидротехниче-
ских туннелей и 8 подзем-
ных гидроэлектростанций.
В 1966—1970 гг. в среднем
строилось по 20 км туннелей
в год, а в 1975—1980 гг. на-
мечается увеличить строи-
тельство до 40 км в год.
Построены уникальные
по размерам туннели (рис.
28.2). Например, площадь
поперечного сечения в вы-
ломке Токтогульского (Кир-
гизская ССР) туннеля дости-
гает 200 м2, а площадь вы-
ломки строящегося подзем-
ного здания Ингурской
ГЭС (Грузинская ССР) —
15,2
712 м2. Сооружаются тунне-
ли в целях ирригации и об-
воднения: так, Дангаринский
ирригационный туннель име-
ет длину 13,5 км, а два тун-
неля для
Рис. 28.2. Подземные выработки больших
сечений:
а — туннели Токтогульской ГЭС сечением до
200 м2; б — Чиркейской — 168 м2; в — Ингурской
ГЭС —до 180 м2; г —Ингурской ГЭС —712 м2
переброски воды р. Арпы в оз. Севан—общую длину
около 50 км и т. д. Намечается большое строительство гидротехни-
ческих подземных сооружений для создания подземных водохрани-
лищ, бассейнов, нефтехранилищ и др.
3. Поперечные сечения гидротехнических туннелей. Площадь
поперечного сечения туннеля определяют гидравлическими расче-
тами, а среднюю скорость течения в нем воды назначают на основе
технико-экономических - расчетов. Гладкая облицовка туннелей *
позволяет уменьшить площадь поперечного сечения, но часто эко-
номически выгоднее не облицовывать его. Форму поперечного сече-
ния туннеля определяют инженерно-геологическими, гидравличе-
скими условиями и возможностями производства работ с малой
стоимостью. Инженерно-геологические условия обычно являются
* Опыт эксплуатации туннелей и каналов показывает, что возможно суще-
ственное увеличение шероховатости поверхности бетона за счет наростов микро-
организмов и отложения солей со временем при определенных скоростях течения
и химического состава воды, проходящей по туннелю и фильтрующейся в него
из окружающей породы.
233
основным фактором при выборе формы поперечных сечений тун-
нелей. Вокруг горных выработок при устройстве туннеля нарушает-
ся состояние равновесия толщи горных пород, что приводит к про-
гибам кровли и стен, отслаиванию и вывалам масс породы. Для
предотвращения вывалов по контуру выработки при проходке
устраивают временную крепь, которая в дальнейшем заменяется
обделкой, воспринимающей давление деформирующейся породы.
Форму горной выработки и обделку назначают в каждом конкрет-
ном случае из условия минимальной стоимости сооружения и наи-
лучшего восприятия этого давления.
4. Горное давление — совокупность силовых полей, возникаю-
щих за счет массы породы. При нарушении равновесия этих сил
горной выработкой вся толща горной породы над выработкой
или часть ее приходит в движение — деформируется, оказывая
давление на обделку выработки.
На глубине Н от поверхности вертикальные напряжения в гор-
ной породе равны
аг = У„Я. (28.1)
Вертикальная деформация сжатия от этого напряжения
8г = аг/£. (28.2)
Горизонтальные деформации растяжения еж=еу (для изотроп-
ной среды) от действия напряжения az равны нулю, так как порода
находится в условиях всестороннего сжатия. Отсутствие деформа-
ций еж и еу обязано наличию напряжений аж и ау, препятствующих
деформациям. При устройстве туннельной выработки напряжения
в породе возрастают и создается возможность деформации растя-
жения
= ЕУ ~ Iх (28.3)
Возрастание напряжения обычно характеризуется коэффициен-
том концентрации k, равным отношению значений напряжений пос-
ле выработки к значению напряжений до выработки.
Тогда растягивающие напряжения
сжимающие напряжения
стсж “ *2°z = ^2Yr/T> (28.5)
где ki и k2 — коэффициенты концентрации растягивающих и сжи-
мающих напряжений; Е и ц— модуль упругости горной породы и
коэффициент поперечной деформации — коэффициент Пуассона.
При пластических деформациях произойдет разрушение породы.
При разрушении изменяется характер напряжений породы (рис.
28.3). Непосредственно у выработки образуется область 1 пони-
женных напряжений, где разрушены породы . и создается верти-
234
кальное и горизонтальное горное давление на крепь и обделку, и
область 2 повышенных напряжений (Tcnt = &2ffz, которая плавно пе-
реходит в область 3 напряжений Gz=yaH.
Наиболее важными факторами в формировании горного давле-
ния являются физико-механические свойства породы, ее прочность
и стратиграфия — характер напластования и форма залегания, а
также размеры выработки и
ее форма, деформативная
способность крепи, обделки,
время нахождения выработ-
ки без крепления, взаимноеп n
расположение выработок I
(если их несколько) и др.
Угол наклона (падения) по-
род может существенно из-
менить характер горного
давления — при крутом па-
дении пластов горное давле- Рис. 28.3. Области напряжений в горном
ние асимметрично, и могут массиве при выработке
возникнуть деформации
сползания пород в выработку. Горное давление меньше под сводом
антиклинали, чем при выработке в зоне синклинали. Горная выра-
ботка может располагаться под уровнем грунтовых вод, тогда она
получит дополнительную нагрузку в виде гидростатического давле-
ния воды.
Величину горного давления, действующего на обделку, можно
определить приближенно теоретическим расчетом для принятия
предварительных решений. При составлении проектов ответствен-
ных и крупных объектов величину, характер горного давления оп-
ределяют экспериментальным путем в опытных выработках. Тео-
ретические методы расчета по определению горного давления, дей-
ствующего на обделку, основываются на различных гипотезах и
соображениях: законе гидростатического распределения давления
воды по глубине выработки, теории сыпучих тел, теории упругости,
использовании натурных наблюдений за поведением горных по-
род— образования свода обрушения. Наибольшее распространение
получил метод, предложенный М. М. Протодьяконовым, так назы-
ваемый метод расчета по своду обрушения с использованием тео-
рии сыпучих тел. Здесь коэффициент трения принимается с учетом
удельного сцепления С, названного М. М. Протодьяконовым коэф-
фициентом крепости fK;
fK = (fp + C)/p, (28.6)
где f и р — коэффициент внутреннего трения и вертикальная на-
грузка.
Для сыпучих пород fK=tg<p, Для скальных fK = O,Q\R, где <р —
угол внутреннего трения сыпучих пород и R — предел прочности
на сжатие скальной породы. Для песка, мелкого гравия, насыпной
земли fK = 0,5, глины крепного наноса—1,0; мягких скальных по-
род— 2. Для пород средней крепости — крепких сланцев, некреп-
235
ких песчаников известняков, мягких конгломератов — /к = 4, доволь-
но крепких — обыкновенного песчаника — 6; крепких — гранита,.
очень крепких песчаников и известняков, крепких конгломератов —
10; в высшей степени крепких — 20.
5. Определение горного давления, действующего на обделку ме-
тодом Протодьяконова. Предположим, что на кровлю и стены выт
работки (рис. 28.4) давит по-
Рис. 28.4. Схема нагрузок к определению
горного давления по методу М. М. Прото-
дьяконов а
рода, которая стремится вы-
валиться в выработку: 1) на
кровлю — в виде веса свода
обрушения АСВ (обычно на-
зывается свод давления),,
представляющего собой вер-
тикальное горное давление;
2) па стены — в виде гори-
зонтального горного дав-
ления, которое формируется
от веса породы в объеме тре-
угольника обрушения Атп,
Bkd и нагрузки от свода об-
рушения на плоскости Ат и
Bk. На границе обрушения
породы растягивающие на-
пряжения отсутствуют, ежи
мающие находятся в допу,
стимых пределах.
новесия выделенного участка
реакция N левой части свода;
реакция нижней части свода
Рассмотрим условие рав-
свода ОС, к которому приложены
продольная нормальная сила Т как
и давление окружающей породы
р = \пН.
Момент всех сил, действующих на участок свода ОС относитель-
но точки О, должен быть равен нулю:
Ny — рх’-^^О,
(28.7>
откуда y = px2/2N, следовательно, свод обрушения очерчен по па-
раболе. Реакция R касательная в точке В свода, является давле-
нием на опору-пяту. Составляющая этого давления Р прижимает
породу к пяте, формируя силу трения, равную PfK, а сила N — рас-
пор, стремится сдвинуть породу. Для устойчивости пят А и В сво-
да сила трения должна быть больше или равна сдвигающей силе
PfK>N. ' (28.8)
Можно показать, что распор N уравновешивается половинной
силой трения, т. е.
0,5P/K или 0,5/?/к = 7V. (28.9)
236
Подставляя в выражение (28.7) величину Н, получим
\у = х2/0,5А/к. (28.10)
При х = 0,5А и y = h из выражения (28.10) получим высоту сво-
да обрушения
h-LUf., (28.11)
Z. = Во + 2Л/о tg (45° — <р/2), (28.12)
где гр-- угол внутреннего трения породы: для кварцитов, базальтов
<р = 87°; известняка, мрамора —82°; мерзлого грунта, мягкого изве-
стняка— 63°; глины плотной — 45°; мягкой песчанистой глины, гра-
вия— 39°; песка — 26°; плывуна, болотистого грунта—17°.
Вертикальное горное давление на горизонтальную крепь можно
определить, зная массу породы в пределах свода обрушения (см.
рис. 28.4). Полная масса свода обрушения
2
. Q = —УпАЛ = Уи£2/(3/к),
V
а удельное среднее давление
q = Уп^/(3/К).
В указаниях по проектированию гидротехнических туннелей
СН 238—73 принимают нормативное равномерно распределенное
вертикальное горное давление
9н = ₽уГ1Л = ^п7/(2/к), (28.13)
где (3 = 0,7 при В0<6,0 м и |3= 1 при Во^6,О м.
Горизонтальное горное давление на крепь по теории сыпучих тел
можно рассматривать как давление на вертикальную стенку тп от
сползающего треугольного массива Amn, Bkd, воспринимающего
нагрузку в плоскостях Ат и Bk от массы боковых участков свода
обрушения в объеме Ат2\ и Bk23.
Тогда боковое горное давление в верхних участках выработки
е' =YI1/Mg2(45°-<P/2), (28.14)
на нижних
е" = Yn (Л 4- Но) tg2 (45° - у/2). (28.15)
Принимают равномерное осредненное горизонтальное горное
давление [141]
ен = уп (Л + НоО ,5) tg2 (45° - у/2), (28.16)
но не более вертикального горного давления.
Метод М. М. Протодьяконова не учитывает глубину размеще-
ния выработок от поверхности, их взаимное влияние, когда их не-
сколько и они близко расположены, особенности геологического
строения и др.
При большой глубине расположения выработки от поверхности
Я>500 м,-напряжения в породе могут быть за пределами пластич-
237
ности и метод М. М. Протодьяконова не применим. Д4я больших
размеров выработки Во>6 м этот метод дает существенную ошиб-
ку. Анализ 45 кривых обрушения пород в момент взрыва зарядов
в забое при Во от 8 до 14 м, проведенный В. М. Мостковым [62],
показал, что они не совпадают с кривой, очерченной по пораболе,
и близки ккривой другого очертания. -
Формулы (28.13), (28.16) рекомендуется применять при любых
значениях Во, если /к<4. При fK>4 область их применения ограни-
чивается размерами выработки до 6 м. Если В0>6, то qs = yahH, где
hn = k\BQ. Коэффициент k\ зависит от крепости и степени трещино-
ватости породы: для Д = 4 /г1 = 0,24-0,4, для Д = 54-9 &i = 0,14-0,3,
для fK> 10 £1 = 0,054-0,15. Меньшие значения для слаботрещинова-
тых пород, большие — сильно трещиноватых. Более точно глубина
нарушенной зоны определяется по табл. 5 [62]. Горизонтальное
горное давление при /к>4 учитывается, как правило, только при
высоких стенах (более 6 м).
При закреплении выработок анкерами, железобетонными арка-
ми, набрызг-бетоном (см. ниже) горное давление на обделки тун-
нелей не должно учитываться в породах любой крепости.
Если туннель заглублен менее чем на две высоты свода давле-
ния, то горное давление принимается равным весу толщи породы
над ним.
§ 28.2. БЕЗНАПОРНЫЕ ТУННЕЛИ
1. Условия устройства и формы сечения безнапорных туннелей.
Безнапорные туннели работают при частичном наполнении водой,
когда имеется свободная поверхность воды. Применяются обычно
при незначительных напорах в головной части или когда это выгод-
но в гидравлическом и экономическом отношениях (см. рис. 28.1).
Максимальной пропускной способностью обладают туннели круг-
лой или прямоугольной формы в части, заполненной водой, при
скруглении углов, скосах или выкружках и т. д. При производстве
работ круглая форма туннелей удобна только при щитовом способе
проходки, при горных способах проходки наиболее целесообразно
сечение с плоской подошвой и стенами и сводчатым перекрытием.
Инженерно-геологические условия существенно влияют на фор-
му туннеля: при малом горном давлении кровля туннельной выра-
ботки может быть плоской илн полого-изогнутой. С возрастанием
горного давления должна увеличиваться подъемистость свода. При
наличии горизонтального горного давления стенки туннеля прихо-
дится делать криволинейными. Рекомендуются [141] следующие
формы туннелей: прямоугольная с пологим сводом (рис. 28.5, а)
в породах с fK^8 при отсутствии горного давления; корытообраз-
ная в полуциркульном своде (рис. 28.5, б) в породах с 8>fK>4
при наличии только вертикального горного давления; с криволиней-
ными стенками и верхним сводом малого радиуса (рис. 28.5, в) в
породах с 4^fK^2 при вертикальном и горизонтальном горных
давлениях; подковообразная (коробовая) (рис. 25.5, г) в породах с
238
fK<2 при значительном вертикальном и горизонтальном горных
давлениях и давлении снизу.
При соответствующем обосновании могут быть применены и
другие формы туннелей. Минимальные размеры туннелей в свету
В = 2 м и /7 = 2,5 м. Расстояние от поверхности воды до шелыги сво-
да туннеля при скорости установившегося движения воды до 10 м/с
должно быть равным Q,Q7H, но не менее 0,4 м при условии подвода
воздуха в воздушную зону. При больших скоростях это расстояние
обосновывается лабораторными исследованиями.
Рис. 28.5. Профили безнапорных туннелей:
а — прямоугольный с пологим сводом; б — корытообразный с полуциркульным сводом;
в—подъемистый с криволинейными стенами и верхним сводом малого радиуса; г —
подковообразный (коробовый); д — круглый
2. Обделки туннелей. В прочных и устойчивых породах обделки
туннелей предназначаются для уменьшения шероховатости и водо-
непроницаемости и тогда они являются только облицовками, а в
породах, где возможно обрушение, обделки нужны для восприятия
давления породы — горного давления.
Размеры поперечного сечения туннеля при расчетном расходе
воды зависят от коэффициента шероховатости поверхности. Для
уменьшения размеров поперечного сечения стремятся уменьшить
коэффициент шероховатости п, который равен 0,011 для бетонной
поверхности с затиркой цементным раствором или при выполнении
обделки в стальной опалубке, 0,014 — для бетонной поверхности без
затирки при применении деревянной опалубки, 0,017 — для гладкой
достаточно хорошо обработанной скалы, 0,022 — для скалы с не-
выровненной поверхностью.
239
В слаботрещиноватых прочных породах при скорости течения
воды менее 10 м/с рекомендуется [141] обделки не делать. Для
уменьшения шероховатости поверхности туннеля следует приме-
нять «гладкое» взрывание. Различают следующие обделки: 1. Об-
делки для уменьшения шероховатости или так называемые вырав-
нивающие облицовки устраивают в пределах живого сечения (см.
рис. 28.1), или по всему сечению, если необходимо защищать поре-
ду от выветривания. Выравнивающие обделки снижают фильтра-
Рис. 28.6. Обделки:
а — бетонная; б — в верхней части — бетонная, в нижней— облицовка; в — железобетон-
ная с двойной арматурой; г — двухслойная с внутренним железоторкретным кольцом;
д — фрагмент обделки с двойной арматурой; е — конструктивное оформление шва;
1 — обделка; 2 — облицовка; 3 — поперечная дрена; 4 — внешнее бетонное кольцо; 5 —
внутреннее железоторкретное кольцо; б — продольная дрена; 7 — рабочая арматура
ционные потери из туннеля, выполняются из монолитного бетона
или набрызг-бетона. 2. Несущие обделки воспринимают горное
давление и другие нагрузки-в строительный и эксплуатационный
период и одновременно являются выравнивающими, могут быть
трещиностойкими и нетрещиностойкими с допускаемым раскрыти-
ем трещин.
Бетонные обделки применяют в породах с малой и средней
крепостью, могут выполняться монолитными, из набрызг-бетона или
из прессованного бетона. Обделку устраивают по всему периметру
туннеля (рис. 28.6, а) или только в верхней части, а в нижней воз-
водится выравнивающая облицовка (рис. 28.6, б).
Железобетонные обделки применяют в породах при значитель-
ном горном давлении и больших сечениях (рис. 28.6, в), т. е. при
менее благоприятных условиях. Выполняют монолитными из арми-
240
рованного набрызг-бетона и сборными из отдельных блоков или
цельнозамкнутых колец (см. рис. 28.15). В породах слаботрещино-
ватых или слоистых несущая способность обделки из набрызг-бе-
тона может быть увеличена установкой анкеров (см. § 28.6).
Сборные обделки целесообразно применять прн проходке туннеля
сразу на полное сечение, а цельнозамкнутые кольца — при пролетах
туннеля до 3 м. Металлические обделки выполняют в исключитель-
ных случаях.
Обеспечение малой шероховатости и водонепроницаемости об-
делок. Поверхность обделок должна быть гладкой. Для этого ее
зачищают от наплывов и выступов, оштукатуривают цементным
раствором или торкретом с затиркой. Оштукатуривание одновре-
менно повышает водонепроницаемость обделки. В обделке устраи-
вают продольные и поперечные швы через 6-4-8 м, способствующие
свободе температурных и усадочных деформаций бетона и разде-
ляющие обделку на блоки. При'этом должна быть обеспечена на-
дежная связь отдельных блоков с помощью арматуры (рис. 28.6, е).
Водонепроницаемость стыков этих блоков достигается заделкой их
расширяющимся и безусадочным цементом.
Защита от воздействия подземных вод. Для снижения давления
подземных вод на обделку выполняют дренаж, в виде одной-двух
продольных дрен под туннелем (рис. 28.6, в, г) и поперечных дрен
(рис. 28.6, г). Продольный дренаж делают из керамических или
бетонных пористых труб, поперечный — в виде слоя гравия и щеб-
ня, уложенных в канавках, выполненных в породе под наружной
поверхностью облицовки через 2-4-5 м по длине туннеля, вода от
них стекает в продольную дрену. Если подземные воды не агрессив-
ны, их можно выводить в туннель через трубки в обделке. Для за-
щиты бетона обделки от агрессивных вод устраивают гидроизоля-
цию обделки путем цементации окружающей породы глинисто-це-
ментными или глинистыми растворами, укладки между породой и
обделкой изолирующих слоев или осушают окружающую породу
системой дренажей.
Нагнетание цементного раствора (цементация) за обделку обес-
печивает упругое взаимодействие обделки и породы, при их дефор-
мациях способствует более равномерному распределению горного
давления на обделку и защищает ее от подземных вод.
3. Входные и выходные оголовки туннеля (порталы) оформля-
ются обычно в виде подпорных стенок и плиты пола (см. рис. 28.1,
в) или в виде обетонирования скальной выемки. Поверхность под-
водящих и отводящих каналов у порталов на соответствующую
длину по расчету укрепляют против размыва. За низовыми подпор-
ными стенками обычно устраивают дренаж. В необлицованных
туннелях входной или выходной участки самого туннеля имеют
обделку по длине, равную ширине выработки и не менее 6 м.
От геометрических форм входного портала может существенно
зависеть гидравлический режим туннеля. При неудачной форме
возможно образование вихревых воронок с проходом вихревого
воздушного «шнура» в туннель и пр. Большое внимание обычно
241
уделяется и назначению геометрических форм непосредственно на-
чала туннеля или как часто его называют «головной части». Дол-
жен быть обеспечен бескавитациониый гидравлический режим ее
работы.
§ 28.3. РАСЧЕТ ОБДЕЛОК БЕЗНАПОРНЫХ ТУННЕЛЕЙ
1. Определение размеров сечения туннеля и действующих сил.
Размеры и форму туннеля определяют гидравлическими расчетами
и геологическими условиями. Толщину обделки устанавливают на
основании статических расчетов. Нагрузки и воздействия на обдел-
ку делят на постоянные и временные (длительные, кратковремен-
ные и особые). К постоянным относят: горное давление, собствен-
ную массу обделки, предварительное напряжение. К временным
длительным нагрузкам относят давление воды изнутри туннеля при
нормальном подпорном уровне в водохранилище, давление подзем-
ных вод. К кратковременным — пульсационное давление воды, дав-
ление свежеуложенного бетона и механизмов в период ведения
работ, давление при выполнении цементации, а также температур-
ные климатические воздействия (для стальных оболочек). Сейсми-
ческие, взрывные воздействия, усилия, возникающие от изменения
температуры, набухания и усадки бетона, ползучести породы, внут-
реннее давление при форсированном уровне, гидравлическом ударе
составляют особые нагрузки. Определяющими являются наиболее
опасные сочетания возможных нагрузок отдельно для строитель-
ного и эксплуатационного периодов.
Расчет обделок проводят методом предельных состояний: 1) по
несущей способности на прочность и устойчивость (в. ряде случаев)
формы конструкции — первая группа предельных состояний;
2) по трещиностойкости, а также по величине фильтрационного
расхода из туннеля — вторая группа предельных состояний.
При расчете на любые сочетания нагрузок необходимо учиты-
вать упругий отпор породы. Коэффициент удельного отпора поро-
ды равен
АУ;( = йГн/100, (28.17)
где k — коэффициент упругого отпора (постели) породы; гн—на-
ружный радиус обделки, см.
Значения /гуд в зависимости от коэффициента крепости /к приве-
дены на рис. 28.7.
Действие упругого отпора учитывается в той части обделки, где
есть перемещение ее в сторону породы. Граница, где деформация
обделки от перемещений в сторону породы переходит внутрь вы-
работки, условно называется «границей отлипания» обделки. Сле-
довательно, участок отлипания является безотпориым участком,
что имеет место обычно в сводовом участке обделки. Для расчета
предварительно назначается толщина обделки е по аналогам или
графику рис. 28.8 в зависимости от ширины туннеля В. Минималь-
ная толщина обделок бетонных монолитных и железобетонных с
242
однорядной арматурой — 20 см, с двухрядной арматурой — 25 см,
из набрызг-бетона несущих—10 см, выравнивающих — 5 см, из
железоторкрета —5 см.
2. Рабочие схемы для расчета обделок. Для определения напря-
женного состояния обделки существует несколько методов, отли-
чающихся степенью точности расчета. Точность расчета обделки
зависит от учета взаимодействия ее с окружающей горной породой
и определения объемов горной породы, вовлекающейся в работу
совместно с обделкой с учетом времени развития деформаций по-
роды. Вопрос этот достаточно сложный.
Рис. 28.7. Зависимость йуд от
/к для трещиноватых пород
Рис. 28.8. График для определения
ориентировочной толщины е обделки
безнапорных туннелей:
1 — бетонных; 2 — железобетонных
Можно отметить две основные схемы для расчета обделок, ко-
торые получили в настоящее время наибольшее развитие.
Первая схема, по которой нагрузки, действующие на обделку,
считаются заданными. В том числе задана и граница отлипания,
упругий отпор * в виде эпюры известного очертания, горное давле-
ние, определяемое по гипотезе М. М. Протодьяконова, основанной
на теории сыпучих тел. Схема весьма условна, так как наличие
этих сил возможно при отсутствии одновременного перемещения
обделки и породы, когда имеются упругие деформации породы —
деформации без нарушения сплошности, а сыпучее тело как бы не
примыкает к обделке и возможно образование свода обрушения.
Обделка принимается как тонкий кривой брус.
Наиболее распространенным и простым является метод, пред-
ложенный для замкнутой обделки Г. Г. Зурабовыми О. Е. Бугаевой
[43] (рис. 28.9). В расчете учитывают силы трения, действующие
* Упругий отпор, силы трения между породой и обделкой являются важны-
ми факторами при расчете обделки, существенно влияющими на толщину обдел-
ки, поэтому учету их посвящены исследования Г. К. Клейна, Н. М. Виноградова,
В. С. Эрнстова, Л. М. Емельянова и др.
243
между обделкой и породой. При расчете наиболее распростра-
ненных профилей безнапорных туннелей используют вспомогатель-
ные таблицы. В настоящее время метод Г. Г. Зурабова и О. Е. Бу-
гаевой используется обычно для быстрых ориентировочных опре-
делений толщины обделки. В аналогичном методе, предложенном
Н,. Л. Бурдзгла, вместо сил трения учитывают силы сцепления
обделки с породой.
При расчете, предложенным С. С. Давыдовым, при заданных
нагрузках рассматривают упругий обжимаемый слой породы,
равный глубине заложения выработки, что уточняет расчет об-
делки.
а)
б)
Рис. 28.9. Схемы к расчету обделки замкнутого профиля методом
Г. Г. Зурабова и О. Е. Бугаевой:
а—основная система; б—расчетная система
Не менее распространенным и рекомендованным методом в
СССР и за рубежом является метод Метропроекта, предложенный
Б. П. Бодровым, Л. И. Гареликом, Б. Ф. Матэри и др., в котором
учитывают совместную деформацию обделки и породы. Метод Мет-
ропроекта имеет ряд недостатков: эпюру упругого отпора прини-
мают ступенчатой; все нагрузки переносят на осевую линию, хотя
они приложены на значительном расстоянии от нее — на поверхно-
сти обделки; обделка плавноизогнутая, представляется ломанной
стержневой системой.
Расчеты на заданную нагрузку с возможностью образования
свода обрушения в крепких породах не соответствуют действитель-
ности, так как установленная крепь работает в условиях совместно-
сти перемещений с окружающим массивом. Учет горного давления
по методу М. М. Протодьяконова применим для сыпучих пород, в
прочных породах определение горного давления по этому методу
не правомочно.
Вторая схема основана на решении контактной задачи, в кото-
рой в процессе работы обделки контакт ее с окружающей массой
породы не нарушается. Внешние нагрузки задавать не требуется,
244
они определяются из решения. В развитие этой схемы большой
вклад внесли Б. Г. Галеркин, В. Л. Федоров, В. В. Матвиенко,
К. В. Руппенейт и др. Решены задачи главным образом для обде-
лок кругового очертания методом теории упругости, а также для
условий возникновения вокруг выработки области предельного^
равновесия. Для обделок некругового очертания для прочных по-
род эта схема применена Н. Н. Фотиевой. Задача решается с помо-
щью метода конформных отображений и теории упругости при дей-
ствии на обделку основных видов нагрузки. Разработан метод рас-
чета на ЭВМ.
3. Расчет обделки свода постоянной толщины с упруго заделан-
ными пятами производится аналогично расчету, приведенному в
гл. 13 для колец кругового очертания арочных плотин. Отличие
имеется в характере нагрузки: нагрузка — равномерно распреде-
ленное горное давление — вертикальна; учитывается упругая подат-
ливость пят (коэффициент податливости k). Для кругового свода
с пятами, наклоненными к горизонту под углом 30°, расчет дан
в [43].
4. Расчет обделки замкнутого профиля по методу Г. Г. Зурабова
и О. Е. Бугаевой ведут на действие сил: вертикальное и боковое-
горное давление q и е, масса обделки g (масса 1 м2 поперечного
сечения), давление грунтовых вод и воды, наполняющей туннель,,
упругий отпор и силы трения между породой и обделкой в зоне
действия упругого отпора. Упругий отпор kbh (где б/,— радиальное
перемещение) принят направленным нормально к поверхности об-
делки. Верхняя граница «отлипания» расположена в сечении (см.
рис. 28.9), нормаль к поверхности которого расположена под углом
Ф1 = 45° к вертикальной оси туннеля. Нижняя граница «отлипания»
расположена под углом фп между нормалью к оси свода обделки
в сечении пяты и вертикальной осью обделки. Максимальное зна-
чение kfth достигает на горизонтальной оси туннеля. Силы трения
Т = fK^h, где f — коэффициент трения.
Статически неопределимая система, которую представляет со-
бой обделка, решается методом сил по схеме рис. 28.9. Связь с по-
дошвенной плитой (лотком) заменена реакцией опоры Ро как сум-
ма вертикальных проекций всех внешних сил с учетом отпора и
сил трения, в том числе Х\ и х%, действующих на полусвод, и мо-
ментом тех же сил Мо.
Для корытообразного и подковообразного профиля обделки
даются вспомогательные таблицы, существенно облегчающие рас-
чет [43].
§ 28.4. НАПОРНЫЕ ТУННЕЛИ
1. Условия применения и формы сечения напорных туннелей.
Напорные туннели применяют в случае, когда при любом уровне
воды питающего водоема пьезометрическая линия проходит с не-
которым запасом выше шелыги свода туннеля, а также когда по
топографическим, геологическим условиям их строить экономически
245
выгоднее. Напорные туннели испытывают, как правило, большое
внутреннее гидростатическое давление, обделка работает обычно
на растяжение и нанлучшей формой при этом является ее круговое
очертание. В производственном отношении при горном способе
работ круговая форма выработки более сложна, чем, например,
выработка с вертикальными стенами. На основе анализа всех фак-
торов и технико-экономического сопоставления вариантов решается
выбор профиля туннеля. Напорный туннель может иметь и не кру-
говое очертание.
2. Характер работы обделок напорных туннелей в строительном
и эксплуатационном периоде различен. В строительном (ремонт-
ном) периоде обделка испытывает нагрузки от горного давления,
собственной массы, давления подземных вод и работает обычно на
сжатие. В эксплуатационном периоде внутреннее гидростатическое
давление превосходит внешнее давление и обделка работает на рас-
тяжение, причем окружающая порода воспринимает внутреннее дав-
ление совместно с обделкой. Чем выше крепость породы fK, коэф-
фициент упругого отпора k и плотнее контакт между обделкой и
породой, тем большую часть нагрузки может воспринять окружа-
ющая порода. Может быть, что порода воспримет всю нагрузку от
гидростатического давления и тогда потребуется только выравни-
вающая облицовка или облицовка для обеспечения водонепрони-
цаемости. Плотный контакт обделки с породой достигается нагне-
танием в контакт под большим давлением цементного раствора
(цементации). Под давлением же можно получить предварительное
напряжение сжатия в обделке. Цементацией самой породы можно
существенно увеличить ее упругий отпор.
3. Конструкция обделок напорных туннелей. В указаниях по
проектированию гидротехнических туннелей рекомендуются следу-
ющие типы обделок: а) бетонные — монолитные, монолитные с
укрепительной цементацией, из набрызг-бетона, б) железобетон-
ные—монолитные, монолитные с укрепительной цементацией, из
монолитного набрызг-бетона, в) комбинированные (двухслойные)
с наружным монолитным бетонным кольцом и внутренней стальной
оболочкой, с наружным монолитным бетонным кольцом или сбор-
ной железобетонной обделкой и внутренней железоторкретной обо-
лочкой.
Выравнивающие и противофильтрационные облицовки приме-
няют в крепких породах. В отличие от безнапорных туннелей обли-
цовку делают по всему периметру обделки.
Однослойные монолитные обделки устраивают в крепких поро-
дах с /к>3 при напорах до 60 м и глубине заложения не меньше
величины напора воды. В слабых породах с большим горным дав-
лением (/к<1) при напорах до 60—100 м применяют железобетон-,
ные обделки с однорядной и двухрядной арматурой (см. рис. 28.6,
в, г). Если радиальные деформации обделки превышают 0,5ч-1 мм,
приходится применять дорогостоящие стальные облицовки, полно-
стью воспринимающие внутреннее давление. Для обделок, не тре-
бующих большой толщины, применяют шприц-бетон. Он обладает
246
высокой прочностью, может быть нанесен сразу же после проходки,
тем самым препятствуя развитию деформаций породы — горного
давления.
Рис. 28.10. Сборные и предварительно напряженные обделки:
а, б — из отдельных блоков; 1 — раствор; 2 — отверстия для сборки и нагнетания
цементного раствора 1; 3 — кольцо, в — обжатая комбинированная обделка с внеш-
ним бетонным кольцом 4; г — бандажированная обделка напорного туннеля; 5 — гри-
бовидный вкладыш; 6 — трубка для нагнетания цементного раствора 9; 7 — трос
(бандаж) с натяжением 1200—1400 кН в плоских коробках; 8 —домкрат; д— стык
с натяжной арматурой; е — эластичный стык
Однослойные сборные обделки из цельнозамкнутых колец круг-
лой или овальной формы (см. рис. 28.15) применяют взамен моно-
литных в туннелях малых сечений. Минимальная толщина колец
не меньше 0,12 м. Выработки туннелей больших размеров крепят
отдельными блоками (рис. 28.10, а, б). В одном туннеле с наруж-
ным диаметром 8,2 м применена обделка из четырех блоков шири-
ной 0,75 м, толщиной 0,5 м, массой по 6 т. Стыковка блоков произ-
247
водится следующим образом. Каждый блок имеет петлевые выпус-
ки арматуры, в которые вставляют стержни и стык омонбличивают
бетоном. В сочетании с щитовой проходкой четырехблочная обдел-
ка оказалась экономичней монолитной. К недостаткам сборных кон-
струкций относится сложность заделки стыков, простои в работе
в период схватывания бетона. В крепких породах, воспринимающих
все гидростатическое давление, В. С. Эристов предлагает заделы-
вать стыки (рис. 28.10, е) эластичными материалами, резиной или
пластмассой.
Нагнетание раствора за обделку в крепких породах позволяет
одновременно обжать сборные элементы и окружающую породу,
что может увеличить эффект сборной обделки (рис. 28.10, а, б, в).
В слабых породах хороший эффект может дать предварительное
напряжение обделки путем натяжения пучков высокопрочной про-
волоки (рис. 28.10, г).
Комбинированные (двухслойные) обделки выполняют в виде
двух колец: внешнего бетонного, воспринимающего нагрузку в пе-
риод строительства, и внутреннего железоторкретного, железобе-
тонного, возводимого во вторую очередь. Внешнее кольцо может
быть выполнено из сборных бетонных блоков, металлических тю-
бингов (рис. 28.10, в).
Изоляцию и дренаж обделок напорных туннелей устраивают
так же, как и безнапорных.
§ 28.5. СТАТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ НАПОРНЫХ ТУННЕЛЕЙ
1. Методы статического расчета обделок напорных туннелей ба-
зируются на решении задач теории упругости для упругого кольца,
находящегося в упругой среде и нагруженного внешними и внутрен-
ними силами. Для быстрых предварительных расчетов обделок на
внешние силы используется метод О. Е. Бугаевой, где все нагрузки
заданы, а толщина обделки для начала расчета принимается по
эксплуатационному периоду работы обделки, находящейся под
действием внутреннего давления воды под напором. В этом перио-
де расчета часть п внутреннего гидростатического давления Р, за-
висящая от величины упругого отпора k (см. рис. 28.17), воспри-
нимается обделкой (рис. 28.11, а), а остальная часть — породой.
По рис. 28.11, б определяется ориентировочно толщина обделки в
долях диаметра по величине Р0 = пР.
На внутреннее давление воды расчет ведется с учетом упругой
работы породы, окружающей обделку.
2. Расчет однослойных обделок кругового очертания. Расчет на
действие внешних сил производится по схеме, аналогичной расчету
обделок безнапорных туннелей. Силы упругого отпора &ба направ-
лены нормально к поверхности обделки и действуют только там,
где обделка перемещается на породу. Граница эпюры упругого
отпора принята под углом 45° к вертикальной оси туннеля (рис.
28.12). Упругий центр совпадает с геометрическим центром об-
делки.
248
От гидростатического и горного давлений, собственного веса об-
делки в ее замковой части появляются растягивающие напряже-
ния, что может привести к образованию трещин или при недопу-
Рис. 28.11. График для ориентировочного определения толщины обделки на-
порного туннеля е по отношению к его диаметру D
стимости трещин придется сильно увеличить толщину обделки. Для
уменьшения момента в замке круглую форму туннеля можно не-
сколько изменить, например вве-
сти горизонтальную вставку, в
которой момент от внутреннего
гидростатического давления име-
ет обратный знак по сравнению
с моментом от горного давления
(предложение С. К- Шаншиева).
Расчет на внутреннее гидро-
статическое давление с учетом уп-
ругого отпора породы производят
при условии, что величина гидро-
статического давления меньше ве-
са породы над туннелем.
Рассматривая обделку, рабо-
тающую на растяжение в упругой
Рис. 28.12. Нагрузки на обделку тун-
неля кругового очертания
среде, напряжения растяжения
можно определить по формуле Б. Г. Галеркина
1-Х +~[l+X(l-2p)]
Г*
0== <2—1 +X[i2(l — 2p.) + l] ’
(28.18)
i = rH/rB; N = kra (1'+ p)/£,
где ц и £ — коэффициент Пуассона и модуль упругости материала
обделки (в слабых породах k и N равны нулю).
24»
Шаншиев С. К-* несколько изменил формулу (28.18), вместо k
введено в формулу k = k0- 100/гн и тогда после преобразований
Г, (гн/г в)2 + А
а = Р--------------;
(г нЛ’в)
А 0,01Дб—(1 + и) &0
0,01Е б + (1 + Р-) (1 2р.) йо
и толщина обделки
(28.19)
(28,20)
3. Расчет двухслойных (ком(
ся в зависимости от характера
Рис. 28.13. Схемы к расчету обделки
приближенным методом Метро-
проекта:
а — действующие усилия и введение шар-
ниров; б — замена усилий узловыми нагруз-
ками
силами, сосредоточенными в вершинах
ются введением парных моментов Л1,
уравнений:
инированных) обделок производит-
работы обделки: в период строи-
тельства воспринимает нагрузки
наружная обделка, в период экс-
плуатации работает двухслойная
обделка. При этом в расчете по
первой группе предельных состоя-
ний учитывается только жесткость
арматуры.
4. Расчет обделок туннелей методом
Метропроекта пригоден для различного
очертания обделки при любом виде и
сочетании нагрузок, для различых ха-
рактеристик пород по первому и второ-
му предельным состояниям. Расчет ве-
дется методом сил. Криволинейная ось
обделки заменяется ломаной с шарнира-
ми в местах перелома, а упругий отпор
породы представляется реакциями R от-
дельных упругих опор, которые прини-
маются по оси обделки и в местах ее
перелома (рис. 28.13). Упругий отпор
действует на части периметра обделки.
Границы действия упругого отпора на-
зываются «зонами отлипания». Сводо-
вая часть рассматривается как трехшар-
нирная арка (101), опирающаяся на
боковые шарнирные цепи. Внешние на-
грузки и упругие реакции заменяются
многоугольника. Повороты компенсиру-
оторые определяются из канонических
^0800 + + • • • + ^rfion + 8од = 0,
^0^10 + ^1811 + ... + + 81р = 0 и т. д.
(28.21)
^О&лО + + ... + M/finn + ^>пр ==0,
* Шаншиев С. К,. Однослойные обделки напорных туннелей. Тбилиси, 1951.
250
где
с L V RiRk
d
s + ^.
(28.22)
Mi и JVi — моменты и нормальные силы от действия парных единичных момен-
тов, приложенных в точке t; Мь и Nk — то же, от парных моментов, приложен-
ных в точке k\ Jm, Fm, S — момент инерции, площадь сечения, длина т-го
стержня; D = keam — показатель жесткости опоры шириной е и длиной ат\ Ri,
Rk—реакции опор в точках i и k от действия парных единичных моментов;
6ij> — перемещения по направлению неизвестных М, от парных моментов в точ-
ке k и от нагрузок. Когда они определены, можно найти изгибающие моменты,
нормальные силы в любом сечении статически определимой системы.
Моменты, продольные силы N и реакции опор R определяются по форму-
лам:
= М;р + '
Ni = Nip + ik',
Ri = Rip “Ь ILMkRtk-
(28.23)
Расчет приходится производить несколько раз, так как граница отлипания
в первом приближении задается ориентировочно и последовательными приближе-
ниями уточняется. При учете сил трения упругие опоры рекомендуется повернуть
на половину угла трения. Расчет по этому методу весьма трудоемок и произво-
дится обычно на ЭВМ по разработанным программам.
5. Проверка несущей способности обделки по предельным состоя-
ниям. Расчетные нагрузки в обделке N, наибольшие во время эк-
сплуатации туннеля, должны быть равны нормативным № с учетом
коэффициента перегрузки п и не более минимальной несущей спо-
собности конструкции Д/'пр с учетом формы конструкции S, норма-
тивного сопротивления сжатию при изгибе /?н, коэффициента неод-
нородности материала k и коэффициента условий работы т:
N = < М,ф < f (S, Rn, k, т). (28.24)
Последовательно рассматриваются условия работы обделки
толщиной е по всем видам предельных состояний и определяется
ее минимальная несущая способность. Сначала происходит образо-
вание трещин, которое приводит к изменению статической схемы
работы обделки с образованием пластических шарниров и работой
материала только на сжатие в условиях статически определимой
системы. При этом возрастает нагрузка и нормальная сила, умень-
шается эксцентриситет сил, и при достижении им значения, рав-
ного 0,225 е, наступает хрупкое разрушение сечения.
При расчетах с образованием пластических шарниров принцип
независимости действия сил неприменим. Обделка должна рассчи-
тываться на одновременное действие всех нагрузок.
Бетонные монолитные обделки, обладающие большой жесткос-
тью, рассчитываются по двум предельным состояниям: по несущей
способности и раскрытию трещин. Предельное состояние всей об-
251
щелки определяется наиболее напряженным ее состоянием, которым
является обычно для безнапорных туннелей и внешней обделки на-
порных туннелей замковая часть; здесь наибольшие растягивающие
напряжения, так как эксцентриситет нормальной силы а0 достигает
наибольшего значения <20 = ^i/^2, где х2 — нормальная сила от
единичной вертикальной нагрузки.
Предельной нагрузкой Wnp будет нагрузка, при которой обра-
зуются трещины
N„p — mtleRp, (28.25)
так как она предшествует хрупкому разрушению конструкции под
нагрузкой
= 0,55/га/е/?н, (28.26)
е \ е )
t =--------------------,
/'вар __ 1'\ 2 2£1_
\ е ) е
где I — рассматриваемая ширина обделки; е — толщина ее; /?р—
нормативные напряжения при растяжении; а — размер эпюры рас-
тягивающих напряжений — глубина раскрытия трещины. Размер
эпюры сжимающих напряжений равен е2=-е—ei-
Армированные конструкции рассчитываются по рекоменда-
циям [141].
§28.6. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ
1. Способы проходки туннелей * во многом зависят от характе-
ра породы.
В слабых неустойчивых породах проходка ведется или горным,
или щитовым способом.
При горном способе выработка породы производится в строгой
последовательности по частям сечения с креплением проходки. Для
постановки деревянной, железобетонной или стальной крепи необ-
ходимо увеличивать размеры выработки породы относительно раз-
меров обделки. Это увеличение называется «перебором». Часто не
удается снять временную крепь и заменить ее обделкой из-за воз-
можных обвалов породы и тогда временная крепь остается за пре-
делами обделки. Переборы увеличивают объемы и сроки работ. Их
в ряде случаев можно свести до минимальных размеров путем
быстрой установки после взрыва породы анкерной (штанговой)
крепи. На рис. 28.14 показана схема анкера с распорным замком,
который заводится в пробуренный шпур в область породы, не под-
верженной деформации. Анкер 1 ввинчивается в гайку 3, которая
входит в распорную разрезную гильзу 4, раздвигая ее заершенные
* Приводятся лишь краткие сведения по данному вопросу. Подробнее см.
в [76].
252
Рис. 28.14. Схемы анкеров:
а — установка анкеров; б—анкер с распорным
замком; / — анкер; 2— зона нарушенной поро-
ды; 3 — коническая гайка; 4 — распорная раз-
резная гильза
лепестки. Лепестки создают трение о стенки шпура, что препятст-
вует вырыву анкера из скалы. Второй конец анкера стягивает по-
роду, пытающуюся вывалиться. Существуют и другие типы анке-
ров, в том числе железобетонные. Несущая способность одного ан-
кера в среднем 5-4-12 т, ко-
личество их определяют по
расчету [141]. Анкерную
крепь применяют в породах
с ffe^s4.
Щитовой способ проход-
ки дает возможность разра-
батывать породу на полный
профиль, так как он осуще-
ствляется с помощью метал-
лического цилиндра — щита,
имеющего очертание по про-
филю туннеля и продвигаю-
щегося с помощью домкра-
тов. Прн устройстве обделки
обратная сторона щита явля-
- ется опалубкой. Когда об-
делка наберет соответствую-
щую прочность, в нее упира-
ют домкраты, продвигаю-
щие щит. Для удобства передвижки щита его устраивают разбор-
ным или складывающимся. Щитовой способ проходки экономич-
нее горного и дает возможность практически полностью механи-
зировать разработку забоя, а также вести устройство обделки из
сборных элементов (рис. 28.15)., ускорить темпы работ. При нали-
чии напорных грунтовых вод проходку приходится вести с уст-
ройством шлюзовых отсеков с подачей в них сжатого воздуха или
с водопонижением.
Проходка в прочных породах ведется обычно на полный про-
филь без установки крепей даже при пролетах до 18 м. При нали-
чии слоистых пород и возможности деформации их устраивают
крепи в виде полигональных, арочных стальных конструкций или
анкеров. Туннели без обделок могут иметь постоянное анкерное
крепление лучше из железобетонных акеров, менее подверженных
ржавлению.
В скальных породах выработку ведут с помощью буровзрывных'
работ. Процесс бурения шпуров трудоемкий, но может быть пол-
ностью механизирован за счет использования самоходных буро-
вых установок, рам с большим количеством бурильных машин.
В последнее время широко применяют гладкое взрывание (ко-
роткозамедленное) и способ предварительного откола породы, ко-
торые позволяют свести переборы до минимума и дают достаточно
гладкую поверхность с коэффициентом шероховатости п=0,02-?0,03.
При гладком взрывании среднюю часть выработки проходят обыч-
ным способом, оставляя недобор по 504-60 см породы до проектно-
253
го контура. Затем точно по проектному контуру в недоборе бурят
шпуры малого диаметра через 20 см друг от друга и через два шпу-
ра заряжают взрывчатое вещество (ВВ).
При разработке породы короткозамедленным взрыванием заря-
ды взрывают не сразу, а с миллисекундным замедлением, сначала
в средней части и в последнюю оче-
редь по контуру.
При способе предварительного
откола по проектному контуру вы-
работки бурят скважины диаметром
504-60 мм через 454-60 см и заря-
жают рассредоточенными зарядами.
В результате взрыва образуется по
контуру достаточно гладкая трещи-
на. Затем разрабатывают породу в
Рис. 28.15. Цельнозвенный способ
возведения обделки:
1 — щит; 2 — звенья; 3 — укладчик
напор под шелыгой должен
обычном порядке.
Условия труда при проходке тун-
нелей довольно тяжелые. Особенное
внимание уделяется вентиляции под-
земных выработок.
2. Трасса туннелей и его высот-
ное положение выбирают на основе
технико-экономических сопоставле-
ний вариантов. При этом назначают-
ся варианты трассы с наиболее бла-
гоприятными инженерно-геологиче-
скими и гидрогеологическими усло-
виями в крепких породах без зна-
чительного горного давления и тек-
тонических нарушений, оползней,
карстов, притока грунтовых вод,
благоприятных в санитарном отно-
шении, а также конкурирующие по
экономическим показателям и усло-
виям производства работ.
Высотное положение туннеля и
уклоны определяют его гидравличе-
скими условиями, заданным положе-
нием водоема и условиями сброса из
него воды. В напорном туннеле на
всем его протяжении минимальный
быть не менее 15004-2000 Па
(1,54-2 м вод. ст.).
В плане трасса туннеля должна быть минимальной длины и по
возможности прямолинейной. При скорости движения воды в тун-
неле до 10 м/с углы поворота трассы должны быть не более 60°,
при радиусе закругления более пяти пролетов туннеля. При боль-
ших скоростях углы поворота и радиусы определяются лаборатор-
ными исследованиями. Концевые участки туннеля на длине не ме-
254
нее пролета выработки и не менее 6 м делаются прямолинейными.
Подводящие и отводящие каналы, порталы располагают в местах,
не подверженных воздействиям тектонических сдвигов, оползней,
обвалов, камнепадов. Стоимость 1 м подводящего и отводящего
каналов обычно не должна превышать стоимости 1 м туннеля.
В условиях производства работ рассматриваются варианты по
числу забоев, т. е. рабочих участков туннельной выемки. Для уско-
рения работ и облегчения вентиляции, улучшения условий откатки
породы от каждой шахты (забоя) назначается длина выработки
не более 2-нЗ км. Если оказывается целесообразным делать дли-
ну выработки с одного забоя большей, то устраивают вспомога-
тельные шахты или горизонтальные штольни для улучшения вен-
тиляции и облегчения условий откатки породы.
Выбор трассы туннеля, высотного его положения органически
связан с выбором поперечного его сечения и представляет тру-
доемкую технико-экономическую задачу.
3. Экономика и организация туннельных работ. В настоящее
время характерным является строительство туннелей больших се-
чений— 180 м2 и более (см. § 28.1). Скорость их проходки дости-
гает 180^-200 м в месяц. Резкое сокращение стоимости и сроков
строительства туннелей возможно на основе научно-технического
прогресса: а) использования лучших образцов механизмов, ком-
байнов и механизацией всех видов работ с разработкой новых об-
разцов машин; б) разработки и внедрения новых видов разруше-
ния скальных пород— огневых, ультравысокочастотных, лучами
лазера и других для безвзрывной проходки; в) разработка совер-
шенных конструкций обделок и методов расчета прочности с ис-
пользованием несущей способности скалы; г) повышения уровня
организации подземных работ.
РАЗДЕЛ VII
РЕГУЛЯЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
ГЛАВА 29
МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЧНЫХ РУСЛ
§ 29.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕГУЛИРОВАНИИ РЕЧНЫХ РУСЛ
1. Задачи и виды регулирования (выправления рек). Речной
поток в его естественном состоянии не всегда может быть исполь-
зован для различных водохозяйственных целей. Этот же поток не-
редко приносит большой ущерб народному хозяйству при навод-
нениях и затоплениях в период паводков вследствие обрушений бе-
регов, блуждания речного русла (ухода от населенных пунктов),
обильных отложений наносов, засыпающих песком, илом и кам-
нями культурные земли, строения.
Искусственное изменение потока в нужном для народного хо-
зяйства направлении и борьба с отрицательными проявлениями его
режима проводятся путем так называемого регулирования (вып-
равления) потоков. Поскольку режим реки определяется условия-
ми водного стока и эрозионной деятельностью воды в речном рус-
ле и на склонах бассейна, постольку и мероприятия по регулиро-
ванию рек касаются режима водного стока и режима эрозии
(русловых процессов).
Мероприятия, изменяющие режим водного стока, т. е. приводя-
щие к регулированию стока, осуществляются путем возведения гид-
роузлов и создания водохранилищ. Мероприятия, связанные с воз-
действиями на процессы эрозии русл, не изменяющие режима сто-
ка, осуществляются при помощи регуляционных или выправитель-
ных сооружений и относятся к регулированию (выправлению)
речных русл (эрозионной деятельности реки).
Регулирование стока составляет предмет отдельной дисципли-
ны; здесь освещается только регулирование русловых процессов
и их связь с происхождением и колебаниями водного стока.
2. Некоторые данные по теории эрозии. Принципы регулирова-
ния эрозионной деятельности речных потоков основываются на тео-
рии эрозионных явлений. Последние, однако, представляют весьма
сложный процесс, не поддающийся пока надежному анализу и ос-
вещаемый лишь приближенными зависимостями.
Воздействие равномерно движущегося потока на его русло
может быть оценено простейшим образом, так называемой силой
влечения, являющейся по существу касательным напряжением в
плоскости дна
S=.?ghl, (29.1)
256
где р — плотность воды; g — ускорение силы тяжести; h — глубина
потока; 1 — уклон водной поверхности.
Сопротивление сдвигу, оказываемое 1 м2 верхнего слоя несвяз-
ного однородного грунта толщиной di, равной диаметру частиц, и
плотностью рь выражается величиной
R = ±1), (29.2)
где f — коэффициент внутреннего трения несвязного грунта; i —• ук-
лон дна потока.
Условие устойчивости будет соблюдаться при выполнении не-
равенства R>S, откуда следует, что диаметр однородных несвяз-
ных частиц грунта дна реки, которые не смываются потоком, дол-
жен удовлетворять уравнению
Д >
____________Р___________
(Pi — Р) (/ ± О
hl = Ahl.
(29.3)
Если на ровном дне потока находится отдельная частица нес-
вязного грунта, например, в форме кубика со сторонами d%, пре-
вышающими по размерам частицы дна d\, то гидродинамическое
давление потока па эту частицу равно
»1 ,
Р = k? d2,
где k — коэффициент обтекания частицы (учитывающий и подъем-
ную силу); щ — средняя скорость набегания потока на частицу,
причем и1 = ап = аСУ hr, а — коэффициент; v— средняя скорость,
вычисленная по всей глубине потока; С — коэффициент Шези.
Условие устойчивости такой частицы имеет вид
«1 2
^1^(Р1— р)(/ ± 0 > k?~' (29.4)
Отсюда можно определить размер частицы, которая не будет
сдвинута потоком
йРи1 £ра2С2
d2 > -------!-----==---------------Ы = ВЫ. (29.5)
2g(Pi—р)(/±0 2g-(р!— р)(/ ± I)
Сопоставляя значения А из формулы (29.3) и В из формулы
(29.5), можно видеть, что В в £a2C2/2g~0,05C2 раз больше А
(практически в десятки и сотни раз). Следовательно, одиночные
крупные частицы (например галька) могут двигаться в потоке,
дно которого сложено из значительно более мелких частиц (напри-
мер, песка), остающихся в покое.
В реальных условиях явление размыва русла и движения на-
носов представляет собой очень сложный процесс. Частицы песка
имеют различные размеры и передвигаются в форме песчаных волн,
перемещающихся по дну потока, причем частицы перекатываются
и скользят по дну или переходят во взвешенное состояние. Движе-
9—1777
257
ние придонных частиц разных размеров в одном и том же потоке
происходит в разных формах, подчиняясь закономерности, кото-
рая весьма приближенно может быть выражена в виде
d < ф/г/ или d < <fv^, (29.6)
где ф или ф — коэффициенты, зависящие от формы, размеров час-
тицы и ее положения в общей массе частиц.
Существует много формул для определения средней неразмы-
вающей скорости потока и11р, при которой начинается движение дон-
ных наносов. При уменьшении скорости течения v потока частицы
соответствующей крупности, согласно закону, выраженному зави-
симостью (29.6), осядут на дно, при увеличении скорости v, наобо-
рот, начнут двигаться по дну еще более крупные частицы. В рус-
лах, сложенных из связных грунтов, процессы эрозии аналогичны,,
но в сопротивлении грунта размыву участвуют и силы сцепления,
которые в плотных грунтах могут быть значительными, поэтому
связные грунты труднее размываются.
Количество передвигаемых рекой донных наносов (расход) мо-
жет быть определено лишь весьма приближенно различными эм-
пирическими формулами (например, В. Н. Гончарова, И. И. Леви,
и др.).
3. Формирование речных русл. Формирование речного русла
происходит при взаимодействии сил потока и сопротивления грун-
та ложа размыву. В естественных руслах в потоке развиваются по-
перечные циркуляции струй, и русло из прямолинейного неизбежно
превращается в криволинейное в плане с неравномерным распреде-
лением глубин как по поперечному сечению, так и по продольному
профилю. Помимо эрозии дна (или глубинной эрозии) в резуль-
тате поперечной циркуляции и действия центробежных сил на кри-
волинейных участках развивается боковая эрозия, что приводит
к постоянным перемещениям русла среди наносных отложений реч-
ной долины, блужданию русла, разрушению берегов, образованию
отмелей, кос.
Процессы эрозии особенно сильны в период паводков, в част-
ности ливневых, в руслах они проявляются там, где происходит
изменение скоростей течения: при искривлении русла, делении на
рукава, впадении притоков и т. п.
Если рассматривать бассейн реки в целом ( рис. 29.1), то мож-
но отметить, что продольные уклоны в верхнем течении реки явля-
ются наибольшими и уменьшаются вниз по течению, приближаясь
к нулю в устье. Поэтому в верховьях реки преобладает глубинная
эрозия, река постепенно, врезается в грунт дна, русло понижается;
продукты размыва (наносы) перемещаются потоком вниз по те-
чению. В нижнем течении, где уклоны и скорости уменьшаются,
происходит преимущественно аккумуляция, т. е. общее отложение
наносов, принесенных сверху, повышение дна реки, удлинение и ис-
кривление русла в плане. В среднем течении наблюдаются и
глубинная эрозия, и аккумуляция; наносы приносятся сверху и
сносятся вниз. Наблюдается как бы временное объемное равнове-
258
сие между отложением и размывом. Боковая эрозия особенно раз-
вивается под действием циркуляционных течений.
4. Основные направления воздействия на эрозионные процес-
сы. Регулирование русл в верхнем течении должно быть направле-
но главным образом на борьбу с глубинной эрозией (понижением
Продольный профиль реки
Глубинная
Среднее
течение
Верхнее
течение
I Аккумуляция
J (поднятие русла)
| Нижнее течение
, Временное равновесие
। эрозия
I (опускание дна)
| .____ч Область
| - ( эрозии
I fex КонУс
выноса
боковая эрозия
План реки.
Формы русла.
Понижение
русло
старые
русла
Рис. 29.1. Схема эрозионных процессов в реке (по Ф. Шаффернаку)
дна реки), в среднем — на борьбу с боковой эрозией (блуждания-
ми русла) и в нижнем — на борьбу с отложением наносов и по-
вышением диа реки. Мероприятия, проводимые в верхнем течении
по борьбе с эрозией, отражаются на режиме нижних участков
-вследствие уменьшения объема приносимых сверху наносов, регу-
лирование любого участка русла оказывает значительное влияние
на режим нижележащих участков. В период паводков, когда в ре-
ке наблюдаются самые большие расходы и скорости течения воды,
воздействия потока на русло наиболее сильны и резки, поэтому ре-
9* 259
гулирование стока, снижающее высоту и объем паводков, благот-
ворно влияет и на регулирование эрозионной деятельности по-
тока.
§ 29.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЕРХОВЬЕВ РЕК И ПОТОКОВ
1. Борьба с эрозией и разрушением склонов бассейна. Процесс
эрозии реки начинается с размыва склонов речного бассейна, про-
исходящего под действием стекающей по нему атмосферной воды
(дождевой, от таяния снега). Размыв склонов дополняется мест-
ными обрушениями земляных масс, оползнями, осыпями, обвала-
ми, происходящими главным образом вследствие действия грунто-
вых вод и подмыва подножья склона речными водами, а также в
результате процессов выветривания и действия атмосферных осад-
ков.
Продукты разрушения склонов в виде песчаных и глинистых
масс, щебня и камня попадают в речные русла и уносятся затем во-
дой в виде наносов — донных или взвешенных. Борьба с разру-
шениями склонов приводит поэтому к уменьшению поступления
наносов в реку и обеспечивает возможность использования самих
склонов, особенно горных, для культурно-хозяйственных целей.
Соответствующие меры заключаются прежде всего в повышении
сопротивляемости склонов размыву путем создания и поддержания
на склонах травяной и древесной растительности, ведения правиль-
ного лесного хозяйства, сохраняющего лес и почву склонов, и при-
нятия мер против вытаптывания растительности пасущимся ско-
том.
Однако эффект указанных мероприятий может проявиться
лишь через несколько лет, в течение которых скорость смыва почвы
может иметь катастрофические последствия. В этих случаях при-
нимают меры к уменьшению размывающей силы поверхностного
стока путем устройства валиков, террас и канав (рис. 29.2), за-
держивающих сток. Валики 1 делают примерно по горизонталям
склона, накопившаяся за ними вода частично просачивается в
грунт, что благоприятствует развитию вдоль валиков раститель-
ности, а частично стекает по особым деревянным или бетонным лот-
кам 2, это ведет к уменьшению глубины слоя стекающей воды h, а
следовательно, и влекущей силы S [см. формулу (29.1)]. Полезно
также устройство палисадов, плетней и заборов, задерживающих
размытые и движущиеся вниз частицы грунта, образующие затем
терраски (рис. 29.2).
Источником засорения русл в горных районах являются также
снежные лавины, обрушивающиеся по крутым склонам иногда со
значительной скоростью (до нескольких десятков метров в секун-
ду) и увлекающие за собой поверхностные слои грунта.
Эффективными мерами против лавин являются облесение скло-
на и устройство заграждений из кольев, свай, отбойных каменных
стен, лавинорезов, направляющих шпор, располагаемых по лини-
ям, нормальным к направлению движения лавины. Осыпи горных
260
склонов из продуктов выветривания мергелистых, сланцевых и дру-
гих пород происходят после сильных дождей и ливней, пропиты-
вающих водой выветрившуюся массу. Борьба с ними ведется пу-
тем перехватывания воды нагорными канавами, лотками, дренажа-
ми и задержания осыпающегося грунта различными заграждениями:
плетнями (рис. 29.2), палисадами из толстых кольев или свай, за-
борами из жердей, а иногда металлических сеток.
Рис. 29.2. Методы закрепления скло-
нов:
а -- валами: 1 -• вал; 2— лоток; б— плет-
нями
Рис. 29.3. Схема горного потока
2. Регулирование горных ручьев и потоков. Для верховьев рек
характерно наличие многочисленных мелких притоков — ручьев,
горных потоков с небольшой площадью бассейна (1-4-50 км2), кру-
тыми склонами бассейна, значительным продольным уклоном (по-
рядка 0,1 и выше в горных районах), относительно небольшими
глубинами, значительными скоростями течения (1,5-4-8 м/с и бо-
лее) и большой крупностью донных наносов (песка, гравия, галь-
ки, камней). Продольный профиль таких потоков со временем из-
меняется так, что вершина его отодвигается к водоразделу (А, А',
А", . . .) (рис. 29.3), в нижней части потока происходит отложение
(аккумуляция) смытых сверху наносов (В, В', В", . . .), образующих
так называемый «конус выноса». Задача регулирования таких по-
токов заключается в уменьшении или даже прекращении эрозии
в их верховой и средней частях, что может быть достигнуто умень-
26)
шением размывающей силы S, т. е. уменьшением I и h. Уменьше-
ние уклона 1 достигается устройством запруд, представляющих со-
бой небольшие плотины, и порогов — стенок, заглубленных в раз-
мываемое дно потока. И те и другие изменяют продольный уклон
потока I на новый Г, меньший, и по возможности близкий к укло-
ну «равновесия», при котором выполняется равенство (29.1).
Расстояния между запрудами и между порогами определяются
практически так, чтобы подпор от нижележащего сооружения с
некоторым запасом перекрывал основание вышележащего. Высота
запруд небольшая—1,54-3 м, что позволяет выполнять их прос-
тейшим способом, высота порогов бывает еще меньше.
3. Борьба с селевыми потоками. При некоторых условиях в гор-
ных и предгорных районах образуются грязекаменные потоки — се-
ли. К условиям, способствующим формированию (созреванию) се-
ля, относится прежде всего наличие крупных склонов (с углом
заложения до 154-40°) и особые формы водосборного бассейна, на-
пример цирковая (рис. 29.3), при которой в случае ливня или ин-
тенсивного таяния снега образуется большая концентрация по-
верхностного стока. Если к тому же грунт склонов бассейна сло-
жен из глин с включением камней (до 504-70% по массе), то при
насыщении глины водой в количестве до 8-4-10% по массе вся мас-
са приобретает устойчивое связное состояние и приходит в движе-
ние. Пройдя в виде вала по ущелью несколько десятков километ-
ров, этот грязекамеиный поток откладывается на конусе выноса,
сохраняя неизменным свой состав. Связное состояние селевая
масса сохраняет лишь при определенных соотношениях слагающих
ее частей [19]. Если, например, воды будет более 124-15% по массе,
то связность селя нарушается, крупные наносы выпадают и он
превращается в обычный турбулентный поток с расходом в 1,54-2,5
раза меньше первоначального.
Сели причиняют большой ущерб как в горах, так и па равнине,
разрушая на пути своего движения хозяйственные постройки и
засыпая в месте отложения освоенные земли. Около 15% горных
районов Средней Азии и. Кавказа являются селеопасными *.
Мероприятия по борьбе с селями оказываются наиболее эф-
фективными, если они проводятся комплексно и включают в себя:
лесокультурные работы в котловине бассейна, регулирование хозяй-
ственной деятельности в нем, создание сети противоселевых гид-
ротехнических сооружений. Последние можно подразделить на се-
лезадерживающие — стенки из сухой кладки, плотины каменные,
* Примером такого селеопасного района являлось урочище Медео, на конусе
выноса которого расположен г. Алма-Ата. В 1921 г. вследствие ливневых дождей
в верховьях урочища образовался сель, который, двигаясь в виде вала высотой
около 5 м, обрушился на город. В результате было разрушено несколько сот
строений и отложено на культурных .землях свыше 1 млн. м3 грязекаменной
массы,
В 1973 г. вследствие прорыва моренных озер ледника Туюксу образовался
новый громадный сель (высота вала достигала 30 м). Однако этот сель был за-
держан каменной плотиной высотой 90 м, образованной направленными взрыва-
ми. Объем твердого материала в этом селе превысил 3 млн. м3.
262
сквозные из сборного железобетона, а также сквозные сетчатые
и др. (подробнее см. гл. 30), селепропускные — селедуки (см. гл.
27) и селенаправляющие — подпорные стенки, дамбы, шпоры и т. п.
(см. гл. 30).
4. Регулирование оврагов и балок. Овраги и балки представ-
ляют собой периодически действующие русла (суходолы), образо-
вавшиеся в результате эрозионной деятельности воды по склонам
бассейна. Образование оврага и его развитие в известной мере
аналогично образованию горного потока, и методы регулирования
оврагов сходны с методами, применяемыми по отношению к гор-
ным потокам. В целях прекращения роста оврага вершину его за-
крепляют подпорной стенкой, а для отвода воды с бассейна в рус-
ло оврага устраивают перепады и быстротоки. По дну оврага уст-
раивают запруды и подпорные стенки.
§ 29.3. МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РУСЛА РЕКИ
И ОТДЕЛЬНЫХ ЕЕ УЧАСТКОВ
1. Общее регулирование (выправление) русла. Под общим ре-
гулированием русла реки понимают приведение его в такое состоя-
ние, когда на всем протяжении реки будет достигнуто соответствие
между размывающей силой потока и сопротивлением грунтов русла
размыву, наносотранспортирующей способностью русла и факти-
ческим поступлением в него наносов с водосборного бассейна. Та-
кое русло называется зарегулированным или устойчивым, и образо-
вание его является конечной целью регуляционных работ на реке.
Элементы устойчивого русла (ширина, глубина) на отдельных
участках определяют исходя из наблюдений за устойчивыми
участками данной реки или аналогичными реками (по физико-ге-
ографическим условиям), а также пользуясь некоторыми морфо-
метрическими формулами, полученными путем обобщения гидро-
логических материалов. Сюда относятся формулы С. Т. Алтунина,
С. И. Рыбкина и др., которые пригодны для определенных условий
и типов рек, па материалах исследований которых эти формулы соз-
даны. Для многих наших рек пригодна формула С. Т. Алтунина,
определяющая ширину реки В на прямых участках в зависимости
от расхода воды Q и продольного уклона I
В = AQ0’5//0'2, (29.7)
где А — коэффициент, для горных рек А = 0,7—0,9, .для нижних те-
чений рек в песчаных или суглинистых руслах А = 1,14-1,7.
Среднюю глубину рекомендуется определять по приближенной
формуле
Hz9 = Bm/k, (29.8)
где m — коэффициент, для горных рек т = 1,04-0,8, для нижних те-
чений рек m до 0,5; k — коэффициент, изменяется для тех же ус-
ловий от 124-8 до 44-3, на реках с легкоразмываемыми берегами
k увеличивается до 164-20.
263
Устойчивое русло, по С. Т. Алтунину, имеет в плане меандриче-
скую форму (рис. 29.4), образуемую кривыми переменных радиу-
сов: по вогнутому берегу величины Гтах^8 В и гтт^4,5 В..
по выпуклому соответственно — 7 В и 3,5 В. Шаг меандр L— (12ч-
15) В, стрела изгиба f~0,25L. Ширина русла в пределах кривой
£кр (0,54-0,75) В, где В — ширина русла на прямом участке, оп-
Рис. 29.4. Трасса устойчивого русла
4.5”
Рис. 29.5. Схема регулирования реки при
плотинном водозаборе:
1 — струенаправляющие дамбы; 2— земляная пло-
тина; 3 — водосбросная плотина; 4 — водосброс;
5, 7 — канал; 6 — вододелителъ; 8—водозабор
ределяемая по формуле (29.7). Наибольшая глубина на кривой
Якр= (1,54-2,5) Яср выбирается в зависимости от отношения
г : В = 64-3. Приведенные соотношения для устойчивых русл ориен-
тировочны и отклонения от
них вполне возможны.
2. Регулирование русла
реки на ее отдельных участ-
ках. Решение задачи общего
зарегулирования русла тре-
бует длительного времени и
крупных материальных за-
трат. На практике произво-
дят поэтапное регулирование
отдельных наиболее важ-
ных в хозяйственном отно-
шении участков реки с це-
лью обеспечения беспере-
бойной работы водозабор-
ных устройств, создания нужных глубин, защиты берегов от раз-
мыва и т. д. На рис. 29.5 показан пример зарегулированного участ-
ка реки у плотинного водозабора. Основная задача регулирования
состояла в том, чтобы обеспечить бесперебойную работу водозабо-
ра 8 в условиях, когда река несет большое количество наносов.
Чтобы избежать отложения наносов вблизи водозабора и завала
его отверстий, подводящий участок реки плавно сужен до разме-
264
ров, обеспечивающих нормальное устойчивое русло. Благодаря
сужению увеличились глубины (см. об этом подробнее ниже в дан-
ном параграфе) и влекущая способность потока. Русло изогнуто в
плане так, чтобы водозабор оказался на внешней стороне изгиба.
При этом поперечная циркуляция потока обеспечивала забор верх-
них наиболее осветленных слоев воды.
3. Методы борьбы с отложениями наносов и повышением дна
русла на отдельных участках. Борьба с отложениями наносов, вы-
зывающими общее повыше-
ние дна русл и рост их из-
вилистости (меандрирова-
ние), может вестись путем
уменьшения количества на-
носов, поступающих с вер-
ховий в результате их заре-
гулирования, и путем со-
Рис. 29.6. Схема углубления русла при стес-
нении его дамбой
здания на участках отло-
жения наносов условий для
их продвижения: концент-
рации потоков, увеличения глубин и уклонов.
Повышения глубины русла можно достигнуть ограничением его
ширины. Если, например, русло шириной В и средней глубиной h
(рис. 29.6) сузить путем постройки дамбы А до ширины В], то в
Рис. 29.7. Схемы стеснения русла:
а — продольными дамбами; б — поперечными дам-
бами; в — поперечными и продольными дамбами
стесненном сечении реки
скорости течения увеличат-
ся, произойдет размыв дна и
средняя глубина увеличится
женно можно получить из-
уравнения расхода воды, ес-
ли принять, что уклон реки
I и коэффициент Шези С
после стеснения не измени-
лись (в действительности,
они несколько изменятся):
Q = BhC Уhl х Уh\I,
откуда
Л1 w h у' (В/В02. (29.9)
Стеснение русла можно-
произвести дамбами: про-
дольными (рис. 29.7, а), по-
перечными (полузапруды,
7, рис. 29.7, б) или комбинаци-
ей их (рис. 29.7, в). Попе-
речные дамбы, устраивае-
мые на некотором расстоя-
нии друг от друга, в боль-
265
шинстве случаев дешевле и имеют то преимущество, что сужение
русла можно производить постепенно, возводя вначале не все по-
лузапруды, а, например, через одну и не на всю их проектную
длину, а на часть ее. Это очень важно, так как ширину необхо-
димого сужения русла точно определить расчетом невозможно,
поэтому лучше сужать русло постепенно и остановить работы
в той стадии, когда будет достигнута нужная глубина. Кроме то-
го, при постепенном су-
жении не происходит рез-
кого нарушения режима
потока, которое неизбеж-
но дает резкую реак-
цию— сильнейшие раз-
Рис. 29.8. Схемы закрытия рукавов
Рис. 29.9. Схема спрямления русла:
а — трасса прокопов; б — продольный профиль; в —
образование стариц
мывы русла у голов по-
вреждения последних,
размывы противополож-
ного берега. Еще одно
преимущество способа
поперечных сооружений
заключается в том, что
часть смытых в русле на-
носов выносится в проме-
жутки между полузапру-
дами (бунами) и там осе-
дает. В паводок эти зоны
заносятся еще больше,
так что здесь как бы об-
разуется новый берег.
Продольные дамбы не
имеют указанных преиму-
ществ, и ошибки в шири-
не сужения трудно испра-
вимы, зато течение у
продольных дамб, осо-
бенно на вогнутых участ-
ках, более спокойно и бе-
зопасно как для берегов,
так и для судоходства.
Комбинирование про-
дольных и поперечных
дамб (рис. 29.7, в) явля-
ется наиболее рацио-
нальной схемой, так как
обладает и гибкостью
(постепенность постройки бун) и экономичностью, обеспечивая
спокойное течение вдоль продольных дамб, располагаемых, как
правило, у вогнутого берега, где скорости наибольшие.
Сужение ширины русла возможно также путем установки так
называемых сквозных сооружений: сетчатых, сборных железобе-
тонных и т. и. (см. § 30.3),
266
Если река разделяется на рукава (рис. 29.8), то, переводя весь
расход реки в один из них путем закрытия другого запрудой,
можно повысить уровень воды в первом из рукавов и, следователь-
но, увеличить глубину воды в нем.
Увеличение уклонов потока может быть достигнуто путем спрям-
ления извилистого русла. Если разность уровней в створах А и М
до спрямления была ДЯ (рис. 29.9,6), а длина ABCDEFGK.M
(рис. 29.9, а) равна L и средний уклон I = то после устройст-
ва спрямляющих прокопов BD — простого и EGM — сложного (пе-
ресекающего русло) длина ABDEGM — L' <.L. Следовательно, но-
вый средний уклон
ЬН[[/ > bH]L, т. е. Г>1.
Новый продольный профиль спрямленного участка можно
построить приближенно таким образом (рис. 29.9, б); точка D
должна переместиться в D" с той же отметкой, чтобы величина
B'd на профиле равнялась BD на плане, соответственно М пере-
местится в М'", а затем DEM" переместится параллельно себе в
положение D"E"M"', таким образом кривая ABD"E"M"' предста-
вит собой приблизительно новый продольный профиль участка в
том случае, если русло реки неразмываемо. Этот профиль несколько
преобразуется (см. пунктир на рис. 29.9, б): на участке АВ уклоны
увеличатся вследствие спада, а ниже несколько уменьшатся; на
участке Е"М"' уклоны уменьшатся в силу подпора от нижележа-
щего участка и точка М'" поднимется в положение A4IV и т. д. В
случае размываемого русла профиль ABD"E"Miy (пунктир)
трансформируется дальше благодаря «сглаживающему» дейст-
вию потока при новом среднем уклоне I' на всем участке.
Участки старого русла, замененные спрямлениями, постепенно от-
мирают, превращаясь в пойменные озера подковообразной формы
(рис. 29.9, в).
4. Методы регулирования местной эрозии. Борьба с местными
размывами берегов и дна при помощи постоянных сооружений ве-
дется двумя методами: 1) уменьшением размывающей силы потока
путем отклонения струй от зоны размыва; 2) повышением сопро-
тивляемости русла в зоне размыва. Последнее достигается покры-
тием размываемых участков защитными одеждами (см. гл. 30).
Отклонение струй от берега может быть произведено продоль-
ными или поперечными сооружениями. При первом способе про-
дольная дамба (рис. 29.10, а) одним концом (корнем) Л заделывает-
ся в берег (на 34-10 м), другим В (головой или оголовком) сво-
бодно заканчивается в реке. Дамба в плане имеет плавное криво-
линейное очертание и несколько возвышается над уровнем воды,
при котором по расчету она должна оказывать свое действие.
Между дамбой и берегом, а также несколько ниже по течению соз-
дается вращательное движение воды вокруг вертикальной (или
наклонной) оси. Вследствие значительной потери энергии на вра-
щение водоворота и изменения направления струй скорость тече-
ния воды у берега за дамбой и несколько ниже по течению умень-
шается. Размыв берега прекращается, и в пазухе между дамбой и
267
берегом происходит отложение наносов. Для увеличения прочно-
сти и устойчивости продольной дамбы и повышения интенсивно-
сти отложения наносов в пазухе во время паводков, когда дамба
обычно затопляется, устраивают траверсы (CD на рис. 29.10, а), свя-
зывающие дамбу с берегом.
Рис. 29.10. Защита берега:
а — струенаправляющей дамбой; 1 — стержень до регулирования; 2 — то же, после
регулирования; б — полузапрудами
При защите берега поперечными сооружениями (рис. 29.10, б) ?
называемыми полузапрудами или шпорами, последние располага-
ют так, чтобы головы их А лежали на плавной кривой в плане, кор-
ни полузапруд заделывают в берега. Действие полузапруды выра-
жается в том, что поток, сжатый ею, отклоняется от берега и за-
тем снова приближается к нему в точке D. В зоне ABD образуются
водовороты, поглощающие часть энергии потока и увлекающие в
нее часть донных наносов, размыв бер>ега на участке BD прекра-
щается. Следующую по течению полузапруду располагают не-
сколько выше точки D (в запас).
Положение точки D и, следовательно, расстояние между запру-
дами определяют углом растекания потока а°, примерно равным.
5ч-15° (в среднем 7-4-8°). Расстояние между полузапрудами при-
нимают от 3 до 4 их длин. Практически расстояние BD следует
определять наблюдениями над ранее построенными сооружениями
в аналогичных условиях или над специальными опытными дамба-
ми, а также путем проведения гидравлических опытов на моделях.
Вместо устройства полузапруд можно получить аналогичный эф-
фект сквозными сооружениями, располагаемыми у берегов (см.
гл. 30).
Методы регулирования местной эрозии русла путем воздейст-
вия на поперечную циркуляцию потока были предложены А. И. Ло-
сиевским и М. В. Потаповым. Метод А. И. Лосиевского заключа-
ется в воздействии на донные течения стенками, устанавливаемы-
ми на дне реки под углом 15-4-25° к течению и представляющим
собой донные водосливы высотой над дном около 0,5ч-0,8 глубины
потока (рис. 29.11), причем гребень такого водослива снижается
от корня А к голове стенки В. Благодаря этой «наносоуправляю-
щей» стенке поверхностные струи отклоняются вправо (рис. 29.11)
по течению, а донные идут влево. Непосредственно за стенкой дон-
ные струи вовлекаются в винтовое движение, образуемое за водо-
268
к левому берегу. В резуль-
левому берегу в
Опыт применения ме-
сливом и направленное вдоль стенки
тате частицы наносов ниже стенки выносятся к
зону АС, глубины у стрежня увеличиваются.
тода А. И. Лосиевского на ряде
перекатов р. Оки, Волги и других
оказался эффективным и привел
к увеличению судоходных глу-
бин.
Метод М. В. Потапова заклю-
чается в воздействии на режим
поперечной циркуляции струй
особыми направляющими щита-
ми — плавучими или стационар-
ными, поверхностными или дон-
ными с тем, чтобы изменить ее ха-
рактер или вызвать ее там, где
она будет полезной для борьбы с
А~А
Рис. 29.11. Схема действия наносо-
управляющей стенки А. И. Лосиев-
ского
размывом русла или отложениями наносов.
Сущность действия щитов М. В. Потапова можно видеть из
рис. 29.12, а. Если в прямоугольном русле с параллелытострунным

Рис. 29.12. Щиты М. В. Потапова:
а — возбуждение поперечной циркуляции щитами; б — простейшая конструкция щита;
в — сегментные щиты
269
потоком поставить на плаву вертикальные щиты, наклоненные в
плане под некоторым углом к осн потока, а на дне установить ана-
логичные щиты, но направленные в другую сторону, то в русле бу-
дет создано винтовое движение (поперечная циркуляция). Так как
поверхностные струи на рис. 29.12, а направлены к правому бере-
гу, то у этого берега вскоре образуются углубление н размыв, а у
левого — намыв, отложение наносов. Для достижения того же эф-
фекта достаточно одних поверхностных (плавучих) нли одних дон-
ных щитов, первые на практике удобнее. Простейшая их конструк-
ция показана на рис. 29.12, б, более сложные системы полых щитов,
имеющих в плане форму сегментов (рис. 29.12, в), выполняют-
ся нз стали и при помощи балласта опускаются на желаемую глу-
бину, на плаву под нужным углом к потоку они удерживаются
тросами.
При помощи щитов М. В. Потапова можно защищать размы-
ваемые участки берега, устанавливая щиты так, чтобы поверхност-
ные струи направлялись к неразмываемому берегу, а донные —
к размываемому, у которого будут накапливаться отложения. При
помощи щнтов можно также смывать отложения в местах, где они
скопились и нежелательны (например, вблизи водозаборных уст-
ройств), для чего к этим местам должны направляться поверхност-
ные струи потока.
§ 29.4. ЗАЩИТА ПРИБРЕЖНЫХ ЗЕМЕЛЬ ОТ ЗАТОПЛЕНИЯ
1. Методы защиты прибрежных земель от затоплений павод-
ками. Избежать затопления прибрежных речных земель можно уст-
ройством регуляционных сооружений и снижением уровня паводко-
вых вод путем повышения пропускной способности русла или за-
регулирования стока реки водохранилищами. Последний метод
здесь не рассматривается. Различают следующие регуляционные
методы защиты: 1) обвалование, т. е. ограждение затопляемых
земель валами (земляными дамбами); 2) устройство обводных или
разгружающих русл (каналов), благодаря которым расходы воды,
а следовательно, и уровни воды в главном русле снижаются до бе-
зопасных отметок; 3) подсыпка и повышение территорий, подвер-
женных затоплению. Второй и особенно третий методы дороги и
экономически оправдываются лишь для защиты небольших и очень
ценных территорий (промышленных предприятий, городов). Метод
обвалования более распространен и используется для защиты зна-
чительных территорий, иногда в комбинации с другими методами.
2. Обвалование земель речной поймы показано на рис. 29.13, где
линии AFEG и KA/UT показывают границы поймы, затопляемой в
паводок. Участок ABCDEFA обвалован замкнутым валом ABCDE,
а участок K.LMNPTUVK — незамкнутым валом KLMNPS, и в па-
водок вода заходит за вал до линии Р7' по горизонтали, соответ-
ствующей уровню воды в реке в конце вала S (заштрихованная
площадь не затопляется).
270
Рис. 29.13. Схема обвалования речной
поймы
Возведение незамкнутых валов целесообразно на реках с боль-
шими уклонами и при широких поймах; дождевые и снеговые во-
ды, собирающиеся на огражденной площади, стекают свободно.
При замкнутых валах во время паводка местный сток задерживает-
ся в низииах обвалованной площади и для выпуска его в реку де-
лаются отверстия в валах, открываемые лишь после спада павод-
ка (на рис. 29.13, точки а, Ь, с). На случай прорыва главных валов
для локализации затоплений
устраивают поперечные валы —
траверсы CF, MV, NU с от-
верстиями, перекрываемыми
затворами.
При назначении площадей,
подлежащих обвалованию, сле-
дует учитывать, что стеснение
русла и уменьшение аккумули-
рующего объема поймы при-^
водит к некоторому поднятии/
паводковых уровней как на
вышележащем, так и на ниже-
лежащем участке, что может
вызвать значительные непре-
дусмотренные ущербы. В связи
с этим в некоторых густонасе-
ленных странах законодательным путем запрещается постройка
фундаментальных зданий и обвалование на низких участках поймы
(затапливаемых паводком 1-?5% обеспеченности). Пролетные от-
верстия мостов, например, располагаемые на этих участках, долж-
ны пропускать такие паводки. Вопрос о назначении площади об-
валования сложный и требует каждый раз специального технико-
экономического обоснования.
ГЛАВА 30
РЕГУЛЯЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
§ 30.1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ВЫПРАВИТЕЛЬНЫХ
СООРУЖЕНИЙ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НИХ
1. Основные материалы для регуляционных (выправительных)
работ. Регуляционные сооружения имеют значительную протяжен-
ность и требуют большого количества материалов. Поэтому их
возводят из наиболее дешевых местных материалов.
Для регуляционных работ применяют следующие материалы:
1) камень, окатанный или рваный всех пород, за исключением весь-
ма пористых известняков, слабых песчаников, легко разрушающих-
ся в воде и при действии мороза. Для наружных частей набросок
или одежд необходим камень в поперечнике не менее 254-30 см
Рис. 30.1. Фашина:
а — сднокомельная; б — двухкомельная; в — тяжелая (груженая камнем)
(30-4-50 кг) во избежание уноса его ледоходом; 2) щебень, галька
и гравий тех же пород, что и камень; 3) песок, песчано-глинистые,
глинистые грунты, идущие во внутренние части сооружений; 4) де-
рево, применяющееся в виде лапника (еловые ветки), прутьев, хво-
роста, деревьев, кольев, досок, горбылей, свай. Хворост использу-
ют преимущественно ивовых пород, свежесрубленный, лучше осен-
ней рубки, толщиной в комле до 4 см и длиной 1,54-2,5 м; 5) рас-
тительные материалы: высеваемые травы, дерн, мох, камыш и т. п.;
6) металл, употребляемый главным образом в виде оцинкованной
проволоки диаметром 24-5 мм, троса, гвоздей, болтов, анкеиов,
скоб.
2. Составные (сложные) материалы и элементы регуляционных
сооружений. Фашины (рис. 30.1, а, б, в) представляют собой пучки
хвороста, перевязанные вицами (тонкий свежесрубленный хворост
и прутья, служащие вязочным материалом) или мягкой проволо-
кой диаметром 24-3 мм. Следует отметить, что изготовление фа-
шин связано с большими затратами ручного труда и практически
не поддается механизации. По этой причине подобные составные
материалы в настоящее время применяют все реже. Однако, при
проведении ограниченных по объему регуляционных работ могут
использоваться различные составные материалы, приведенные
ниже.
272
Карабуры — видоизменение тяжелых фашин. Применяющиеся
на реках Средней Азии карабуры делают из слоя хвороста и со-
ломы или камыша, пригруженного галькой, камнем или землей,
свернутого в виде рулона н перевязанного проволокой.
Тюфяки хворостяные и фашинные. Хворостяные тюфяки вяжут
из слоев хвороста, направленных нормально друг к другу, хворост
скрепляют сверху и снизу сетками из прутяных канатов (толщиной
10-413 см) при помощи веревок, проходящих сквозь тюфяк. Тол-
щина хворостяных тюфяков 0,454-0,8 м. Фашинные тюфяки отли-
чаются от хворостяных тем, что вместо слоев хвороста укладывают
слои фашин толщиной 0,7-41,5 м и более в зависимости от числа
слоев фашин (минимально два). Размеры тюфяка в плане зависят
от потребности, достигая иногда нескольких десятков метров. Для
опускания тюфяков в воду их при-
гружают камнем, щебнем или куля-
ми с землей (примерно 0,1 м3 кам-
ня на 1 м3 тюфяка).
Хворостяные покрывала, или
маты, представляют собой различ-
ные плетения из одного-двух рядов
хвороста. При перевозке их скаты-
вают в рулоны.
Прутяные корзины (на Кавказе
«туры») из ивовых прутьев имеют
форму цилиндров, трехгранных
призм или параллелепипедов, кор-
зины заполняют камнем и в таком
Рис. 30.2. Сипаи
виде опускают в воду.
Сипаи (применяют в Средней Азии) представляют собой трсх-
ногие и чарпаи— четырехногие козлы, загружаемые камнем и хво-
ростом, иногда перекрываемые с одной из сторон плетневыми щи-
тами. Под действием загрузки и размыва грунта козловые ноги
погружаются в грунт дна (рис. 30.2), этим обеспечивается большая
устойчивость сипайиого сооружения.
Проволочные сетки и сетчатые конструкции применяют для раз-
личных покрытий, заграждений и образования сетчатых сооруже-
ний. Сетки плетут из оцинкованной проволоки диаметром 2-4-4 мм
с ячейками размером 10-417 мм, чаще 60-4120 мм, в зависимости
от крупности загружаемого в них камня (обычно галька) или по-
крываемого ими грунта. В последнее время для задержания круп-
ных насосов, топляков и т. и. на реках, а также в борьбе с селя-
ми начали применяться высокопрочные сети из стальных тросов
(см. ниже § 30.3).
Габионы представляют собой ящики — параллелепипеды (высо-
той 1 м, шириной 1-41,5 м, длиной 3-45 м) из сетчатых стенок
(рис. 30.3), собираемые из отдельных частей на месте постройки и
заполняемые галькой и камнем. Габионные тюфяки отличаются
об габионов небольшой высотой (0,4-40,5 м) при размерах в плане
10—1777
273
2X34-3X4 м. Сетчатые цилиндры и мешки нагружают камнем на
подмостях и затем сбрасывают в воду.
3. Основные требования, предъявляемые к регуляционным соору-
жениям. Конструкции регуляционных сооружений должны обладать
достаточной сопротивляемостью размыву и разрушению водой,
льдом, ударами крупных насосов, быть устойчивыми против сдвига
а)
Рис. 30.3. Сетчатые конструкции:
а — габион в развернутом и собранном виде; б — цилиндр
или опрокидывания под напором воды и обладать гибкостью, по-
зволяющей им приспосабливаться к различным деформациям осно-
вания (следовать за ними) без нарушения прочности сооружения,
и способностью выполнять заданные им функции. С производствен-
ной стороны конструкции должны легко возводиться и ремонтиро-
ваться.
Сопротивляемость размыву характеризуется пли допускаемой
влекущей силой S^^qhl, или допускаемой скоростью течения V.
Гибкость конструкций обеспечивается укладкой материала в соору-
жениях отдельными блоками (камни, габионы, фашины, тюфяки),
так что конструкция легко деформируется в случае подмыва осно-
вания и заполняет собой образовавшиеся вымоины. Устройство мо-
нолитных сооружений в подобных условиях нецелесообразно и даже
вредно, так как они при деформациях русла разламываются на от-
дельные глыбы и перестают выполнять свою роль, создавая новые
причины для ухудшения состояния русла.
§ 30.2. КОНСТРУКЦИИ берегоукрепительных одежд
В зоне выше меженного уровня воды в реке (которая покрыва-
ется водой только е паводки) простейшим креплением может быть
посев трав (5=10 Па); сорта трав подбираются по местным кли-
матическим и почвенным условиям. На песчаных берегах предва-
рительно отсыпается слой (в 124-15 см) растительной земли.
Более прочным является покрытие берегового откоса дерном
(5—104-20 Па), плитки которого укладываются плашмя, «приши-
ваются» кольями или металлическими сетками при скоростях те-
чения о^0,8д-1,1 м/с или «в стенку» при скоростях 0=1,74-2 м/с.
На пологих песчаных берегах применяют посадки свежесрублен-
ной ивы (белотал, верболоз) рядами, бороздами или гнездами.
Сопротивляемостью их размыву характеризуется величиной 5 =
274
в клетку; рядами, которые, прора-
Рис. 30.4. Фашинное крепление берега
>
Рис. 30.5. Фашинно-каменное крепление '
= 204-30 Па вначале, а после разрастания — до 50 Па. Вместо по-
садки ивы можно применять хворостяную высдплку— слой хворо-
ста толщиной 154-20 см, «пришиваемый» к берегу прутяными ка-
натами и кольями и выдерживающий v~ 1,54-1,9 м/с, это крепле-
ние долговечно после прорастания.
Более прочным, но в то же время простым креплением являют-
ся вертикальные плетни, косо направленные к течению параллель-
ными или пересекающимися
стая, выдерживают 3= 50
Па, а при заполнении плет-
невых клеток галькой или
камнем — до 1004-120 Па и
более. Размеры клеток —
0,74-2 м, откос — не круче
1 : 14-1 : 1,5; под галечнико-
вое или каменное заполне-
ние клеток толщиной 0,24-
4-0,4 м подстилается слой
(84-10 см) мха, соломы,
хвороста, торфа или отсыпа-
ется слой щебия и гравия.
Растительные крепления
применяют там, где на ме-
сте имеются необходимые
материалы.
Каменное мощение оди-
ночное (3 = 804-160 Па, и =
= 24-3 м/с) или двойное (5
до 240Па, п = 34-4м/с) (см.
рис. 26.6) применяют для
крепления как надводных,
так и подводных частей бе-
регов (если они освобож-
даются временно от воды).
Фашинные крепления подводных частей берега выполняют в ви-
де фашинных тюфяков, пригруженных камнем, или кулями с зем-
лей, а также погружаемой фашинной кладки или тяжелых (гру-
женых) фашин (рис. 30.4) и карабур. Возможны и комбинирован-
ные крепления из тюфяков и фашинной кладки (при глубинах
более 1,5 м), из тюфяков и тяжелых фашин и т. п. Фашинные
крепления применяют на равнинных реках с 3 = 304-70 Па и v
до 3 м/с.
При больших скоростях течения на горных реках используют
более тяжелые хворостяно-каменные крепления. Они представляют
собой кладку из перемежающихся горизонтальных рядов камня и
хворостяных слоев (в Средней Азии слоев камыша) или камня и
фашин, огражденную или продольными плетнями на сваях, или
свайными рядами (рис. 30.5). Сопротивляемость этих креплений
характеризуется величиной 3 до 80 Па.
10*
275
Каменные подводные береговые крепления делают в виде на-
броски камня (откос не круче 1:1) непосредственно на грунт дна
(рис. 30.6, а) или на предварительно уложенный тюфяк, защищаю-
Рис. 30.6. Каменные береговые крепления:
а — каменное; б — каменно-земляное; в — каменно-фашинное
Рис. 30.7. Габионные берегоукрепления:
а — габионными тюфяками; б — комбинированное
Рис. 30,8. Гибкие железобетонные решетки:
а -^решетка; б — гирлянда; в — шарнир; / — полиэтиленовая оболочка; 2 — арматурный
стержень
щий крепление от подмыва (рис. 30.6, в), при недостатке крупного
камня внутреннюю часть конструкции отсыпают из мелкого камня
или из щебня и гравия под защитой постепенно возводимых наруж-
ных каменных призм (рис. 30.6, б). Отсыпаемый мелкий грунт це-
лесообразно прикрывать тяжелыми фашинами для лучшей защиты
от вымывания его водой (рис. 30.6, б).
Покрытие габионными тюфяками (рис. 30.7, а) в оснований име-
ет упор из габионов или же тюфяк продолжается и в пологой части
дна (5 = 804-160 Па, и=5м/с). Более надежное (5— 1604-200 Па)
крепление делают из габионов, образующих стенку (рис. 30.7, б),
пазуха между которой и откосом берега заполняется наносами,
откладываемыми постепенно самим потоком во время паводка, или
грунтом искусственным путем.
Гибкие железобетонные покрытия в последние годы широко
используют для защиты берегов. Они имеют различные конструк-
тивные исполнения и применяются при скоростях течения до
2,54-5 м/с, а в отдельных случаях до 7 м/с.
Гибкие железобетонные решетки (рис. 30.8, а) собирают на мес-
те из отдельных гибких гирлянд способом плетения. Шаг ячеек в ре-
шетке равен примерно 0,44-0,8 м. Ячейки решетки могут оставать-
ся без заполнения или заполняться горной массой, щебнем, галь-
кой, растительным грунтом. Иногда решетку укладывают на подсти-
лающий ковер толщиной 3 мм, изготовляемый из гидростеклоизола
и других материалов. Железобетонные гирлянды длиной 34-7,5 м
каждая и сечением от 5x5 до 12x20 см выполняют гибкими путем
устройства в гирлянде шарниров с шагом, равным шагу ячейки со-
бираемой решетки (рис. 30.8, б). Шарнир (рис. 30.8, в) представ-
ляет собой участок арматуры длиной 10 см, покрытый полиэтиле-
ном толщиной 2 мм. Гирлянды изготовляют в заводских условиях
и транспортируют пакетами по 8 шт. на строительную площадку.
Масса гирлянды может составлять 0,034-0,3 т. Такое, покрытие яв-
ляется весьма экономичным.
Сплошные гибкие железобетонные тюфяки состоят из квадрат-
ных, прямоугольных, двутавровых и иных форм плиток толщиной
84-15 см, связанных между собой арматурной проволокой диамет-
ром 54-6 мм, со швами 24-2,5 см; плитки размерами 404-100 см
иногда объединяют в секции до 204-25 шт., которые перевозят ска-
танными в рулоны. Более крупные и тяжелые плиты соединяют на
месте. Тюфяки укладывают на подстилку из гравия по спланирован-
ному откосу механизированным способом. Большим достоинством
сборных покрытий является возможность использования их для
укрепления подводной части берегов. Для этого железобетонный
тюфяк, разостланный на сухом откосе, укладывают на подводный
участок либо краном, либо сматывают его непосредственно на мес-
то укладки с барабана. На рис. 30.9 приведен пример облицовки,
выполненной из гибких железобетонных тюфяков.
Асфальтовые и асфальтобетонные защитные покрытия приме-
няют при скоростях потока до 2 м/с. Они обладают высокой дефор-
мативностыо (гибкостью), просты в эксплуатации, имеют сравни-
тельно невысокую стоимость и не трудоемки. Эти покрытия устраи-
ваются монолитными и сборными. Перед укладкой монолитного
покрытия откос планируют, протравливают (во избежание прораста-
ния) ядохимикатами и уплотняют до пористости 354-40%. Для уве-
личения несущей способности откоса в него втрамбовывают ще-
277
бень, затем производят розлив битумных материалов автогудрона-
торами. Возможно устройство армированного асфальтового покры-
тия (2 слоя битума с прокладкой между ними арматурной сетки).
Асфальтовые покрытия из сборных элементов предназначены
для крепления подводных частей откосов. Такое покрытие конст-
руктивно не
Рис. 30.9. Одежда из гибких желе-
зобетонных тюфяков:
1 — сваи; 2 — гибкий железобетонный
тюфяк
Рис. 30.10. Укладка на откос сборного
асфальтобетонного покрытия с барабана:
1, 2 — асфальтобетонные тюфяки; 3 — барабан;.
4 — плавучий кран
высокоиндустриаль-
экономичным типом
отличается от монолитного и состоит из двух слоев
асфальта или асфальтобетона, меж-
ду которыми расположена арматур-
ная сетка, воспринимающая все уси-
лия. Общая толщина покрытие
равна 5ч-Ю см. Карта асфальтобе-
тонного покрытия может быть изго-
товлена по одной из следующих тех-
нологических схем: 1) сборные пли-
ты размером до 15 м2 изготавливают-
в металлических формах на асфаль-
тобетонном заводе, складируют в
штабеля и транспортируют к месту
монтажа. Готовые карты краном:
укладывают на место; 2) асфальто-
бетонную карту изготавливают отдельными секциями размером до-
50 м2 на стенде, непосредственно у уреза воды. Секции одну за дру-
гой наматывают на барабан. Укладка покрытия на место произво-
дится путем сматывания его
с барабана (рис. 30.10).
Отдельные карты (маты)
должны перекрывать друг
друга на 14-3 м. Выше уре-
за воды их крепят к анке-
рам-сваям, забитым в грунт
на глубину 1,54-2 м. Речной
конец карты должен быть
утяжелен бетонными брус-
ками сечением 20x20 см.
Асфальтовые покрытия
из сборных элементов явля-
ются
ным,
крепления откосов.
Наиболее прочными креплениями, выдерживающими S до»
1000 Па (100 кгс/м2) являются сквозные бетонные и железобетон-
ные конструкции. Свайные железобетонные крепления представля-
ют собой ряды свай диаметром 150 мм, забитых в грунт на некото-
ром расстоянии друг от друга (сквозность около 50%). Иногда сван
являются лишь опорами для сборных железобетонных панелей,,
обладающих большой сквозностью.
Ряжевые крепления изготавливают сквозного типа из бревен или.
железобетонных элементов (рис. 30.11). Ряжи заполняют камнем-,,
причем верхний слой — особо крупным. Ряжевые крепления могут
278
устраиваться и в надводных, и в подводных частях берегов; они
обладают достаточной подвижностью и прочностью. Однако дере-
вянные ряжи в условиях попеременного затопления и обнажения
из-под воды загнивают.
На горных реках, где имеется крупный камень, применяют креп-
ление берега стенками из сухой каменной кладки (5 = 4004-600 Па).
Тип крепления выбирают в зависимости от: 1) ожидаемых воз-
действий потока на берег, т. е. величин 5 или v; 2) местных мате-
риалов; 3) формы берегов и рода грунта, их слагающего; 4) резуль-
татов экономического сопоставления разных вариантов решения.
Следует учитывать, что крепления из фашин растительных и дру-
гих местных материалов весьма трудоемки и не допускаю! широ-
кой механизации. В последнее время получают ра житие сборные
Рис. 30.11. Укрепление берега железобетонными ряжами:
а — поперечный профиль; б — сечение элементов
.конструкции из железобетона и асфальтобетона, дающие экономию
в сроках выполнения и стоимости, менее трудоемкие. Необходимо
проводить технико-экономическое сопоставление новых конструкций
с прежними (фашинными и др.) и выбирать оптимальные решения.
Тип крепления по высоте берега может меняться, например:
выше уровня паводка может быть применен только посев трав,
ниже, в редко затопляемой зоне, — одерновка, еще ниже, в зоне
часто повторяющихся уровней — прорастающие хворостяные креп-
ления или мощение и т. д. Подводная часть крепления является
наиболее ответственной, так как служит опорой всего вышележа-
щего крепления берегового откоса, одновременно подвергаясь наи-
большему размывающему воздействию потока. Почти во всех слу-
чаях целесообразно, а при легкоразмываемых грунтах совершенно
обязательно в основании крепления выпускать в сторону реки тю-
фяки и другие гибкие покрытия.
При разбивке берегоукрепления необходимо придавать ему плаз-
ное очертание в плане во избежание резкого воздействия потока
на выступающие части крепления и плавно же, без выступов, со-
прягать его с берегами.
279
§ 30.3. КОНСТРУКЦИИ СООРУЖЕНИЙ, РЕГУЛИРУЮЩИХ ЭРОЗИЮ
1. Сетчатые запруды, выполняемые из стальных канатов, приме-
няют для задержки твердой составляющей селевых потоков. Кон-
струкция такой запруды (рис. 30.12) состоит из двух сеток, подве-
Рис. 30.12. Гибкая сетчатая запруда:
а, б — подвеска запруды, состоящей из селереза 1 и заградительной сетки //; И'—положе-
ние заградительной сетки после прохода селя; 1 — анкерная опора; 2 — сетка из тросов; 3 —
анкерный борт; 4 и 5 — продольные и поперечные тросы; 6 — твердая фракция селя
шиваемых к бортам и дну ущелья: сетки 1 селереза, которая при-
нимает на себя первый удар селя, частично разрушает его связ-
ность и притормаживает твердую фракцию; заградительной сетки,
которая до прихода
селя находится в поло-
женин II. В простран-
стве между селерезной
и заградительной сет-
ками при прохождении
селя начинается интен-
сивное выпадание твер-
дой фракции и загра-
дительная сетка прини-
мает положение II'.
Аналогичные конст-
рукции применяют
иногда для задержания
крупных донных нано-
сов. Они особенно эф-
Рис. 30.13. Сквозные запруды-селе-
уловители:
1 — треугольные рамы; 2— поперечные рас-
порки; 3— сквозные решетки напорного
перекрытия
фективны в тех случаях, когда невозможна забивка свай в дно..
Тогда через реку протягивают стальной канат и к нему подвешива-
ют заграждение, которое состоит из вертикальных стержней и уси-
ленной стальной сетки.
2. Сквозные железобетонные запруды — селеуловители (Грузин-
ского научно-исследовательского института гидротехники и мелио-
рации) представляют собой накладные решетки, опирающиеся на
треугольные рамы (рис. 30.13), которые в свою очередь жестко-
связаны поперечными распорками. Образованная таким образом-
единая пространственная система, обладающая большой сквоз-
280
ностью и жесткостью, позволяет перекрывать очень широкие русла
на высоту до 304-50 м.
3. Сквозные запруды — селеуловители, собираемые из геометри-
чески неизменяемых равносторонних треугольников; каждая сторо-
на треугольника является железобетонной балкой с отверстиями по
концам. Из таких балок образуются треугольники, которые и об-
разуют единую конструкцию. Онн позволяют построить более 20 ва-
риантов конструкций различной высоты и ориентации в плане.
За рубежом для регулирования селевых потоков широко при-
меняют запруды небольшой высоты (до 5-5-6 м), выполняемые из
металлического шпунта.
4. Поперечные полузапруды. Увеличения транспортирующей спо-
собности потока, уменьшения глубин и прекращения отложения
наносов можно добиться с помощью полузапруд (см. § 29.3).
Эти сооружения обычно имеют трапецеидальное сечение. Чем бли-
же к голове, тем полузапруда подвергается более интенсивному
воздействию воды, вследствие чего откосы ее делаются все более
пологими (рис. 30.14, а), сама дамба уширяется, голова ее закруг-
ляется и обязательно подстилается широким тюфяком. Иногда
голова заканчивается короткой продольной дамбочкой, так что
буна в плане получает вид буквы Т, что несколько смягчает воз-
действие потока на голову.
Корни полузапруд прочно заделываются в берег не менее чем на
24-4 м. Гребень затопляемой буны должен быть хорошо укреплен
против размыва, ударов льда и тому подобных воздействий. Гре-
бень в продольном профиле делают уклоном к берегу 1 : 204-1 : 200
для направления переливающейся через него воды в сторону русла
и постепенного расширения живого сечения реки при подъеме уров-
ня воды. Конструкции полузапруд выполняют из различных мате-
риалов. Поперечные сечения полузапруд могут иметь весьма разно-
образные конструктивные исполнения (подробнее см. [33] и др.).
На рис. 30.15 показаны примеры конструкции каменно-фашинных,
габионных, каменных и грунтово-каменных полузапруд.
5. Продольные направляющие дамбы действуют на поток мяг-
че, чем поперечные, но вдоль них создается продольное течение
с повышенными скоростями, которое может привести к размыву ос-
нования дамбы и ее речного откоса. По конструкции продольные
дамбы в общем мало отличаются от поперечных, но речному (обра-
щенному к реке) откосу продольных дамб придают большую поло-
гость и прочность, чем береговому; основание дамбы с речной сто-
роны защищают от размыва выдвижением в реку тюфяка, отсып-
кой камня,, устройством донных полузапруд, коротких шпор и т. п.
Продольные сооружения часто выполняют сквозными из сбор-
ных железобетонных элементов или дерева (рис. 30.16); конструк-
тивно они похожи.
На рис. 30.17 показаны некоторые примеры плетнево-хворостя-
ных полузапруд: однорядный плетень без подкосов и с подкосами
двухрядный плетень с заполнением хворостом или гравием, Т-об-
разные плетни, состоящие из продольного щита, не доходящего до
281
Рис. 30.14. Формы полузапруд:
а — перпендикулярная берегу; б — расположенная под углом «к Oepeiy
Рис. 30.15. Поперечные сечения полузапруд:
а — каменно-фашинной; б — габионной; в — каменной; г — грунтово-каменной
Рис. 30.16. Продольная сквозная берегозащитная конструкция из дерева
дна на 0,254-0,5 глубины, и поперечного, заплетаемого от нижнего
края продольного щита до дна и составляющего с последним угол
454-90°. Эти плетни, как и другие сквозные сооружения, мягко
Рис. 30.17. Плетневые сооружения:
а — однорядный плетень; б — двухрядный плетень; в — Т»образный пле*
тень
Рис. 30.18. Устройство дамб обвалования:
а — конструкция простой дамбы; б — дамба с дорогой; в — простейший водо-
слив в дамбе обвалования
’воздействуют на поток, существенно влияют на поперечную цирку-
-ляцию потока, за ними оседает часть наносов, благодаря чему па-
зухи между плетнями и берегом заносятся.
283
6. Оградительные валы или дамбы обвалования, ограждающие
пойменные земли от затопления паводками, возводятся из имею-
щегося вблизи грунта. Они представляют собой земляные плотины
небольшой высоты, отличающиеся от русловых плотин тем, что
удерживают напор лишь короткое время и имеют вдоль их напор-
ного откоса течение воды. При высоте до 24-3 м валы имеют трапе-
цеидальное сечение (рис. 30.18, а), речной откос выполняют не кру-
че 1 : 2,54-1 : 3, а пойменный— 1 :24-1 : 1,5, хотя иногда делается
таким же, как и речной, и даже положе (1 : 4 на р. Куре). При боль-
шей высоте (рис. 30.18, б) вал имеет более сложный профиль, для
проезда по валу устраивается берма достаточной ширины. Летний
вал, затопляемый весенним паводком и незатопляемый летним
(в период вегетации растений), представлен на рнс. 30.18, в. Водо-
слив вала укрепляется мощением н имеет пологий откос в сторону
поймы.
Речной откос незатопляемых валов укрепляется дерном или
посевом трав, а на вогнутых участках трассы мощением. Во избе-
жание разрушения вала волнобоем на широких реках перед ним
полезно насадить полосу кустарника. Отверстия в валах для вы-
пуска накопившейся воды делаются в виде трубчатых водоспусков,
которые снабжаются двумя затворами: речным — в виде щита,
подвешенного па горизонтальной оси и автоматически закрываю-
щегося при проходе паводка в реке, и пойменным, приводимым в
действие подъемниками.
За валами необходим тщательный надзор: малейшая обнару-
женная фильтрация, ходы грызунов и трещины должны срочно лик-
видироваться, иначе валу может угрожать прорыв. В период павод-
ка на валах должна быть организована специальная служба, не-
медленно принимающая меры в случае аварий вала, непредвиден-
ного повышения паводка и угрозы затопления вала или размыва
его.
РАЗДЕЛ VIII
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ И
ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
ГЛАВА 31
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ, РЕМОНТ
И РЕКОНСТРУКЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
§ 31.1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
1. Условия работы гидротехнических сооружений и их надеж-
ность. Гидротехнические сооружения находятся в сложных усло-
виях эксплуатации, обусловленных их значительными объемами,
взаимодействием с основанием, воздушной и водной средами, воз-
действием волн, льда, атмосферных осадков, температуры, солнеч-
ной радиации, землетрясений и т. д. Тяжелые катастрофические
последствия возможных аварий гидротехнических сооружений, осо-
бенно работающих под напором воды, предъявляют повышенные
требования к их надежности [58].
Надежностью сооружения (изделия) называется свойство соору-
жения выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные пока-
затели в заданных пределах в течение требуемого промежутка вре-
мени— срока службы (ГОСТ 13377—75). Основными эксплуата-
ционными показателями гидротехнических сооружений являются:
параметры конструктивной надежности — устойчивость, прочность,
водонепроницаемость, морозостойкость и др.; технологические па-
раметры— напор, расход водообеспечения, выработка электроэнер-
гии и др.; факторы архитектурного соответствия назначению со-
оружения— форма конструкций, фактура их поверхности, цвет,
освещение и пр.; параметры экономичности возведения и эксплуа-
тации — стоимость укладки 1 м3 бетона или грунта, процент арми-
рования бетона, стоимость 1 кВт-ч электроэнергии или 1 м3 воды
и др. *
Надежность закладывается на стадии проектирования при рас-
четах гидротехнических сооружений на устойчивость, прочность,
фильтрацию и т. п. В процессе строительства надежность сооруже-
ния обеспечивается выполнением требований проекта, использова-
* Бойко М. Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуа-
тационных качеств зданий. Л., 1975, с. 336.
285
нием высококачественных материалов и соблюдением технологии
производства работ.
Эксплуатация надежно запроектированных и качественно по-
строенных гидротехнических сооружений со временем может быть
нарушена в результате постепенного износа — «старения» сооруже-
ния под воздействием непредвиденных стихийных и чрезвычайных
природных факторов или вследствие нарушения правил его техни-
ческой эксплуатации, т. е. произойдет отказ сооружения. Отказом
называют событие, после появления которого эксплуатационные по-
казатели сооружения (напор, пропускная способность, выработка
электроэнергии и т. д.) выходят за допустимые пределы. Надеж-
ность сооружения можно оценивать тремя основными характеристи-
ками: безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.
Безотказность — это способность сооружения не иметь отказов
в течение требуемых интервалов времени при его эксплуатации в
заданных условиях. Численно безотказность характеризуется веро-
ятностью безотказной работы сооружения.
Свойство сооружения длительно сохранять (с возможными пе-
рерывами на ремонт) свои эксплуатационные показатели в задан-
ных пределах до момента разрушения или другого предельного со-
стояния называется долговечностью сооружения. Численно долго-
вечность характеризуется сроком службы- сооружения, который
определяется в зависимости от условий обеспечения безопасности
или экономических соображений. Различают физическую и мораль-
ную (технологическую) долговечность. Физическая долговечность
определяется физическими и техническими характеристиками со-
оружений: прочностью, устойчивостью, водонепроницаемостью
и т. д. Моральная долговечность зависит от соответствия соору-
жения современным требованиям по своему назначению или техно-
логическому процессу, происходящему в нем.
Приспособленность сооружения к предупреждению, обнаруже-
нию и устранению отказов называется его ремонтопригодностью.
Численно ремонтопригодность характеризуется временем, которое
потребуется на предупреждение, отыскание места, причин отказа и
его устранение.
2. Задачи технической эксплуатации. Техническая эксплуатация
гидротехнических сооружений преследует две цели: обеспечение
оптимальных условий для выполнения ими технологических
функций (выработку электроэнергии, водоснабжения, регулирова-
ние расхода и т. д.) и предупреждение преждевременного износа
сооружений при минимальных эксплуатационных затратах.
На различных этапах готовности сооружения эти цели дости-
гаются эксплуатационной службой (дирекцией) сооружения или
объекта путем решения следующих задач:
на этапе разработки проекта проверяется соответствие материа-
лов, конструкций и сооружений в целом параметрам его конструк-
тивной надежности, технологическим параметрам, экономичности
строительства и эксплуатации сооружения, архитектурным и эсте-
тическим требованиям к облику сооружения и т. п.;
286
на этапе строительства и приемки сооружения в эксплуатацию
ведется контроль за качеством конструкций и оборудования,
строительно-монтажных работ и соответствия их проекту, надзор
за установкой контрольно-измерительной аппаратуры, приемка
сооружения в эксплуатацию на основе СНиПа (ч. III);
в эксплуатационный период проводятся наблюдения и контроль
за состоянием и условиями работы, сооружений и оборудования,
принимаются меры против возможных нарушений их правильной
работы (во время паводка, шторма, землетрясения и т. д.), выпол-
няются ремонтные работы по ликвидации дефектов, повреждений и
аварий, разрабатываются мероприятия по увеличению эффектив-
ности использования водотока путем реконструкции гидросооруже-
ний и их оборудования, устанавливается необходимость проведения
специальных исследований и объем наблюдений.
3. Организация технической эксплуатации гидросооружений и
производственных зданий на территории гидроузла (за исключени-
ем энергетического, механического и электротехнического оборудо-
вания) осуществляется гидротехническим цехом или участком ди-
рекции объекта. Комплекс мероприятий ио выполнению указанных
задач эксплуатации каждого конкретного сооружения определяется
Правилами технической эксплуатации электрических станций и се-
тей, Положением о планово-предупредительном ремонте гидротехни-
ческих сооружений и проектом эксплуатации, разработанным про-
ектной организацией.
Техническая эксплуатация гидросооружений заключается в осу-
ществлении: 1) ухода за конструкциями и оборудованием, путем
проведения технического обслуживания (ежедневного и сезонно-
го); 2) диагностики состояния конструкций и оборудования на ос-
нове материалов осмотров, наблюдений и исследований; 3)' систе-
мы планово-предупредительного ремонта.
Техническое обслуживание осуществляется эксплуатационным
персоналом на основе инструкции для каждого отдельного соору-
жения и заключается в осуществлении ухода, осмотров и наблю-
дений.
Профилактический осмотр проводится с целью определения со-
стояния сооружения, своевременного обнаружения дефектов и вы-
яснения причин их возникновения. Периодичность осмотров и их
объем устанавливаются с учетом особенностей конструкции, техни-
ческого состояния сооружения н условий эксплуатации. На неболь-
ших сооружениях наблюдения и техническое обслуживание могут
быть сокращены до минимума. Как правило, профилактические
осмотры являются визуальными и ежедневными.
Наблюдения заключаются в систематическом замере показаний
контрольно-измерительной аппаратуры и выполняются эксплуата-
ционным персоналом по графику, составленному проектной органи-
зацией. Исследования проводят для более глубокого изучения от-
дельных вопросов эксплуатации гидросооружений с привлечением
проектных и научно-исследовательских институтов. Результаты
осмотров, наблюдений в исследований служат для диагностики
287
(распознавания) состояния сооружений, конструкций или оборудо-
вания, выявления их повреждений, анализа признаков и причин
повреждений, для обоснования ремонтных работ, модернизации и
реконструкции сооружений.
На гидросооружениях выполняют два вида ремонтных работ:
текущий и капитальный. Текущий ремонт сооружений и оборудо-
вания проводится эксплуатационным персоналом для предохране-
ния сооружения от преждевременного разрушения или для устра-
нения таких повреждений (дефектов), которые не снижают его
основных эксплуатационных характеристик. Капитальному ремонту
подвергаются сооружения и оборудование по достижении ими пре-
дельных (установленных) сроков службы или в связи с повреж-
дениями, которые угрожают аварией или снижением их эксплуа-
тационных характеристик. Капитальный ремонт выполняется спе-
циализированными организациями по заранее разработанному
проекту. При резком ухудшении технического состояния соору-
жения проводят аварийный внеплановый ремонт, который относят
к текущему или капитальному в зависимости от характера по-
вреждений, состава и объема работ.
4. Наблюдения за гидротехническими сооружениями и оборудо-
ванием. Систематические наблюдения в период эксплуатации ве-
дутся: 1) за осадками и деформациями (смещениями) сооруже-
ний и их частей, оснований, откосов, берм, склонов и берегов в
районе сооружения и водохранилища (с признаками оползней,
обвалов, осыпей и пр.); 2) за воздействием открытого потока воды
на сооружение и его элементы, дно и берега русла в верхнем и
нижнем бьефе (за уровнями и расходами воды, волнами, размыва-
ми и отложениями наносов, кавитационными разрушениями, аэра-
цией и т.п.); 3) за фильтрацией через сооружения, основания и бе-
рега (за уровнями, расходами и давлениями фильтрационных вод,
работой швов, противофильтрационных и дренажных устройств,
возможной суффозией в земляных сооружениях и основаниях, вы-
щелачиванием бетона и скальных пород оснований и т. п.); 4) за
напряжениями, пульсационными динамическими нагрузками, вибра-
цией сооружений и их элементов; 5) 'За температурным режимом
сооружения, водохранилища и нижнего бьефа (температурами, ле-
довыми воздействиями, образованием шуги и обледенением соору-
жений и пр.).
При наблюдениях за напорными бетонными гидротехническими
сооружениями состояние их элементов и качество бетона оценива-
ются: визуально (сколы, трещины, раковины, обнажения арматуры,
признаки фильтрации и выщелачивания бетона и пр.), простукива-
нием (отслоения, пустоты, прочность бетона), выбуриванием кернов
и по удельному водопоглощению пробуренных скважин (прочность
и фильтрация) или прозвучиванием бетона методами ультразвуко-
вой дефектоскопии.
При наблюдении за земляными сооружениями самым тщатель-
ным образом должны обследоваться: крепления откосов, дренаж-
ные системы, участки сопряжения земляных и бетонных сооруже-
288
ний (осадки и деформации, интенсивность контактной фильтрации
и суффозионные явления), положение депрессионной кривой.
Наблюдения за металлическими конструкциями, облицовками,
пазовыми конструкциями затворов и т. и. должны выявлять состоя-
ние их поверхностей (появление коррозионных, абразивных или ка-
витационных разрушений, обрастание микроорганизмами и пр.).
Подводные части сооружений периодически обследуются водо-
лазами.
§ 31.2. РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Намечая ремонтные мероприятия, прежде всего необходимо ус-
тановить причины повреждений. Если не устранены причины, то
простая заделка повреждений может не дать результатов, и повреж-
дения сооружения могут снова возникнуть и в другом месте.
1. Ремонт и восстановление поврежденных земляных сооруже-
ний. Повреждения напорных земляных гидротехнических сооруже-
ний— плотин, дамб происходит под воздействием фильтрационного
потока, волновых колебании уровней воды в бьефах, льда, атмо-
сферных осадков и температур либо в результате недопустимых
условий эксплуатации сооружения. Защита низовых откосов от
повреждения поверхностными водами обеспечивается укладкой дер-
на в клетку. Клетки заполняются растительным грунтом, по кото-
рому осуществляют посев трав. Защитные крепления верховых
откосов в зоне колебания уровней воды приходится ремонтировать
через Юн-15 лет. Надежным и экономичным решением защитного
противоволпового крепления земляных откосов являются железо-
бетонные ящики без дна, устанавливаемые по слою подготовки и
загружаемые камнем.
Скрытые от наблюдения дефекты проявляются при вводе соору-
жения в эксплуатацию. Так, при наполнении водохранилища Кре-
менчугского гидроузла в основании низового откоса земляной пло-
тины появлялись грифоны («фонтанчики») воды и возникали мест-
ные просадки грунта, труб дренажа и фильтров. Это вызвано было
тем, что устройство трубчатого дренажа и коллектора заканчивали
при подтоплении со стороны поймы и фильтрации через тело пло-
тины, что повлияло на качество отсыпки обратного фильтра и вы-
звало суффозионные явления. Часть дренажа вскрывали и уклады-
вали заново с отсыпкой нового фильтра.
Для быстрого устранения местного выноса грунта из очага
фильтрации на низовом откосе целесообразно применять деревян-
ные яшпки с сетчатым дном и уложенным в них обратным фильт-
ром. Укладка по откосу обратного фильтра из 2-4-3 слоев песчано-
гравелистого грунта прекращает суффозию.
Для снижения величины фильтрационного расхода необходимо
обеспечить противофильтрационные мероприятия со стороны верх-
него бьефа (забивку шпунта, создание цементационной завесы в
теле и основании плотины, покрытие верхового откоса глинистым
грунтом, битумными матами или пленкой и т. п.). При необходимо-
289
стц следует понизить уровень воды в верхнем бьефе и произвести
ремонтные работы насухо или при малом напоре.
2. Ремонт и восстановление бетонных сооружений. Физическая
долговечность бетонных сооружений нарушается в результате фи-
зико-химической или физико-механической коррозии, местных де-
формаций, кавитационных воздействий, истирания наносами, ударов
плавающих тел и других факторов.
При устранении повреждений на бетонной поверхности (рако-
вин, выбоии, сколов, трещин, эрозионных разрушений) место ремон-
та тщательно подготавливают, очищают, старый бетон частично
вырубают, а арматуру зачищают металлическими щетками. Де-
фекты значительных размеров бетонируют с установкой стальных
анкеров и арматурной сетки (рис. 31.1). Поверхность бетона в зоне1
кавитационных и абразивных разрушений покрывают слоем пласт-
бетонов, приготавливаемых на основе эпоксидных смол. Защита
сильно трещиноватой бетонной поверхности от фильтрационной во-
ды обеспечивается покраской битумными составами, оклеенной гид-
роизоляцией, а в серьезных случаях — по-
крытиями в виде пластырей, экранов и
масок. Подводные элементы бетонных со-
оружений осушают или ремонтируют во-
долазы с применением способов подвод-
ного бетонирования.
7 7
Рис. 31.2, Заделка поверхностных
трещин путем устройства внешнего*
уплотнения:
/ — прижимной уголок; 2 — лист; 3 —
анкер: 4— трещина; 5 — просмоленная,
доска; 6 — резиновая прокладка: 7—
штуцер
Рис. 31.1. Схема ремонта мест-
ных повреждений бетонного
сооружения:
1 — контур разрушения; 2 — контур
зачистки зоны разрушения; 3—ан-
кер; 4— арматурный стержень; 5 —
сетка поверхностного слоя; 6—щит
опалубки; 7—подача бетона
Основным средством, лечения внутренних дефектов бетона явля-
ется метод цементации. Он широко используется при омоноличива-
нии строительных швов и внутренних трещин в плотинах.
Повышения качества цементации дефектов бетона можно до-
стигнуть за счет диспергирования цементных частиц и приготовле-
ния коллоидно-цементных растворов, которые хорошо проникают в
трещины и даже поры бетона, обладают высокой адгезионной
прочностью, значительно повышают консолидацию бетона.
290
При наличии крупных поверхностных трещин или расстройстве
швов, когда цементация или битумизация неэффективны, насухо
устраивают внешнее противофильтрационное уплотнение (рис. 31.2).
Если же осушение осуществить невозможно, то делают внутрен-
нюю шпонку. В ряде случае восстановление битумных шпонок, име-
ющих прямолинейный канал, с установкой нового нагревателя ока-
зывается более простым и экономичным решением, чем устройство
новых шпонок.
3. Ремонтно-профилактические мероприятия при эксплуатации,
металлических конструкций. Металлические элементы сооружений
(закладные н опорно-ходовые части затворов, защитные облицовки,
'обделки, трубопроводы и пр.), элементы верхнего строения (фермы
и опоры мостов) и затворы подвержены коррозии, воздействию
•агрессивных вод и микроорганизмов, кавитационным н абразив-
ным нарушениям.
Основные меры борьбы с коррозией сводятся к нанесению за-
щитных масляных, водоэмульсионных, битумных и других покры-
тий. Лакокрасочные материалы и металлизация не только защи-
щают металлоконструкции от разрушений, но и придают им хоро-
ший внешний вид. Долговечность защитных покрытий зависит от
качества подготовки и грунтовки покрываемой ими поверхности,
которая должна быть очищена от пыли, грязи, ржавчины, масля-
ных пятен и старого покрытия. Кавитационные разрушения незна-
чительных объемов восстанавливаются электросваркой с примене-
нием электродов из высокопрочных сталей, с последующей зачист-
кой неровностей отремонтированной поверхности.
Защита от коррозии металлических шпунтовых стенок может
быть повышена применением силикатизации или битумизации
грунта за стенкой. Если поверхность шпунтовых стенок доступна
для вскрытия и нанесения защитных покрытий, то применяют со-
ставы каменноугольных смол с добавлением гашеной извести, во-
достойкие цементы, битумные растворы или оболочки под защитой
опалубки и т. п.
4. Восстановление русловых креплений и борьба с размывами.
Борьба с размывами дна и берегов русла может осуществляться
как пассивными методами (усилением защитных креплений), так
и регулированием режимов потока (применением гасителей — рас-
текателей, регуляционных струенаправляющих сооружений, изме-
нением схемы маневрирования затворами и пр.). Ремонт креплений
береговых откосов следует начинать с установления причин и лока-
лизации очага разрушений. После разборки поврежденного крепле-
ния и очистки места ремонта производят подсыпку откоса до про-
ектного профиля и укладывают новое крепление. Часто источником
разрушения креплений и интенсивных размывов русла в нижнем
бьефе является сосредоточенный сброс и концентрация расходов
воды за отдельными пролетами водосливной плотины. В этом слу-
чае прежде всего необходимо изменить неблагоприятный режим
работы водосброса, а затем приступить к выполнению ремонтных
работ. Крепление дна (водобой, рисберма) и гасители ремонтиру-
291
ют, производя подводные работы, применяя местное осушение. Ре-
монт рисберм и концевых участков крепления.в нижнем бьефе ча-
ще всего приходится вести методом подводной кладки с использо-
ванием тяжелых тюфяков, фашин, каменной наброски, бетонных
массивов, ряжей, габионов (см. гл. 27).
Интенсивное гашение энергии потока можно обеспечить путем
наращивания водобойной стенки, устройством дополнительных га-
сителей (шашек, зубьев, порогов) и носков-расщепителей.
Повреждения регуляционных сооружений под воздействием
волн, льда, наносов должны ремонтироваться немедленно.
Рис. 31.3. Поэтапное возведение и наращивание
гравитационной плотины Ирабья:
1 — начальный профиль; 2, 3, 4 — первое, второе,
третье наращивание; 5 — намечаемое четвертое нара-
§ 31.3. РЕКОНСТРУКЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
1. Цели и виды реконструкции гидротехнических сооружений.
Развитие водного хозяйства, растущая потребность в воде н более
рациональном использовании ее природных запасов, появление но-
вых технологий, конструкций и материалов приводят к моральному
старению гидротехнических сооружений и необходимости их модер-
низации и реконструкции. Так, приходится увеличивать степень
зарегулированности стока ввиду увеличения потребления воды. Это
требует повышения напора на плотине, увеличения высоты плотины.
В других случаях приходится увеличивать устойчивость и проч-
ность плотин, пропускную способность существующих водосбросов.
Задача повышения напора на сооружении весьма ответственная,
так как при этом сооружение может стать неустойчивым, изменя-
ются напряженное состояние тела плотины, гидравлические, фильт-
рационные и другие усло-
вия его работы. В ряде
случаев мероприятия по
реконструкции связаны с
обеспечением надежности
работы сооружений в но-
вых условиях, вызванных
другими причинами.
Например, для обеспече-
ния нормальной работы бе-
тонной гравитационной плоти-
ны Листер (ФРГ) высотой
40 м, в связи с ее подтопле-
нием (до 2/3 высоты) с низо-
вой стороны новым водохра-
нилищем Бигге, было необхо-
димо ' построить два сифонных
водоспуска, компенсирующих
потерю пропускной способно-
сти подтопленных водоспу-
сков, произвести цементацию
основания и устроить дренаж.
Последовательное (повы-
шение напоров некоторых гид-
роузлов осуществлялось в 3-г-
4-4 этапа через ряд лет. Ста-
рая Асуанская плотина (АРЕ)
292
Рис. 31.4. Приспособление левобережных пролетов плотины Днепрогэс для
устройства машинного здания Днепрогэс-2, расположенного за водосливной
плотиной:
1— водослив; 2 — бык; 3 — водовод; 4 — здание ГЭС
Рис. 31.5. Варианты наращивания тела Земляной плотины и водосбросов шахт-
ного типа:
а — селезащитная плотина; б— наращивание плотины с экраном и шахтного водосброса;
1 — отложения селя в водохранилище; 2— тело новой плотины; 3 —тело старой плотины;
4 — водоприемник; 5 — вихревой водосброс; 6 — отводящий туннель
высотой 30 м была повышена до 35 м, затем до 45 м, и в третий раз намечалось
повышение ее до 50 м. Реализация последнего третьего повышения стала излишней
вследствие строительства высотной Асуанской плотины по проекту и при участии
СССР. Плотина Понтальто (Италия) надстраивалась четыре раза, плотина Ирабья
(Испания) наращивалась трижды (рис. 31.3).
В Советском Союзе большие объемы работ по реконструкции были проведены
в период восстановления гидротехнических сооружений, поврежденных в годы
Великой Отечественной войны. При восстановлении взорванной фашистами
в 1943 г. Днепровской плотины напор был увеличен почти на 1 м, а установлен-
ная мощность ГЭС — на 100 тыс. кВт. В настоящее время реализован проект
реконструкции левобережных водосливных секций плотины в водоприемник для
Днепрогэс-2 с установленной мощностью 828 тыс. кВд (рис. 31.4). Строительство
Днепрогэс-2 стало возможным после создания Кременчугского и других водо-
хранилищ на Днепре, трансформирующих волну наводка, что уменьшило в ство-
ре Днепрогэс расчетный сбросной расход, освободив часть водосливного фронта
плотины для размещения водоприемника второго машинного здания гидроэлек-
тростанции.
Реконструкция набросной плотины и водосбросов в урочище Медео вызвана
прохождением в 1973 г. селевого потока катастрофической величины, который
почти полностью заполнил наносами предназначенное для него водохранилище
(рис. 31.5, а). Проектом реконструкции предусматривается строительство новой
плотины и системы многоярусных вихревых водосбросов шахтного типа
(рис. 31.5, б).
Шахтные водосбросы при необходимости удобно достраивать по высоте
в две-три очереди. Примером служат строительство водохранилищных плотин и
шахтных водосбросов на р. Неберджай (СССР) и на р. Жиливка (ЧССР). Рекон-
струкция сооружений этих гидроузлов обусловлена перспективой развития водо-
снабжения Новороссийска и Праги.
2. Повышение напора земляных и каменно-набросных плотин.
Наращивание грунтовых плотин приходится осуществлять без опо-
рожнения или с частичным опорожнением водохранилища, не нару-
шая нормальной эксплуатации гидроузла. Основные работы по
уширению профиля производятся с низовой стороны плотины
(рис. 31.6, а—г). Верховой откос плотины в надстроенной части
желательно принять более крутым. Для сохранения оси гребня
плотины в створе сооружений первой очереди с верховой стороны
в каменно-земляной плотине может быть сделана отсыпь и по вер-
ховому откосу (рис. 31.6, д). Для лучшего сопряжения вновь отсы-
паемого материала с телом плотины первой очереди поверхность
контакта необходимо обработать уступами (рис. 31.6, б). Подсы-
паемая с низовой стороны часть профиля плотины не должна со-
здавать подпора фильтрационных вод и тем повышать их депрес-
сионную поверхность. Полезно систему дренажа плотины остав-
лять без изменения, соединяя ее с нижним бьефом (рис. 31.6, а).
Последующая осадка надстроенной части плотины не должна
расстраивать противофильтрациониых элементов: грунтовые экраны
сопрягаются зубом или шпунтовой стенкой, жесткие диафрагмы —
шарнирным швом, а между новым и старым экраном устраиваются
гибкие и водонепроницаемые швы.
3. Повышение бетонных гравитационных плотин. Трудности по-
вышения бетонных плотин заключаются как в сложности обеспече-
ния их общей прочности и устойчивости, так н надежности шва
контакта сопряжения старой и новой части плотины при их совмест-
ной работе в новых условиях.
294
Повышение бетонных гравитационных плотин может осущест-
вляться реконструкцией гребня плотины, уширением ее профиля в
сторону верхнего или реже нижнего бьефа, с сохранением или из-
менением первоначальной конструкции, опорожнением пли без
Рис. 31.6. Принципиальные схемы наращивания плотин из местных материа-
лов:
/ — первоначальный профиль; 2 — досыпка для повышения плотин
опороженения водохранилища (рис. 31.7). Если гравитационная
плотина обладает достаточным запасом устойчивости и прочности,
то она может быть повышена только реконструкцией ее гребня, при
необходимости с анкеровкой его (рис. 31.7, а) или наращенной ча-
сти (рис. 31.7, б).
Уширение профиля плотины в сторону верхнего бьефа улучша-
ет совместную работу о,бсих частей сооружения и полезно в случае,
если старая плотина имела значительную водопроницаемость. При;
более значительном повышении плотины приходится уширять ее,
причем рациональным по условиям надстройки и эксплуатации яв-
ляется повышение плотины с укладкой бетона с низовой стороны,
при котором строительные швы ориентируются по траекториям
главных напряжений (см. рнс. 31.3, 31.7). Если допустимо опорож-
нение водохранилища, то укладывают новый бетон с напорной сто-
роны или даже в сторону верхнего и нижнего бьефов (рис. 31.7,
в, г). Более экономичным решением является наращивание плоти-
ны в виде железобетонной стенки, устойчивость которой обеспечи-
вается устройством контрфорсов с низовой стороны (рис. 31.7, д, е).
При реконструкции плотины Месван (Норвегия), учитывая неудовлетвори-
тельное состояние ее бетона, решено было со стороны напорной грани установить
наклонную железобетонную стенку (рис. 31.7, ж). Наличие такой стенки пол-
295
костью снимает взвешивающее давление воды и гидростатическое давление с вер-
ховой грани, защищая оетон тела плотины от фильтрационных вод. Для снятия
растягивающих напряжений на напорной грани плотины была сделана отсыпь
грунта с низовой стороны плотины (рис. 31.7, з).
Рис. 31.7. Схемы последовательного наращивания и усиления гравитацион-
ных плотин:
1 — первоначальная конструкция; 2 — усиление конструкции для повышения напора
Во многих случаях при повышении бетонных гравитационных
(и контфорсных) плотин целесообразно (см. ч. 1, § 10.6) использо-
вать напряженно-заанкеренные с основанием тяжи. Тяжи, разви-
вающие необходимые усилия, располагают в колодцах, проходящих
в теле плотины, либо в буровых скважинах, смещенных в сторону
верхнего бьефа. Тяжи располагают вертикально или с незначитель-
296
заполнив пространство'
Рис. 31.8. Схемы последовательного нара-
щивания контрфорсных плотин:
1 — первоначальная конструкция; 2 — после рекон-
струкции
ным наклоном к вертикали. Усилия в анкерных тяжах изменяются?
в широких пределах, например от 700 кН (70 тс) (плотина Танса^
Индия) до 14 000 кН (1400 тс) (плотина Гауден, Англия).
4. Повышение контрфорсных плотин без уширения их перво-
начального профиля можно осуществить,
между контрфорсами бето-
ном (рис. 31.8, а). Запас а]
устойчивости контрфорсной
плотины при этом сохраня-
ется с увеличением ее перво-
начальной высоты на 15-4-
4-25%. Такое решение было
осуществлено при повыше-
нии плотины Бургомиллодо
(Италия).
Наращивание контрфор-
сных плотин без опорожне-
ния водохранилища может
быть произведено развитием
контрфорсов в сторону
нижнего бьефа — их утол-
щением и усилением напор-
ных перекрытий (оголовков,
плит или арок) первой оче-
реди на действие дополни- ;
тельной нагрузки (рис.
31.8, б, в, г).
Если плотина обладает
запасом устойчивости, то
ее высота может быть уве-
личена реконструкцией ее
гребня, как это сделано на
плотине Поссум Кингдом
(США) (рис. 31.9).
™,0
а)
^305,0
3000
о
^3/3,3
Рис. 31.9. Плотина Поссум Кингдом:
а —затворы на гребие до реконструкции; б —затворы на гребие после реконструкции
297

5. При повышении арочных плотин возникает необходимость
увеличивать толщину арки первой очереди. Наращивание осущест-
вляют возведением новой арочной плотины вплотную к существую-
щей арке со
ZJl
7 i
Рис. 31.10. Схемы последовательного нара-
щивания и усиления арочных плотин:
1, 2, 3, 4 — очереди строительства

co стороны
AjA /?J A
стороны верхнего или нижнего бьефа (рис. 31.10, а, б).
Для составных арок темпе-
ратурные усилия оказывают-
ся менее значительными,
чем в эквивалентных их мо-
нолитных арках.
При этом следует иметь
в виду, что расположение
новой плотины
нижнего бьефа (рис. 31.10,
б) по условиям врезки свя-
зано со значительными труд-
ностями и без опорожнения
водохранилища небезопас-
но. Бетон низовой арки
вследствие усадочных де-
формаций может отделить-
ся от старого бетона, вызы-
вая перегрузку в обеих ча-
стях сооружения. Арочные •
щлотины могут также нара-
щиваться послойно с после-
дующим их усилением со
стороны низовой грани (рис.
31.10, в).
Более экономичным по
расходу материала усилением арочной плотины является устройст-
во с низовой стороны сквозной несущей решетки, образованной го-
ризонтальными арочными кольцами и вертикальными ребрами —
консолями (рис. 31.10, г). Система сквозной арочно-консольной
решетки может быть усилена устройством с низовой стороны арки
сплошной железобетонной оболочки (рис. 31.10, д).
ГЛАВА 32
ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
Исследования на моделях и натурные наблюдения за реальны-
ми сооружениями являются важным и надежным средством конт-
роля результатов проекта и дальнейшего развития теории расчета
гидротехнических сооружений — объективным критерием истины
теоретических разработок.
Исследования гидротехнических сооружений бывают двух видов;
лабораторные и натурные; последние теснейшим образом связаны
с эксплуатацией сооружений (см. § 31.1).
При относительно небольших затратах на опыты (не превы-
шающих обычно 0,2% от стоимости сооружения) в гидротехниче-
ских лабораториях разрабатываются и проверяются рациональные
и надежные в эксплуатации формы сооружений, новые и экономич-
ные методы их возведения, с избытком покрывающие затраты на
модельные исследования. В настоящее время ни одно более или
менее крупное строительство гидросооружений не обходится без
лабораторных гидротехнических исследований.
А. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИИ
Лабораторные исследования бывают трех видов: стандартные,
модельные и общие.
Стандартные исследования позволяют судить о качестве мате-
риалов сооружений и их оснований, их физико-технических харак-
теристиках, признаках и свойствах, которые определяют по образ-
цам и пробам стандартными методами и аппаратурой в соответст-
вии с ГОСТом. Модельные исследования в лабораториях проводят-
ся на макетах, действующих моделях и стендах. Макеты сооруже-
ний используют при объемном проектировании — исследовании
компоновок сооружений и оборудования. Широкое развитие в ла-
бораторной гидротехнической практике получил метод моделирова-
ния на физических моделях.
«Моделирование это есть замена изучения интересующего нас
явления в натуре изучением аналогичного явления на модели мень-
шего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных
условиях»*. Стенды используют для изучения фильтрационных,
кавитационных и других явлений, работы сложного механическо-
го оборудования плотин, шлюзовых камер, испытания и исследо-
вания гидромашин.
Общие исследования на специальных установках проводят в
лабораториях с целью изучения общих закономерностей явления и
решения общенаучных проблем, имеющих принципиальное значе-
* Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. М., 1977, с. 56'.
299
ние как для развития теории и практики гидротехнического строи-
тельства, так и эксплуатации сооружений. В лабораториях прово-
дятся исследования: гидравлические, в том числе кавитационные
и фильтрационные; статические и динамические исследования проч-
ности и деформации сооружений, их элементов и оснований; изу-
чаются термические, ледовые и волновые воздействия на соору-
жения; явления вакуума, кавитации и аэрации потока*.
§ 32.1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
I. Основы теории подобия и размерности. Моделирование меха-
нических явлений ведется на основе теории подобия и размерности.
Подобными называют явления, которые протекают в геометри-
чески подобных системах, когда наблюдаются процессы одинако-
вой физической природы, а одинаковые величины в сходственных
точках имеют постоянные между собой отношения.
Подобие обеспечено, если значение любой физической величи-
ны в натуре Л, может быть получено путем умножения ее модель-
ного значения сц на постоянный множитель:
Al = > (32.1)
где — масштабный коэффициент.
Различные физические величины связаны между собой опреде-
ленными соотношениями, которые обусловлены природой явления,
а их значения зависят от системы единиц измерения. Для механи-
ческих систем достаточно назначить единицы измерения для трех
основных величин (длины L, времени Т, массы М), чтобы выразить
единицы измерения всех других механических величин (площади,
объема, скорости, ускорения, силы, энергии и т. п.). Размерности
основных физических величии называют основными, а всех других
величин — производными.
Выражение производной единицы измерения через основные
называется размерностью. Размерность силы [F]=ML/7'2 в системе
СИ составляет 1Н=1кг-м/с2.
Формулы размерности всех физических величин имеют вид сте-
пенного одночлена
[A\ = LlMniTt. (32.2)
Формулу размерности можно рассматривать как сжатое опре-
деление и характеристику физической природы производной ве-
личины.
Подобие двух механических систем определено, если установле-
ны связь (закон моделирования) и подобие (маштаб моделирова-
ния) для основных величин: длины, времени и массы.
* В настоящее время пет пи одного крупного гидроузла, работа сооружений
которого не исследовалась бы на физических моделях.
300
На основе второго закона Ньютона сила инерции для натуры и
модели равна:
где Л4Н, Мм, vH) vM, ta, tM —• масса, скорость и время соответственно
для натуры и модели.
Если в уравнение для натуры (32.3) ввести с учетом (32.1)
масштабные коэффициенты, то
— Ч/ЧК . ,. »
т. e. оно будет тождественно второму уравнению (32.3) (для моде-
ли) лишь при условии
' <Э2.4>
Комплекс сомножителей (32.4) называется индикатором по-
добия, который при моделировании отражает связь между масш-
табными коэффициентами размерных физических величин. Если
подобие двух явлений обеспечено, то индикатор подобия равен 1.
Из уравнения (32.4) масштаб сил инерции
= (32.5)
где р — плотность; Хр — масштабный коэффициент плотности.
Масштабные коэффициенты в формуле (32.5) можно заменить
соотношениями размерных величин:
Е// = рн/2у2/(рм/2^). (32.6)
и из формулы (32.6) установить безразмерные характеристики
(критерии), которые в подобных системах имеют одинаковые чис-
ловые значения
Е/(Рн/Х) = //(РМ'>м) = Ке- > (32.7)
Безразмерный комплекс Ne называется общим критерием ме-
ханического подобия Ньютона. В динамически подобных явлениях
критерии подобия равны:
NeH == NeM (Ne = idem)' (32.8)
2. Частные законы подобия. Универсальными характеристика-
ми изучаемого явления, независящими от системы единиц измере-
ния, являются безразмерные соотношения'—-параметры, сущест-
венно упрощающие исходные уравнения и отражающие причинные
связи между размерными величинами. Чем меньше величин тре-
буется для описания явления, тем более простыми оказываются
модели и измерения • ' более обобщенными практические резуль-
таты.
301
Записывая отношения сил инерции к силам различной физиче-
ской природы, получаем частные критерии подобия:
силы инерции ин -л
----------------=------- —-------= Fr — критерий]Фруда;
силы тяжести £HZH y.vlZ..,
силы инерции vHZH
---------—— = = Re — критерий Рейнольдса;
силы трения \н 'м
2 2
силы инерции. Рн^„ Рмум
= —-— = —-----• = Ей — число Эйлера;
силы давления--------------------Рн Ры
силы инерции Рн^н^ Рм^м^м
------------------- = = = We — критерий Вебера;
капиллярные силы са--------------см
2- 2
силы инерции Рнин Pmwm
------------------- =------= --------= Са — критерий Коши.
силы упругости с„ Ем
При неустановившемся. движении жидкости условия подобия
устанавливаются с учетом критерия Струхаля
Sil = VKTyJE ~
где g— ускорение свободного падения; v — кинематическая вяз-
кость; Р — давление; с — поверхностное натяжение; Е — модуль
упругости.
3. Правила пересчета результатов модельных исследований на
натуру. При гидравлическом моделировании (2ig = Xp = Xv= 1) по-
лученных критериев подобия вполне достаточно, чтобы полностью
определить значения других масштабных коэффициентов (X;;
...) .
Масштабные коэффициенты физических величин принято выра-
жать в зависимости от линейного (геометрического) масштаба
модели.
Рассмотрим простейшие случаи моделирования.
Моделирование явлений с преобладающим действием сил тя-
жести (Fr = idem) при условии gn—g№ (Ag=l) приводит к соот-
ношению
= (32.9}
ИЛИ
Масштаб времени при этом \t = VT~i
Необходимо также соблюдать условие сохранения физической
сущности явления, обеспечивая одинаковый для модели и натуры
режим движения потока (турбулентный или ламинарный) и его>
характер (бурный или спокойный Fr^l).
302
Моделирование явлений с преобладающим действием сил вяз-
кости (Re = idem) при v., -=vH (Z.v=l) приводит к соотношению
ИЛИ
"Гн/г'м = ^мДн* т. е. лг? = 1/Л/. - (32.10)
Масштаб времени при этом 7,(.
Из соотношений (32.9) и (32.10) видно, что условия пересчета
результатов опытных данных при моделировании по Фруду и Рей-
нольдсу различны (табл. 32.1).
Таблица 32.1
Масштабы гидравлического моделирования
Моделирование при совместном действии сил тяжести и вяз-
кости требует выполнения условий
Fr — idem; Re = idem. (32.11)
При?.я=1 (£н=£м) из условий (32.11) следует
X =А?''2
(32.12)
которое указывает на необходимость моделирования вязкости жид-
кости и ограничения выбора геометрического масштаба моде-
ли
4. Особенности моделирования гидравлических явлений. В об-
щем виде при гидравлическом моделировании приходится учиты-
вать: инерционные силы при неустановившемся движении Sh, силы
тяжести Fr, силы вязкости Re и силы давления Ен. Кроме отмечен-
ных силовых факторов в большей или меньшей степени постоянно
проявляют себя силы: упругости Са (число Коши), поверхностного
натяжения We (число Вебера), пульсаций динамического давле-
ния Ен, Ка (число Кармана) и др. Поэтому, приступая к экспери-
менту, необходимо установить-основной критерий подобия, т. е.
выделить основные силовые факторы, определить область исследо-
ваний, где эти факторы имеют определяющее значение, а где сле-
дует учитывать влияние сопутствующих силовых факторов.
303
Практически одновременно полного (строгого) подобия всех
физических величин различной природы осуществить невозможно.
Область, в которой влиянием некоторого критерия (фактора)
можно пренебречь, называется автомодельной по данному крите-
рию.
Часто при мелком масштабе модели (ReM<ReKp) условия подо-
бия между моделью и натурой нарушаются по техническим причи-
нам: невозможно сделать модель по условиям шероховатости бо-
лее гладкой, чем натура; между частицами несвязаного размывае-
мого грунта на модели возникают силы сцепления; нарушается
соответствие режимов движения модельного и натурного потоков;
снижается точность измерения и пр. Переходя же на более круп-
ные модели, приходится расходовать значительно больше сил
и средств, использовать мощное насосное оборудование и значи-
тельные площади.*.
Отмеченные трудности моделирования па мелких и крупных
моделях устраняются при приближенном моделировании с иска-
жением геометрических масштабов модели А,/=И=А,л.
При этом принимают степень искажения п = А,;Дл=£=6—10, увели-
чивая вертикальный масштаб модели по сравнению с горизонталь-
ным. Такое искажение фактически приводит к форсированию
гидравлического уклона, скоростей и силы влечения наносов. При
этом соответствие расходов и уравнений по кривой Q = f(H) долж-
но. быть обеспечено. Искажение масштабов модели приводит к ис-
кажению формы русла, обеспечивая соответствие потерь энергии
на гидравлические сопротивления.
Стремясь к удешевлению эксперимента и проведению опытов
на небольших (настольных) моделях (^>1000), ученые разрабо-
тали способ моделирования русловых процессов, компоновок гид-
роузлов и других плановых задач гидравлики на напорных аэро-
динамических моделях**. На уровне воды модель прикрывается
стеклом и контуры русла и сооружений или их отдельных элемен-
тов обдуваются воздушным потоком, заменяющим речной поток.
Если число Фруда, характеризующее натурный поток,
Fr<0,05—0,1 и в натуре движение автомодельно по критерию
Рейнольдса ReH>ReItp, то подобие открытых потоков в натуре и
их напорных моделей определяется условиями
I
X---— idem и ReM > ReKp,
А
где X— коэффициент гидравлического трения; ReKp — значения
критерия (числа) Рейнольдса, при превышении которого достига-
ется автомодельность по Re.
* Модель бассейна р. Миссисипи в г. Джексон (США) занимает площадь
89 га, при горизонтальном масштабе Х;=2000 и вертикальном Хл = 600. Модель
строилась в течение 21 года, стоит 19 млн. долл., ежегодные расходы на ее экс-
плуатацию составляют 150 тыс. долл.
** Лятхер В. М., Прудовский А. М. Исследования открытых потоков на на-
порных моделях. М., 1971.
304
Дополнительными требованиями к моделированию открытых
потоков на воздушных моделях является необходимость иметь глу-
бину потока на модели не менее 14-1,5 см, скорость воздушного
потока не более 404-50 м/с, а отношение ширины потока к глуби-
не— Д//г;>54-6. Необходимость выдержать все эти требования и
определяет масштаб модели.
§ 32.2. ЗАДАЧИ И ПРИБОРЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Гидравлическое моделирование позволяет: выявить гидравли-
ческий режим сооружений и их комплексов, исследовать явления,
которые плохо поддаются теоретическому расчету (сбойность по-
тока, отрывные течения и т. п.), изыскать пути устранения небла-
гоприятных факторов и явлений; выбрать оптимальное из возмож-
ных решений (как бы проектировать сооружения в лаборатории) и
в отдельных случаях наметить пути (схему) для дальнейшего раз-
вития теории расчета.
В гидротехнических лабораториях на физических моделях изу-
чают: а) пропускную способность водосбросных и водозаборных
устройств; б) гашение избыточной кинетической энергии потока
в нижнем бьефе (гасители, крепления русла, пульсации давления,
распределение скоростей за рисбермами); в) воздействие волн на
стенки, откосы сооружений и берега; г) работу затворов водо-
сбросных отверстий, проточной части турбинных блоков, судоход-
ных шлюзов и рыбоходов — часто для этих целей конструируют
специальные гидравлические стенды; д) узлы гидросооружений;
варианты компоновок сооружений, способов пропуска паводков,
ледохода, судов, плотов в строительный или эксплуатационный пе-
риод, перекрытие русл и др.
Основным оборудованием гидролабораторий являются искусст-
венные каналы — гидравлические лотки и русловые площадки.
Для исследования элементов специальных гидротехнических
сооружений и их оборудования используют испытательные стенды
и специальные установки для испытания затворов, турбин, при-
чальных устройств, для исследования сейсмических волновых воз-
действий, кавитации и аэрации потоков.
Гидравлические модели сооружений выполняются из дерева,
цемента, гипсобетона, оргстекла, парафина, металла. Уровни воды
фиксируют реечками — иглами с верньерами или самопишущими
уровнемерами — волнографами. Давление воды измеряют: пьезо-
метрами, манометрами и микроманометрами. Для регистрации
мгновенных давлений (пульсаций давления) широко применяют
приборы дистанционного действия — датчики, показания которых
фиксируют осциллографом.
Датчики могут быть трех типов: точечные — для измерения
давления в отдельных точках модели; моделирующие отдельные
элементы сооружения (гасители, плиты крепления, забральные
балки, элементы затворов и т. п.) и моделирующие все сооруже-
ние в целом (водослив, бык, затвор и т. п.).
11—1777
305
Скорости течения воды определяют поверхностными поплавка-
ми, трубками Пито, Лосиевского, микровертушками, флюгерами,
термоанемометрами и датчиками индуктивного или омического со-
противления. Векторы скоростей фиксируют флюгерами или ки-
носъемкой индикаторов на поверхности или в глубине потока.
Расходы воды при свободной поверхности потока измеряют на
гидравлической модели треугольными мерными водосливами,
а на напорных моделях — водомерами Вентури, измерительными
отверстиями и насадками. Тарировка измерительных приборов
осуществляется весовым или объемным способом.
Параметры волн практически могут быть заданы по любой
программе и воспроизводятся волнопродукторами.
§ 32.3. СТАТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИИ
1. Основы теории моделирования. При проектировании и строи-
тельстве высоких бетонных плотин в самых разнообразных горно-
геологических условиях приходится оценивать напряженное состоя-
ние сооружения и его устойчивость с учетом особенностей скаль-
ного основания.
Теоретические методы расчета гидротехнических сооружений
на сложном основании практически не разработаны. В этом слу-
чае для оценки напряженного состояния широко используются
статические модельные исследования. Модельные исследования
гравитационных плотин в основном проводят на плоских моделях,
а контрфорсных и арочных плотин — на пространственных моде-
лях.
В упругой стадии работы материала плотины основным крите-
рием подобия при моделировании является критерий Гука
Гг = ст;/егД = idem. (32.13)
Подобие напряженного состояния модели и натуры обеспечено,
если критерий Гука для натуры и модели в сходственных точках
имеет одно и то же значение ГН=ГМ.
При двухосном напряженном состоянии связь между напряже-
ниями и деформациями в каждой точке сооружения (модели) оп-
ределяют по формулам:
е )
° у — ; + р-ех); [ (32.14)
Хху = 2(1+(л) [2е45° " (Ч‘ + ^)] ’
где gx и gv — горизонтальные и вертикальные нормальные напря-
жения, тжу— касательные напряжения; Ех> гу и 45° —соответст-
вующие осям х, у и под углом 45° относительные деформации и
ц — коэффициент Пуассона.
306
Результаты измерений с модели на натуру при строгом подо-
бии пересчитывают по формуле (32.1) с использованием масштаб-
ных коэффициентов:
1-1 = I-hOm, ~ ~ стн/(7м =
Хг = Хр.= 1> (32.15)
где /н. 1м, Он. ом. Ен, Ем — соответственно линейные размеры, нап-
ряжения и модули упругости для натуры и модели.
2. Особенности статического моделирования. При изготовлении
моделей для исследования напряженного состояния сооружений,
исходя из формулы (32.13) и соблюдая строгое подобие Х8=Лц= 1,
приходится обеспечивать следующие соотношения между масштаб-
ными коэффициентами:
XTXZ/X£ = = 1 (32.16)
ИЛИ При ?g = 1 = £м)
ХрХ1/Х£=1. (32.17)
Аналогично формуле (32.4) индикаторы подобия (32.16) и (32.17)
при Хе=1 (ен=ем) полностью определяют требования к свойствам
материалов модели (упругости и плотности), если принять ее гео-
метрический масштаб Xz. В условиях статического моделирования
йн=Йм(А,£= 1) выбор тех или иных значений масштабных коэффи-
циентов в формуле (32.17) зависит от метода и возможностей мо-
делирования.
В опытах, обеспечивая точность измерений, стремятся увели-
чить деформации в моделях, для чего применяют материалы с ма-
лыми модулями упругости, а их плотности и удельные нагрузки
увеличивают.
Например, если принять Х;=100 и ХЕ=240 000/30 000=8, то
плотности бетона и воды на основе формулы (32.17) должны мо-
делироваться с коэффициентом
Хр = = 8/100 = °.08 или Рм = 12,5рн. (32.18)
Для бетона обеспечить такое соотношение плотностей более
тяжелым материалом физически невозможно. Воду же приходится
моделировать ртутью, дробью и т. и.
Гидростатическую нагрузку на модели плотины заменяют систе-
мой сосредоточенных сил, которые воспроизводят системой гидрав-
лических домкратов, а собственную массу сооружения — системой
тяг, передающих дополнительные усилия от динамометров на ан-
кера, заделанные в тело модели плотины.
Схема испытательного стенда для исследования моделей плоти-
ны показана на рис. 32.1.
Системой гидравлических домкратов 3 и тяг 14 в модели пло-
тины 7 и основании 10 создается напряженное состояние, соответ-
ствующее принятым масштабам Xz, /,р и А с учетом индикатора
подобия (32.17). Измеренные датчиками 13 деформации по фор-
11* 307
мулам (32.14) пересчитываются в напряжения модели и по форму-
ле (32.15) —в натуру.
В лабораторных условиях статические исследования проводят
на упругих и на хрупких моделях; используются также методы фо-
тоупругости и центробежного моделирования. Исследования по
методу упругой модели ведутся в предположении, что материал
Рис. 32.1. Стенд для статических испытаний моделей плотин:
/ — насос; 2— манометр; 3 — гидравлический домкрат; 4 — шаровой шарнир; 5 — штамп;
5 — резиновая прокладка; 7 — модель плотины; 8—анкер; 9— ферма для крепления индика-
торов; 10 — модель основания; 11— рама стенда; 12— индикатор деформаций; 13— розетка
датчиков; 14— тяга; 15 — натяжное устройство; 16 — динамометр; 17 — рычаг; 18 — опора
рычага; 19— призма
сооружения (бетон) является линейно-упругим изотропным и од-
нородным. Таким образом, упругую модель следует рассматривать
как экспериментальное средство решения задач методами теории
упругости. Метод хрупкой (прочностной) модели основан на моде-
лировании реального сооружения и его основания во всей его
сложности с тщательным воспроизводством граничных условий
(швы, пробки, галереи, трещиноватость и слоистость основания,
зонирование бетона в плотине и т. д.).
3. Материалы для моделирования на упругих и хрупких моде-
лях. Выбор материала модели зависит от метода статических ис-
следований. Для изготовления упругих моделей используют: легкие
бетоны, гипс, органическое стекло (плексиглас), эпоксидные смо-
лы, вальцмассу (смесь желатина, глицерина и воды). Исследова-
308
ния существенно облегчаются, если модель деформируется от срав-
нительно небольших нагрузок.
Метод моделирования на упругих низкомодульных вальцмассо-
вых моделях нагляден и прост, но весьма кропотлива и трудоемка
обработка результатов измерений. Этот метод обычно используют
для предварительной приближенной оценки плоского,напряженно-
го состояния сооружений, так как упругие характеристики вальц-
массовых моделей нестабильны и со временем изменяются.
Вальцмасса, как квазиупругий материал, сглаживает пики
(концентрации) напряжений и обладает относительно высоким
значением коэффициента Пуассона (цм = 0,54-0,3). Кроме ХцУ=1
(рц«0,2) строгое подобие при моделировании на линейно упругих
моделях нарушается также из-за того, что для бетона связь меж-
ду напряжениями он и деформациями ен не линейна. Материал
Рис. 32.2. Индикаторные диаграммы
материалов o = f(e.):
1 — модель; 2 — натура
Рис. 32.3. Картина разрушения хруп-
кой модели арочной плотины:
1 — правый берег; 2 — левый берег
модели по своим упругим свойствам часто не соответствует материа-
лу сооружения в натуре (Хе=#1 и Дь=#1). Индикаторные диаграм-
мы с?1 = /(е;) для натурного и модельного материала в основ-
ных стадиях его работы (упругость, появление трещин, разруше-
ние) ДОЛЖНЫ быть подобными CTiH/a;M = const ПрН eis=e{M (рис.
32.2).
Подобие индикаторных диаграмм приводит к моделированию
напряженного состояния плотин на хрупких моделях. Методика,
возможности и результаты моделирования на хрупких физических
моделях также зависят от подбора состава модельных материалов,
которые должны быть низкомодульными, обладать стабильными
свойствами и хорошо обрабатываться. Хрупкие модели изготавли-
вают из гипсопесчаных и гипсоизвестняковых смесей с добавками
резиновой крошки, из керамзитобетонов с различного рода добав-
ками и из других материалов. Такие составы, расширяя возможно-
сти физического моделирования, позволили получить материалы
с модулями упругости 8004-6000 МПа (80004-60 000 кгс/см2) и
пределами прочности на сжатие 0,64-6 МПа (64-60 кгс/см2).
При испытании физические модели могут быть доведены под
предельной нагрузкой до разрушения, что позволяет определить
309
величину их запаса относительно расчетных нагрузок и оценить
надежность натурного сооружения (рис. 32.3).
Если для изготовления моделей использовать материал натур-
ного сооружения рм=рн (Хр= 1), то моделирование объемных сил
(веса) можно осуществить, форсируя на модели величину ускоре-
ния свободного падения (Д?<С1) методом центробежного модели-
рования статических нагрузок.
4. Методика измерений. При исследовании напряженного со-
стояния на упругих и хрупких моделях для измерения деформаций
применяют метод тензометрирования с использованием тензомет-
ров различного принципа действия: механического (тензометры
Рис. 32.4. Розетки для измерения плоских деформаций:
а — схема тензорезистора: 1 — решетка из проволоки; 2 — основа (бумага); 3 — связую-
щее (клей); 4 — узел сварки; 5 — выводные проводники; б — розетки из двух тензорезис-
торов; в — из трех тензорезисторов; г — веерная прямоугольная розетка
Гугенбергера), электрического (тензорезисторы), акустического
(струнные тензометры), оптического, оптико- и электромеханиче-
ского действия и др.
Наибольшее распространение для измерения малых деформа-
ций (на хрупких моделях) получили измерители деформаций дис-
танционного действия — тензорезисторы. Основной характеристи-
кой тензорезисторов является коэффициент тензочувствительности
fe=A/?//?/e, (32.19)
который характеризует отношение относительного изменения элек-
тросопротивления тензорезистора \R/R в цепи измерительного
моста к относительной деформации исследуемого материала на
базе I (длине проводника) е=AZ/Z. Тензорезисторы с высоким ко-
эффициентом тензочувствительности изготавливают из тонкой кон-
стантановой (сплав меди и никеля) проволоки (диаметром 124-
4-30 мкм), приклеенной к бумажной или пленочной основе с базой
54-50 мм (рис. 32.4). Модели сооружений оснащаются электротен-
зометрическими датчиками и индикаторами с ценой деления 0,01
и 0,001 мм. Деформации измеряют электронными измерителями
деформаций автоматического действия с ценой деления до 10~54-
4-10 '6 относительных единиц деформации. Показания тензорези-
сторов— их тарировочные характеристики должны быть стабиль-
310
ними. Влияние температурных погрешностей исключают установ-
кой компенсационных тензорезисторов.
При исследовании плосконапряженного состояния на поверхно-
сти модели сооружения выбирают ряд характерных сечений и по-
ложения измерительных точек 13 на рис. 32.1. В каждой точке в
зависимости от условий задачи устанавливают несколько тензомет-
ров— розетку (рис. 32.4, б). Условия опытов облегчаются, если
известны направления главных напряжений, которые предваритель-
но можно определить расчетом или экспериментально путем на-
несения на поверхность модели хрупкого лакового покрытия. Под
нагрузкой лаковая пленка покрывается трещинами, сориентиро-
ванными по линиям главных напряжений.
Если направление главных напряжений известно, то экспери-
ментально требуется определить лишь значение главных деформа-
ций вшах и Emm. В этом случае прямоугольная розетка может состо-
ять из двух тензорезисторов, сориентированных по направлению
главных напряжений (рис. 32.4, б).
Для контроля показаний под углом в 45° полезно поставить
третий тензорезистор (рис. 32.4, в). Если же направления главных
напряжений неизвестны, то прямоугольная розетка состоит из трех
тензорезисторов (рис. 32.4, в), но для контроля показаний к трем
основным добавляется четвертый тензорезистор — веерная розетка
(рис. 32.4, г).
При статическом испытании вальцмассовых моделей, изготов-
ляемых из сильно деформируемого под внешней нагрузкой и соб-
ственным весом материала (£=0,2—0,8 МПа, или 2—8 кгс/см2),
осевые относительные деформации
^=(Ах-<)/М и гу = (\у-\'у)[&у (32.20)
определяют методом тензосетки.
Здесь Аж, Ау и А'ж, — линейные размеры осевых проекций
сторон квадратов тензосетки соответственно до и после деформа-
ции профиля модели плотины.
Измерение осевых линейных деформаций каждого квадрата
тензосетки осуществляется с помощью оптического компаратора
с точностью до 0,002 мм. Тензосетки фотографируются.
5. Метод центробежного моделирования позволяет определить
величину запаса прочности сооружения на разрушение. Предель-
ные напряжения на модели при этом создаются за счет сложения
сил тяжести с центробежными силами, т. е. обусловлены действи-
ем результирующего ускорения
Дм = ]/"(^“2)2 + ^2м’ (32.21)
где Я и со — соответственно радиус, фиксирующий расположение
модели на центрифуге, и угловая скорость ее вращения.
На выбор материала модели, установленной на центрифугу,
практически не накладывается никаких ограничений. Если, напри-
мер, на модели проводить исследования с натурным материалом
311
рн=рм, ЕН=ЕМ), то из формулы (32.16) при Хр—1 и %е=1 усло-
вия подобия будут обеспечены при соотношении
= 1 или дм = \igK, (32,22}
где ам— ускорение на модели; — ускорение свободного паде-,
НИЯ.
Подставля (32.21) в (32.22), после преобразований получаем
<0= —1)//?2 (32.23)
или, пренебрегая влиянием сил тяжести на напряженное состояние
модели:
= (32.24)
Таким образом, модели в маштабе 2ч надо сообщить такую уг-
ловую скорость и, чтобы получить в ней напряжения, равные нап-
ряжениям в натуре.
Рис. 32.5. Схема центрифуги для центробежного моделирования:
(справа — вид каретки до опыта; слева — во время опыта) / — самописец;
2 — контакты; 3 — электропровод; 4 — каретка; 5 — стекло; 6 — водоподвод-
ная трубка; 7 — модель
Исходя из формулы (32.24) и зная R установки, можно опре-
делить масштаб моделирования.
Конструкция центрифуги несложна: на вертикальном валу,
приводимом во вращение от электропривода, вращается коромыс-
ло, на одном конце которого подвешена на шарнире коробка с
моделью сооружения, а на другом — противовес или вторая короб-
ка (рис. 32.5). Коробка с моделью при вращении центрифуги под
действием центробежных сил поворачивается на 90° (левая сторо-
на рис. 32.5). Центробежное моделирование особенно ценно для
изучения устойчивости земляных сооружений (плотин), оснований
312
сооружений, устойчивости откосов, подпорных стенок, давлений на
обделки туннелей.
6. Метод фотоупругости весьма эффективен для исследования
напряженно-деформированного состояния конструкций бетонных
плотин и сооружений сложной формы, имеющих внутренние полос-
ти или отверстия (потерны), когда большое значение имеют кон-
центрации напряжений.
Рис. 32.6. Оптическая модель контрфорса (картина полос напряже-
ний)
Поляризационно-оптический метод использует свойство некото-
рых прозрачных изотропных в ненапряженном состоянии материа-
лов (стекла, целлулоида, эпоксидных смол) приобретать под на-
грузкой способность к двойному лучепреломлению. Величину двой-
ного лучепреломления, зависящую от величины напряжения
определяют при просвечивании модели поляризованным светом.
Явление двойного лучепреломления в материалах при пропускании
через них света наблюдается в кристаллических телах и оптически
чувствительных материалах и заключается в разложении световой
волны на две плоскополяризованные волны, имеющие взаимно
перпендикулярные плоскости колебаний и распространяющиеся
внутри материала с различными скоростями.
Л1етод фотоупругости применим как для плоских, так и объем-
ных моделей, но при этом строгое подобие нарушается (ХЦ=Н=1),
так как коэффициент Пуассона материала в натуре цн=0,2 (для
бетона), а на модели рм~0,5 (для смол).
Для объемных моделей используют метод оптически активных
вставок и стереометрический метод поляризационно-оптических
313
исследований — метод «замораживания» деформаций. При опреде-
ленной температуре модель из оптически активного материала под
нагрузкой деформируется в поле центробежных сил. При охлаж-
дении материал твердеет («замораживается»), модель в деформи-.
рованном под нагрузкой состоянии снимают с центрифуги. После
этого объемную модель распиливают на плоские образцы (срезы
или шлифы) для последующего фотографирования и анализа кар-
тины напряжений с помощью поляризационно-оптической установ-
ки (рис. 32.6).
Метод фотоупругости применим только в упругой стадии рабо-
ты материала, но он очень ценен в сочетании с физическим моде-
лированием на упруго-хрупких материалах.
7. Динамические испытания моделей сооружений. При модель-
ных динамических испытаниях так же, как и при статических, оп-
ределяют перемещения, деформации и напряжения, возникающие
в модели под действием внешних динамических нагрузок, инерци-
онных сил и сейсмических воздействий. Необходимо также фикси-
ровать скорости, ускорения, определять частоты и фазы собствен-
ных и вынужденных колебаний модели. Пересчет результатов мо-
делирования в натуру осуществляется (при строгом подобии
^ц=Хе=1) с учетом критерия Гука и критерия Коши (Са = idem),
что позволяет дополнительно к зависимости (32.16) записать со-
отношение между масштабными коэффициентами в виде индикато-
ра подобия
• (32.25)
или при Xg=l (£н=ём) и Ке=Хст
МХ= 1. (32.26)
Индикатор подобия (32.25) и (32.26) полностью определяет
условия моделирования упругих и инерционных сил.
Для испытания модели плотины на сейсмическое воздействие
Рис. 32.7. Стенд для сейсмических
испытаний плотин:
/ — электромагнитный возбудитель колеба-
ний; 2 — устройство управления электро-
магнитным возбудителем колебаний; 3 —
платформа; 4 — модель; 5 — акселеромет-
ры; 6 — регистрирующая аппаратура; 7 —
упругие опоры-диафрагмы; 8 — фундамент
ее устанавливают на подвижные
сейсмоплатформы, которые позво-
ляют по определенному закону
возбуждать горизонтальные, вер-
тикальные, а также вращательные
колебания моделей относительно
трех взаимно перпендикулярных
осей. На рис. 32.7 показана схема
стенда для сейсмических испыта-
ний моделей сооружений.
8. Метод аналогий. Использо-
вание метода аналогий (аналого-
вых моделей) объясняется тем,
что часто он позволяет проводить
эксперимент в такой среде и на
такой установке, где искомые дан-
ные можно получить более, про-
314
сто, точно и быстро, чем на физических подобных моделях *.
Самое широкое применение для исследования фильтрации по-
лучил метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) между
движением воды в грунте и постоянным электрическим током в
проводнике (электропроводящей бумаге, растворе электролита и
т. п.). Для решения температурных задач используют гидротепло-
вую аналогию, существующую между процессом распространения
тепла в твердых телах и движением жидкости в сосудах (разра-
ботана В. С. Лукьяновым).
Большое распространение получил метод электромоделирова-
ния, основанный на использовании электрических сеток (электро-
интеграторов) для решения широкого класса задач теории упру-
гости, гидродинамики, теплопередачи. Так, температурные задачи
решаются на основе электротепловой аналогии (разработана
Л. И. Гутенмахером), при использовании которой в электрической
модели роль термических сопротивлений и теплоемкостей отдель-
ных слоев тела выполняют электросопротивления и электрические
емкости.
Газогидравлическая аналогия позволяет изучить вопросы дви-
жения воды путем исследования движения воздуха на подобной
модели.
Б. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИИ
Натурные исследования, оснащенные современной контрольно-
измерительной аппаратурой (КИА), позволяют получить объектив-
ный и полноценный материал об эффективности эксплуатации, о
состоянии и надежности работы плотин.
Наблюдения'за гидротехническими сооружениями позволяют
улучшить эксплуатационные качества сооружений и повысить их
долговечность.
Различают два вида исследований: 1) контрольные наблюде-
ния, проводимые с целью текущего строительного или эксплуата-
ционного контроля за состоянием сооружений I—III класса капи-
тальности: 2) специальные общенаучные исследования, проводи-
мые на объекте с целью уточнения и изучения теории расчета и
моделирования сооружений, накопления и научного обобщения ре-
зультатов натурных исследований.
В натуре наблюдают за осадками и горизонтальными смещени-
ями сооружений и оснований, фильтрацией и противодавлением,
трещинами в бетоне и его коррозией, температурным и напряжен-
ным состоянием грунтов, бетона и арматуры, уровнями воды и
размывами в бьефах, пульсациями давления в потоке и вибрация-
ми сооружений. Объем и характер исследований зависят от типа
Веников В. А. Теория подобия и моделирования. М., 1976.
315
сооружения, особенностей гидрогеологической обстановки и степе-
ни ответственности гидроузла.
Для рационального расположения и эффективного использова-
ния контрольно-измерительных приборов разрабатываются в две
стадии (техпроект и рабочие чертежи) проекты размещения КИА *.
§ 32.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Гидравлические исследования. Цель исследования: 1) конт-
ролировать воздействие поверхностного потока на сооружение;
2) проверять правильность гидравлических расчетов и эксперимен-
тов. Для первой цели необходимы наблюдения за уровнями воды,
скоростями течения, расходами воды через отверстия сооружений,
давлениями потока на сооружение и деформациями русла. Изме-
рения осуществляют обычными гидрометрическими приборами,
приспособленными к особенностям работы па сооружениях. Вибра-
ция сооружений, вызванная гидравлическим режимом потока,
записывается вибрографами, а в подводных частях сооружений —
вибродатчиками, закладываемыми в сооружение по проекту при
его постройке.
Для анализа процесса разрушения берегов, степени заиления
водохранилищ и перемещения наносов используют радиационные
„ методы с применением изо-
Рис. 32.8. Исследование фильтрации в грун-
товой плотине:
а — расположение пьезометров; б — однотрубный
пьезометр (размеры в мм); 1 — пьезометр; 2—кри-
вая депрессии; 3— эквипотенциали; 4 — стояк; 5 —
стеклоткань; 6 — отстойник; 7 — латунная сетка
с отверстиями 0 1 мм
2. Исследования фильт-
рации в земляных сооруже-
ниях и берегах. Цели иссле-
дований: 1) установить по-
ложение дспрессионной по-
верхности в теле земляного
сооружения и следить за ее
колебаниями; 2) определять
фильтрационный расход;
3) определять давления и
скорости течения фильтраци-
онной воды и выяснять
опасность суффозии.
Основными приборами
для наблюдения за фильт-
рацией являются: пьезомет-
ры, пьезодинамометры, водомеры, водосчетчики и мерные водо-
сливы.
Наблюдения за поверхностью депрессии и давлениями воды ве-
дутся при помощи пьезометров (рис. 32.8, а). Пьезометр представ-
ляет собой трубу диаметром не менее 3-4-5 см, на нижнем конце
* Методические рекомендации к составлению проекта размещения контроль-
но-измерительной аппаратуры в бетонных гидротехнических сооружениях
(П 41—70), ВНИИГ. Л., 1972.
316
Рис. 32.9. Конструкция пьезодинамометра
(размеры в мм):
1 — корпус; 2 — крышка; 3 — струна; 4 — электро-
магнит; 5—кабель; 6 — клеевой шов; 7 — перфо-
рированная крышка
которой, в зоне изменения напора воды, находится водоприемник,
на верхнем доступном для измерений'конце трубы—устье, где
производятся измерения напора или уровня воды (рис. 32.8,6).
Водоприемником служит отрезок стальной перфорированной тру-
бы, вокруг которой размещается песчано-гравийный фильтр или
фильтровальные материалы из гофрированной винипластовой сет-
ки и стеклоткани. Для увеличения продолжительности работы пье-
зометров, особенно в условиях агрессивных вод, применяют водо-
приемники из полимерных материалов. Во избежание больших
ошибок измерения при по-
падании воздуха или газа в
пьезометры их трубы рас-
полагают вертикально.
В зависимости от разме-
ров зоны, в которой измеря-
ется давление воды, разли-
чают точечные (контакт-
ные) и интегральные пьезо-
метры, а также закладные
пьезометры, устраиваемые
во время возведения плоти-
ны, и опускные, устанавли-
ваемые в скважины после
возведения плотины или на
берегу. По расположению
устьев пьезометров относи-
тельно измеряемого уровня
воды их делят на безнапорные и напорные. Устья безнапорных
пьезометров выводят на верхние площадки и защищают трубой-
люком с крышкой. Уровни воды в них измеряют лот-свистками,
хлопушками и электроконтактными приборами различных конст-
рукций.
Напорные пьезометры применяют в высоких плотинах для эко-
номии труб, в случаях опасности промерзания верхних участков
безнапорных пьезометров и т. п. Устья напорных пьезометров рас-
полагают в нижних смотровых галереях или специальных помеще-
ниях и оборудуют пружинными или ртутными манометрами и
вентилями.
Пьезодинамометр представляет собой закладной дистанционный
датчик давления, помещенный в кожух. Последний воспринимает
усилия от окружающего материала и пропускает воду к датчику
давления через специальный фильтр (рис. 32.9, а). Пьезодинамо-
метры используют для измерений давления воды в основании, в
бетоне и швах плотин.
Водомеры и водосчетчики применяют для измерения фильтра-
ционных расходов в напорных выводных трубах нз дренажей. Мер-
ные водосливы устанавливают в смотровых колодцах дренажей и
отводящих коллекторах.
3. Исследования фильтрации в бетонных сооружениях в основ-
317
ном сводятся к определению фильтрационного давления на подош-
ву сооружения (рис. 32.10).
Для измерения противодавления на подошву плотины водопри-
емники пьезометров или пьезодинамометры закладывают в харак-
Рис. 32.10. Размещение приборов в массив-
но-контрфорсной плотине (глухая секция):
1 — термометр; 2 — тензометрическая розетка; <3 —-
тензометр; 4 — пьезодинамометр; 5 — контур пло-
тины первой очереди; 6 — тензометрическая розет-
ка в скальном основании; 7 — пьезометр
измерения.
терных точках линии под-
земного контура (в начале и
конце контура, с обеих сто-
рон цемзавесы, по краям и
в середине подошвы, в дре-
наже и т. д.). Как правило,
пьезометры располагают в
створе, нормальном к оси
плотины. Число пьезометров
в створе должно быть не ме-
нее трех, причем на плотине
должно быть не менее двух
створов. Кроме основных мо-
гут устанавливаться допол-
нительные пьезометры, на-
пример для наблюдения за
противодавлением у темпе-
ратурно-осадочных швов.
При наличии неоднородного
основания по длине плоти-
ны количество створов и
пьезометров может быть
увеличено для освещения
наиболее неблагоприятных
в геологическом отношении
участков зоны фильтрации.
Желательно, чтобы положе-
ния пьезометров совпадали с
точками, в которых производились лабораторные фильтрационные
§32.5. ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ
1. Задачи исследований и наблюдений. Исследования и наблю-
дения за деформациями позволяют следить за жизнью сооруже-
ния: обнаружить ненормальности в его работе, опасные для его
устойчивости и прочности; изменения формы сооружения, чрез-
мерные осадки, сигнализирующие об угрожающих процессах в ос-
новании. По деформациям судят о напряжениях. Одновременно
ведут наблюдения и за температурным режимом сооружения. Ре-
зультаты наблюдений имеют также значение для проверки рас-
четных величин и предпосылок, принятых в проекте сооружения,
для уточнения теории расчета гидротехнических сооружений
(рис. 32.10).
2. Изучение осадок сооружений и их оснований. Наблюдения
за абсолютными величинами вертикальных смешений (осадок)
318
Рис. 32.11. Размещение триангуляционной сети на плотине Рио Фреддо
(Италия):
а — план; б — вид с нижнего бьефа; 1 — максимальный уровень; 2 — поверхност-
ный водослив; 3— триангуляционная тумба; 4 — база триангуляции; 5 — гребень
плотины; 6 — река Фреддо; 7 — донный водоспуск; -8 — напорная деривационная
галерея; 9— водоприемник; 10 — триангуляционный знак
сооружений осуществляется геодезическими методами на основе
сети опорных и контрольных планово-высотных знаков (рис. 32.11),
высотные отметки которых связаны с системой государственной
триангуляционной сети. Размещение высотных геодезических зна-
ков марок и реперов в сооружениях и на местности, периодич-
ность наблюдений за осадками и объем работ определяются про-
ектом в зависимости от типа и размеров сооружения, геологии
его основания и сейсмичности района.
Рие. 32.12. Многоярус- Рис. 32.13. Дистанционная мар-
ная марка: ка и измерительный зонд:
1 — плита; 2— труба а — схема дистанционной марки
(стояк); 3 — марка (вертикальное направление); б —
измерительный зонд; 1 — секция
пластмассовой трубы (стояк); 2 —
уплотнение стыка; 3— стальной
диск (пластина); 4 — корпус изме-
рительного зонда; 5 — постоянный
магнит; 6 — обмотка; 7 — кабель;
8 — гальванометр
Для наблюдений за осадками бетонных плит понура, водобоя,
рисбермы, днищ камер шлюзов и других элементов, имеющих тол-
шину до 5-дб м, закладывают трубы-марки. Установку труб-марок
производят одновременно с монтажом арматуры в блоке.
Наблюдения за вертикальными перемещениями . (осадками)
внутренних зон грунтовых плотин ведут с помощью многоярусных
и дистанционных марок. Многоярусная марка представляет со-
бой систему телескопических коаксиальных стальных труб с пли-
тами, которые при перемещении грунта внутри плотины увлекают
за собой соответствующую трубу. На верхних обрезах труб уста-
навливают марки, по перемещениям которых нивелированием
устанавливают осадки отдельных слоев грунтовой плотины (рис.
32.12). Дистанционная марка состоит из секционной пластмассо-
вой трубы, на которую свободно надевают стальные пластины,
320
устанавливаемые в исследуемой толще грунта (рис. 32.13). По-
ложение стальных пластин фиксируют относительно верха трубы
с помощью специального зонта, опускаемого в трубу и работаю-
щего на принципе регистрации тока, индуктирующегося в обмот-
ке постоянного магнита при прохождении им сквозь отверстие
стальной пластины. Сопоставлением положений пластин в |разные
моменты времени устанавливают величину перемещения грунта
вдоль оси трубы в точке, где заложена пластина.
^95500
Of QOS, 00
9f512,50
Of507,50
“«/ 589,00
0^6,00
'У 055,0 О
7 -"5
Рис. 32.14. Прямой и обратный отвесы:
а — размещение отвеса в арочной плотине; б — обратный от-
вес; в — прямой отвес; г — измерительное устройство к прямому
отвесу; 1 — якорь (репер); 2 — обсадная труба; 3 — инварная про-
волока; 4—сосуд с жидкостью; 5 — поплавок; 6 — визирный
штифт; 7 — микроскоп; 8 — поверхность грунта; 9 — груз

Суммарные осадки сооружения определяют нивелированием
контрольных марок, заложенных на поверхности сооружений, бло-
ков или секций, а деформацию основания — нивелированием глу-
бинных или боковых марок, заложенных у подошвы сооружения.
Точность измерения осадок осуществляют геометрическим ни-
велированием до 0,01 мм. В труднодоступных условиях и при
отсутствии прямой видимости применяют метод гидростатического
нивелирования (по уровню жидкости в сообщающихся сосудах).
Отметки рабочих реперов периодически должны контролироваться
по отметкам фундаментальных реперов.
3. Наблюдения за горизонтальными деформациями сооружений.
Горизонтальные смещения различных точек сооружения могут
замеряться геодезическими способами: створным визированием,
способом геодезических засечек (микротриангуляции) и комбини-
рованным (сочетанием створов с микротриангуляцией).
Для измерения горизонтальных смещений сооружения створ-
ным способом в натуре создается визирный створ, фиксированный
устойчивыми (неподвижными) береговыми опорными пунктами.
321
В плоскости створа, закрепленного на местности, устанавливают
контрольные пункты, по данным наблюдений за которыми опреде-
ляют абсолютные смещения сооружения. Контрольные пункты с
гнездовым центром для установки визирных знаков располагают
в самых нижних потернах ближе к основанию, а также на гребне
плотины.
Нижний визирный створ позволяет контролировать перемеще-
ния основания сооружения, а верхний — фиксировать его суммар-
ные горизонтальные смещения. Для измерения смещений широко
используют метод натянутой нити (струны), которая в каждой
секции сооружения покоится на поплавках, свободно плавающих
в ванночках с жидкостью. Смещения контрольных пунктов ви-
зирного створа определяют по отношению к этой струне с точ-
ностью до 0,1 мм. Для точных измерений применяют лазеры, ра-
диодальномеры, светодальномеры и т. п.
Для небольших сооружений в пределах прямой видимости ис-
пользуют стереофотограмметрическую съемку.
Для измерения относительных горизонтальных перемещений
используют прямые и обратные отвесы (рис. 32.14), которые ус-
танавливают в специальных вертикальных шахтах. В прямом
отвесе (рис. 32.14, а, в, г) гибкую стальную «нить» отвеса закреп-
ляют наверху, а груз, погруженный для предотвращения раска-
чивания отвеса в сосуд с вязкой жидкостью (масло),— внизу. На
рис. 32.14, б показана схема обратного отвеса для наблюдения за
горизонтальными перемещениями поверхности грунта и подошвы
сооружения относительно глубинного репера 1, заложенного на
дне. Обсадиая труба 2 и сосуд 4 заполнены водой. Инвариая про-
волока 3 натягивается поплавком 5 с визирным штифтом 6; поло-
жение центра визирного штифта фиксируется микроскопом 7.
4. Наблюдения за местными деформациями сооружений и тем-
пературой. Для наблюдений за линейными и угловыми перемеще-
ниями отдельных элементов и точек сооружения относительно их
проектного положения применяют клинометры, щелемеры, пря-
мые и обратные отвесы, гидростатические нивелиры и др. Измере-
ния углов поворота частей сооружения осуществляют переносны-
ми или стационарными клинометрами (с уровнем или отвесом)
с точностью до 24-3 мин, оптическими и фотометрическими спо-
собами. Клинометры по проекту устанавливаются в различных
частях сооружения в специальные ниши. Показания клинометров
не требуют их привязки к базовому отсчету (реперу), но для
клинометров с отвесом плоскость качания маятника-отвеса долж-
на быть сориентирована по направлению угловых перемещений.
Для инклинометрических измерений пространственных дефор-
маций внутренних зон высоких каменно-земляных плотин в их
тело закладывают трубы со стальными дисками. Перемещения
дисков фиксируют измерительным зондом, а перемещения трубы —
с помощью инклинометра, который представляет собой полый ци-
линдрический корпус с вмонтированным грузом (рис. 32.15). Груз
закреплен в корпусе на стальной пластинке, которая при накло-
322
трубы.
не прибора изгибается. Деформации изгиба пластинки измеряют
наклеенными на нее тензодатчиками, а по деформациям определя-
ют угол наклона прибора, ось которого
Трубы инклинометрической
установки устанавливают в
теле грунтовых плотин
вертикально, так
тально.
О')
как
горизон-
параллельна оси
ю
и
9
Рис. 32.15. Ин-
клинометр:
1 — стояк; 2 —
корпус прибора;
3 — отвес; 4 — по-
лосовая пружина;
5 — тензодатчик;
6 — гибкие сочле-
нения; 7 — гибкая
штанга; 8 — ка-
бель; 9— отжим-
ная пружина
Рис. 32.16. Щелемеры:
а — уголковый; б — марочный; 1 — температур-
но-осадочный шов; 2 —рамка; 3— штырь; А,
Б, В — марки
1 2
1ЯКЛ
Рис. 32.17. Термометры (размеры в мм):
а — струпный термометр; б — термометр электросопротив-
ления; / — кожух; 2 — корпус; 3 — струна; 4 — электро-
магнит; 5 — катушка сопротивления
Щелемеры используют для наблюдений за
раскрытием температурно-осадочных швов и
трещин. По условиям измерения они могут быть:
одноосными, двухосными и трехосными (рис.
32.16).
Для измерения температуры используют струнные термомет-
ры или термометры электросопротивления (рис. 32.17). Струн-
ный прибор дает показания от —30 до +60° С с точностью до
0,2° С в результате различия коэффициентов линейного темпе-
ратурного расширения стальной струны 3 и его дюралюминиевого
корпуса 2. Снаружи термометр защищен стальным кожухом 7.
5. Измерение внутренних деформаций и напряжений струнными
датчиками. По условиям дистанционной и автоматической регист-
рации показаний, а главное по долговечности в работе наиболь-
323
шее распространение для измерения внутренних деформаций и на-
пряжений в натурных сооружениях получили акустические теле-
тензометры струпного типа* (рис. 32.18). Деформации материала
между двумя точками, расстояние до которых определяется базой
прибора, измеряются по частоте колебаний натянутой металли-
ческой струны, закрепленной в этих точках.
Рис. 32.18. Схематический продольный разрез телетензометра для бетона (раз-
меры в мм):
/ — корпус; 2 — анкер; 3 — струна; 4 — электромагнит; 5 — кабель
Частота собственных колебаний струны N связана с напряже-
нием струны о зависимостью
Лг==_±.1/^> (32.27)
где I — длина струны; р — плотность материала струны.
При увеличении или уменьшении натяжения струны от напря-
жений Qi до о2 частота ее колебаний изменится от М. до JV2.
Исходя из равенства деформаций струны и бетона, найдем
°б = =414/2р(Лг2-дф> (32.28)
где Об, и Ос, Ес — соответственно напряжение и модули упру-
гости бетона и материала струны.
Пользуясь формулой (32.28), можно измерить напряжения
в арматуре и т. п.
Струнный метод измерения имеет тот недостаток, что для опре-
деления напряжений в материале необходимо знать его модуль
упругости Ем, который непосредственно в сооружении определить
с достаточной точностью нельзя; кроме того, прибор в сооружении
фактически фиксирует все виды деформаций (усадки, ползучести,
температуры) и очень трудно определить долю напряжений, вы-
зываемых основными внешними нагрузками.
Для исключения сопутствующих объемных деформаций исполь-
зуют вспомогательные устройства (усадочный конус, подрезание
* В сооружениях канала им. Москвы имеются приборы, которые давали на-
дежные показания более 30 лет.
324
бетона, обуривание массива и т. п.) или датчики дискового типа
(прибор Карлсона).
Принцип расположения закладных тензометров для измере-
ния внутренних деформаций (напряжений) в сооружении ничем.
/ 2 3 4
Рис. 32.19. Струнный грунто-
вый динамометр (размеры
в мм):
/ — корпус; 2 — крышка; 3 — катуш-
ка; 4— струна; 5 — винт
не отличается от модельных исследова-
ний (см. § 32.3). В измерительных точ-
ках, фиксируя линейные деформации,
устанавливают одиночные и парные
тензометры, «розетки» из трех, четы-
рех и пяти тензометров для плоской
задачи, из шести и девяти приборов
для изучения объемного напряженно-
го состояния.
Для контроля целесообразно, что-
бы точки натурных и лабораторных из-
мерений совпадали. Для определения
напряжений механические свойства
материала (бетона, скалы) определя-
ются по образцам или неразрушаю-
щим ультразвуковым способом.
6. Грунтовые и арматурные дина-
мометры. Наблюдения за напряжения-
ми в грунте под сооруженияем и дав-
лением обратных засыпок производят
струнными грунтовыми динамометра-
ми мембранного типа (рис. 32.19). Для
измерения усилий напряжений в арма-
туре различных диаметров использу-
ют арматурные динамометры, которые
устанавливают при армировании бло-
ков сооружения, вваривая в стержни
рабочей арматуры по четыре прибора,
в каждой измерительной точке: два к
поперечной и два к продольной арма-
туре.
7. Динамические воздействия на сооружения возникают от ста-
ционарного (турбин, насосов, лебедок) и подвижного (кранов, же-
лезнодорожного и автомобильного транспорта) механического
оборудования, от ветровых, волновых и пульсационных давлений
потока, от сейсмических колебаний основания, обвалов и взрывов.
Для оценки влияния сил инерции на общее напряженное состоя-
ние сооружения вибрографами, сейсмографами и акселерометрами
в натуре измеряют уровень вибраций и ускорения элементов пло-
тины, динамические деформации и напряжения в бетоне и арма-
туре, волновое и гидродинамическое давление воды.
Пульсации гидродинамического давления в потоке воды фик-
сируют индуктивными датчиками. Для измерения вибрации бе-
тонных элементов применяют низкочастотные вибродатчики с диа-
пазоном измерения 14-30 Гц.
325 .
Для наблюдений за сейсмическими воздействиями в районе гид-
роузла создается сеть контрольной сейсмометрической аппарату-
ры, которая включается автоматически, если интенсивность зем-
летрясения достигнет заданного предела.
§ 32.6. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Электрофизические (неразрушающие) методы контроля качест-
ва и определения физико-механических характеристик материалов
непосредственно в сооружениях и в основаниях с ненарушенной
структурой делят на акустические, радиометрические и электри-
ческие.
1. Акустические или динамические методы испытания (прозву-
чивания) материалов основаны на изменении скорости распрост-
ранения, частоты колебаний и затухания звуковых или ультразву-
ковых волн в среде. По типу применяемых волн, частоте колеба-
ний и способу их возбуждения применяют три акустических
метода: резонансный, ударный импульсный и ультразвуковой им-
пульсный метод.
2. Радиометрические методы основаны на измерении поглоще-
ния гамма-лучей, а также на замедлении быстрых нейтронов при
взаимодействии с ядрами водорода. Измерение поглощений гам-
ма-излучения используют при работе гамма-плотномеров, нейтрон-
ных влагомеров и радиоактивных индикаторов. При определении
плотности в качестве источника гамма-лучей используют радиоак-
тивные кобальт и цезий (Со60 и Cs137). При работе с радиоактив-
ными изотопами необходимо строго выполнять все требования
техники безопасности. Для выявления внутренних дефектов ма-
териалов (пластмасс, металлов, железобетона) просвечиванием
могут использоваться рентгеновские аппараты, изотопные источ-
ники электромагнитного излучения и источники тормозного излу-
чения— ускорители заряженных частиц.
3. Электрические методы измерения неэлектрических величин
обычно связаны с изменением омического, индуктивного или ем-
костного сопротивления среды, косвенно характеризующего свой-
ства материала. На этом принципе основана работа существующих
влагометров, когда исследуемый материал помещают между пла-
стинами конденсатора и его диэлектрическая проницаемость
изменяется в зависимости от влажности. Точность измерения влаж-
ности ± (0,2-т0,5) %. Для дефектоскопии металлов широко исполь-
зуют электрические, электромагнитные и магнитные методы. Сущ-
ность этих методов заключается в том, что магнитный поток в
металле, пересекая трещину или другой дефект, встречает боль-
шое магнитное сопротивление, силовые линии искривляются и,
выходя иа поверхность, создают местные потоки рассеяния.
Тепловые методы применяют тогда, когда местные нарушения
картины температурного поля определяют положение внутренних
дефектов, которые не удается выявить другими методами контро-
ля качества материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Защита территорий от затопления и подтопления/Дбралое С. К., Недри-
га В. П., Романов А. В., Селюк Е. М. — М.: Госстройиздат, 1961.
2. Авакян А. Б., Шарапов В. А. Водохранилища гидроэлектростанций
СССР. — М.: Энергия, 1968.
3. Адамович А. Н., Колтунов Д. В. Цементация оснований гидросооруже-
ний.— М. —Л.: Энергия, 1964.
4. Айрапетян Р. А. Проектирование каменно-земляных и каменно-набросных
плотин. — М.: Энергия, 1975.
5. Александровский С. В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций
на температурно-влажностные воздействия с учетом ползучести. — М.: Строй-
издат, 1966.
6. Алтунин С. Т. Регулирование русл. — М.: Сельхозгиз, 1956.
7. Алперин И. Е., Быков Л. С., Гуревич В. Б. Укрепление берегов судоход-
ных каналов, рек и водохранилищ. — М.: Транспорт, 1973.
8. Аронов Р. И. Испытания сооружений. — М.: Высшая школа, 1974.
9. Арочное плотиностроение/Под общей ред. Эристова В. С.—М.: Энергия,
1965.
10. Басевич А. 3. Массивные гидротехнические сооружения с искусственным
обжатием бетона. — М.: Госстройиздат, 1951.
11. Бетонные плотины (на скальных основаниях)/Гришин М. М., Роза-
нов Н. ГЕ, Белый Л. Ж. и др. — М.: Стройиздат, 1975.
12. Биянов Г. Ф. Плотины на вечной мерзлоте. — М.: Энергия, 1975.
13. Большие плотины СССР. — М,: Госэнергоиздат, 1962.
14. Бархатов Т. Л. Сборно-монолитные и сборные ячеистые плотины. — М.:
Госстройиздат, 1962.
15. Ведерников В. А. Теория фильтрации и ее применение в области иррига-
ции и дренажа.— М. — Л.: Госстройиздат, 1939.
16. Вендров С. Л., Дьяконов К. Н. Водохранилища и окружающая среда.—
М.: Наука, 1976.
17. Волков И. М., Кононенков И. Ф., Федичкин И. К. Гидротехнические
сооружения. — М.: Колос, 1968.
18. Высоцкий Л. И. Управление бурными потоками на водосбросах. — М.:
Энергия, 1977.
19. Гагошидзе М. Селевые явления и борьба с ними. — Тбилиси: Сабчота
Сакартвелло, 1970.
20. Гаджиев А. Б. Деформационные швы гидросооружений. — Л.: Энергия,
1975.
21. Гидравлические лаборатории СССР: Краткий справочник. — М. — Л.,
Энергия, 1965.
22. Гидротехнические сборужения/Под ред. Гришина М. М.— Сб. № 29МИСИ
им. В. В. Куйбышева. — М.: Госстройиздат, 1959.
23. Гидротехнические сооружения. — Сб. № 32 МИСИ им. В. В. Куйбышева
(кафедра гидротехнических сооружений). — М.: Госэнергоиздат, 1961.
24. Гидротехнические сооружения/Под ред. Розанова Н. П.—М.: Строй-
издат, 1978.
. 25. Гидротехнические сооружения комплексных гидроузлов/Под ред. Непо-
рожнего П. Энергия, 1973.
26. Гинзбург М. Б., Мальцов К. А., Соколов И. Б. Определение противодав-
ления в бетонной кладке гидротехнических сооружений. ВНИИГ им. Б. Е. Веде-
неева.— М. — Л.: Энергия, 1959.
27. Гинзбург М. Б. Натурные исследования бетонных плотин в Италии.—
Л.: Энергия, 1969.
28. Проектирование сейсмостойких гидротехнических, транспортных и спе-
циальных сооружений/Гольбенблат И. И., Карцивадзе Г. ЕЕ, Непетваридзе Ш. Г.,
327
Николаенко М. М. Под ред. проф. Гольденблата И. И. Руководство по проекти-
рованию сейсмостойких зданий и сооружений. Т. IV. —М.: Стройиздат, 1971.
29. Гончаров В. Н. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометиздат, 1962.
30. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения. — М.: Госстройиздат, 1962.
31. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения. Т. I, II. — М.: Госстрой-
издат, 1954, 1955.
32. Гидроэлектрические станции/Под ред. Губина Ф. Ф.— М.: Энергия, 1972.
33. Дегтярев В. В. Выправительные сооружения из грунта. — М.: Транспорт,
1970.
34- Дзюба К. И. Расчет контрфорсов плотин на прочность. — Тр. гидропроек-
та, 1963, № 8.
35. Динамика сплошных сред в расчетах гидротехнических сооружений/Под
ред. Лятхера В. М., Яковлева Ю. С. — М.: Энергия, 1976.
36. Доманский Л. К-, Прочухан Д. И., Фрид С. А. Скальные основания гид-
ротехнических сооружений/Под ред. Филимонова Н. А. — Л.: Стройиздат, 1971.
37. Евдокимов П. Д., Сапегин Д. Д. Прочность, сопротивляемость сдвигу и
деформируемость оснований сооружений па скальных породах. — М.— Л.: Энер-
гия, 1964.
38. ДГинью М., Барбье Р. Геология плотин и гидротехнических сооружений:
Пер. с франц. — М.: Госстройиздат, 1961.
39. Загрядская И. И. Расчет нагрузки от волн па гидротехнические сооруже-
ния вертикального профиля. — Л.: Энергия, 1975.
40. Замарип Е. А., Фандеев В. В. Гидротехнические сооружения. — М.: Ко-
лос, 1965.
41. Зарубаев И. В. Комплексное использование и охрана водных ресурсов.—
Л.: 1976.
.. 42. Зенкевич О. Метод конечного элемента в технике. — М.: Мир, 1976.
43. Зурабов Г. Г., Бугаева О. Е. Гидротехнические туннели гидроэлектриче-
ских станций. — М. — Л.: Транспорт, 1970.
44. Иванов П. Л. Разжижение песчаных грунтов. — М.: Госэнергоиздат,
1962.
45. Истомина В. С. Фильтрационная устойчивость грунтов. — М.: Госстрой-
издат, 1957.
46. Истомина В. С., Буренкова В. В., Мишурова Г. В. Фильтрационная проч-
ность глинистых грунтов. — М.: Стройиздат, 1975.
47. Константинов И. А. Динамика гидротехнических сооружений. Ч. I. Осно-
вы динамики сооружений.—Л.: ЛПИ, 1975. Ч. II. Расчет плотин на сейсмические
воздействия.— Л.: ЛПИ, 1976.
48. Кульмач П. И. Гидродинамика гидротехнических сооружений (основные
плоские задачи).— М.: Изд. АН СССР, 1963.
49. Леви И. И. Динамика русловых потоков. — М.: Госэнергоиздат, 1957.
50. Леви И. И. Моделирование гидравлических явлений. — Л.: Энергия, 1967.
51. Липкинд В. М. .Бетонные плотины гидроэлектростанций. — М.: Госэнер-
гоиздат, 1951.
52. Лыков А. В. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967.
53. Лятхер В. М Турбулентность в гидросооружениях. — М.: Энергия, 1968.
54. Маслов И. Н., Пальгунова 3. В. Плотины Северной Африки.— М.: Гос-
энергоиздат, 1960.
55. Маслов И. И., Котов М. Ф. Инженерная геология.— М.: Стройиздат,
1971.
56. Медведев С. В., Карапетян Б. К., Быковский В. А. Сейсмические воздей-
ствия на здания н сооруження/Под ред. Медведева С. В. Руководство по проек-
тированию сейсмостойких зданий и сооружений. Т. I. — М.: Стройиздат, 1968.
57. Методы расчета устойчивости и прочности гидротехнических сооруже-
ний/Под ред. проф. Гришина М. М. — М.: Стройиздат, 1966.
58. Мирцхулава Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений — М.:
Колос, 1974.
59. Михайлов А. В. Внутренние водные пути. — М.: Стройиздат, 1973.
60. Моисеев С. П., Моисеев И. С. Каменно-земляные плотины. Основы про-
ектирования и строительства.— М.: Энергия, 1977.
61. Мойс И. И. Шахтные водосбросы. — М.: Энергия, 1970.
328
62. Мостков В. М. Подземные сооружения большого сечения.— М.: Недра,
1974.
63. Моценелидзе И. С. Устойчивость и сейсмостойкость контрфорсных пло-
тин.— М.: Энергия, 1971.
64. Нед рига В. 11. Сопрягающие устройства бетонных плотин. — М.: Гос-
стройиздат, 1960.
65. Непорожний П. С., Филахтов А. Л. Опыт строительства гидроэнергоуз-
лов. — Киев: АН УССР, 1960.
66. Ничипорович А. А. Плотины из местных материалов. — М.: Стройиздат,
1973.
67.. Олешкевич Л. В. Облегченные гравитационные плотины на скальных
основаниях.— М.: Изд. ВОДГЕО, 1961.
68. Орехов В. Г. Исследование термонапряженного состояния бетонных и же-
лезобетонных конструкций гидротехнических сооружений. — Тр. координацион-
ных совещаний по гидротехнике. — М.: Госэнергоиздат, 1962.
69. Павловский Н. Н. Движение грунтовых вод. Собр. соч. Т. II—М. — Л.:
Изд. АН СССР, 19'56.
70. Покровский Г. И., Федоров И. С. Возведение гидротехнических земляных
сооружений направленным взрывом. — М.: Стройиздат, 1971.
71. Полонский Г. А. Механическое оборудование гидротехнических сооруже-
ний.— М.: Энергия, 1974.
72. Проектирование и строительство больших плотин (по материалам
V Международного конгресса по большим плотинам)/Сб. под ред. Борово-
го А. А.— М.— Л.: Госэнергоиздат, 1968.
73. Проектирование и строительство высоких плотин (по материалам сове-
щания по высоким плотинам.— М.: Госэнергоиздат, 1960.
74. Проектирование и строительство больших плотин (по материалам
VI Международного конгресса по большим плотинам)/Сб. под ред. Борово-
го А. А.— М.— Л.: Госэнергоиздат, 1962.
75. Проектирование речных гидроузлов на нескальных основаниях/Под ред,
Гришина М. М. и Михайлова А. В. — М.: Энергия, 1967.
76. Производство гидротехнических работ. — М.: Стройиздат, 1970.
77. Розанов Н. П. Контрфорсные плотины. — М.: Госстройиздат, 1949.
78. Розанов Н. С., Скоморовский Д. Г. Модельные исследования статики гид-
росооружений.— М.: Энергия, 1975.
79. Розанов Н. С. Проектирование и исследование арочных плотин во Фран-
ции.— М. — Л.: Энергия, 1966.
80. Розин Л. А. Расчет гидротехнических сооружений на ЭЦВМ. Метод ко-
нечных элементов. — Л.: Энергия, 1971.
81. Сборник трудов по гидротехнике и гидростроительству. — М.: Наука,
1970.
82. Семанов Н. А. Деревянные плотины. — М.: Стройиздат, 1940.
83. Слисский С, М. Гидравлика зданий гидроэлектростанций. — М.: Энергия,
1970.
84. Справочник по гидравлическим расчетам/Под ред. Киселева П. Г. — М.:
Энергия, 1975.
85. Справочник по гидротехнике. — М.: Госстройиздат, 1955.
86. Строительство плотин массовым взрывом- породы/Ваздасарое А. Г., Баш-
куев Э. Б., Бурштейн М. Ф. и др. — М.: Энергия, 1974.
87. Тайчер С. И., Мгалобелов Ю. Б. Расчеты устойчивости скальных берего-
вых упоров арочных плотин. — М.: Энергия, 1972.
88, Технический прогресс в проектировании и строительстве высоких плотин
(по материалам X Международного конгресса по большим плотинам).-—М.:
Энергия, 1976.
89. Турчин Н. Е. Сооружения гидротехнических объектов тепловых электро-
станций.— М.: Госэнергоиздат, 1960.
90. Угинчус А. А. Каналы и сооружения на них. — М.: Госстройиздат, 1953.
91. Ухов Б. С. Скальные основания гидротехнических сооружений. — М.:
Энергия, 1975.
92. Фильчаков П. Ф. Теория фильтрации под гидротехническими сооруже-
ниями. Т. I, II. — Киев: Изд. АН УССР, 1960.
329
93. Флорин В. А. Теория уплотнения земляных масс. — М.: Госстройиздат,
1948.
94. Фрид С. А. Температурные напряжения в бетонных и железобетонных
конструкциях гидротехнических сооружений. — М.— Л.: Госэнергоиздат, 1959.
95. Фрид С. А., Левених Д. П. Температурные воздействия па гидротехниче-
ские сооружения в условиях Севера. — Л.: Стройиздат, 1978.
96. Цытович Н. А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа, 1973.
97. Цытович Н. А., Ухова Н. В., Ухов С. Б. Прогноз температурной устой-
чивости плотин из местных материалов на вечномерзлых основаниях. — Л.: Строй-
издат, 1972.
98. Чугаев Р. Р. Гидротехнические сооружения. Глухие плотины. — М.: Выс-
шая школа, 1975.
99. Чугаев Р. Р. Гидротехнические сооружения. Водосливные плотины. — М.:
Высшая школа, 1978.
100. Чугаев Р: Р. Подземный контур гидротехнических сооружений. — Л.:
Энергия, 1974.
101. Щавелев II. Ф. Уплотнение деформационных швов массивных гидротех-
нических сооружений.— М.: Энергия, 1970.
102. Шульман С. Г. Расчеты сейсмостойкости гидросооружений vc учетом
влияния водной среды.—М.: Энергия, 1976.
103. Шульман С. Г. Сейсмическое давление воды па гидротехнические соору-
жения. — Л.: Энергия, 1970.
104. Шейнин И. С. Колебания конструкций гидросооружений в жидкости
(справочное пособие по динамике гидросооружений). Ч. I.— Л.: Энергия, 1967.
105. Юфин А. П. Гидромеханизация. — М.: Стройиздат, 1974.
106. Bourgin A. Cours de.calcul des barrages. Paris, 1955.
107. Brown Guthrie J. Hydro-Electric Engineering. London, 1965.
108. Contessini F. Dighe e traverse. Milano, 1953.
109. Davis V. C. Handbook of Applied Hydraulics, 1952.
110. Design of gravity dams. US. Bureau of reclamation. Denver. 1976.
111. Henny H. Thomas. The Engineering of Large Dams. P. 1, 2. London, 1976.
112. Kratochvil S. Vodni nadrze a prehrady. Praha, 1961.
113. Mosonyi E. Wasserkraftwerke. В. I, II. Budapest, 1956, 1959.
114. Pavel Peter. Projektovanie priehrad. II. Bratislava, 1959.
115. Press H. Stauanlagen und Wasserkraftwerke. I. Teil, Talsperren. Berlin,
1958.
116. Press H. Stauanlagen und Wasserkraftwerke. II. Teil, Wehre. Berlin, 1956.
117. Segura J. L. J. A. Saitos de aqua у presas de cmbal.se. T. I, II. Madrid,
1964.
118. Tolke F. Talsperren, Staudamme und Staumauern. Handbibliothek fiir
Bauingenieure, Berlin, 1938.
119. Гидравлические расчеты конструкций, управляющих бурными потока-
ми.— Рекомендации для проектирования/Под ред. Гунько Ф. Г. — Л.: Энергия,
1974.
120. Защита от размыва русл и нижних бьефов водообросов/Рекомендации
по проектированию.— М.: Изд. ВОДГЕО, 1974.
121. Нормы и технические условия на проектирование бетонных гравитацион-
ных плотин на скальных основаниях ГСН 123—60)—М.: Госэнергоиздат, 1961.
122. Рекомендации по проектированию и строительству плотин из грунтовых
материалов для производственного и питьевого водоснабжения в условиях Край-
него Севера и вечной мерзлоты. ВНИИ ВОДГЕО.— М.: Стройиздат, 1976.
123. Руководство по учету сейсмических воздействий при проектировании
гидротехнических сооружений (к разделу 5 главы СНиП П-А.12—69). — Л.:
ВНИИГ, 1977.
124. Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные гравитаци-
онные плотины на нескальных основаниях. Нормы проектирования (СНиП
П-И.12—67). — М.: Стройиздат, 1968.
125. Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные конструк-
ции гидротехнических сооружений. Нормы и правила (СНиП П-И.14—69).—
М.: Стройиздат, 1970.
330
126. Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные плотины.
Нормы проектирования (проект) (СНиП П-54—75). — Л.: Стройиздат, 1975.
127. Строительные нормы и правила. Земляные сооружения. Правила про-
изводства и приемки работ (СНиП Ш-Б.1—71). — М.: Стройиздат, 1971.
128. Строительные нормы и правила. Инженерные изыскания для строитель-
ства. Основные положения (СНиП II-A.15—69). — М.: Стройиздат, 1970.
129. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия (СНиП
П-6—74). — М.: Стройиздат, 1976.
130. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия на гидротех-
нические сооружения (волновые, ледовые и от судов) СНиП П-57—75).— М.:
Стройиздат, 1976.
131. Строительные нормы и правила. Основания гидротехнических сооруже-
ний (СНиП 11-16—76). — М.: Стройиздат, 1977.
132. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений (СНиП
П-15—74).—М.: Стройиздат, 1975.
133. Строительные нормы и правила. Плотины земляные насыпные. Нормы
проектирования (СНиП П-И.4—62). — М.: Стройиздат, 1963.
134. Строительные нормы и правила. Плотины из грунтовых материалов.
Нормы проектирования (СНиП П-53—73). — М.: Стройиздат, 1974.
135. Строительные нормы и правила. Подпорные стены гидротехнических
сооружений (СНиП П-И.10—65). — М.: Стройиздат, 1966.
136. Строительные нормы и правила. Расчетные максимальные расходы воды
при проектировании гидротехнических сооружений на реках (СНиП П-И.7—65).—
М.: Стройиздат, 1966.
137. Строительные нормы и правила. Сооружения мелиоративных систем
(СНиП П-52—74). — М.: Стройиздат, 1975.
138. Строительные нормы и правила. Строительные конструкции и основания.
Основные положения проектирования (СНиП II-A.10—71). — М.: . Стройиздат,
1972.
139. Строительные нормы и правила. Строительство в сейсмических районах.
Нормы проектирования (СНиП II-A.12—69).— М.: Стройиздат, 1977.
140. Технические условия и нормы проектирования. Асфальтовые гидроизо-
ляции гидротехнических сооружений. ТУ и НП (Л4СЭС-7—58). — М. — Л.: Гос-
энергоиздат, 1960.
141. Указания по проектированию гидротехнических туннелей (СН 238—73).—
М.: Стройиздат, 1974.
142. Указания по проектированию противофильтрационных завес в скальных
основаниях плотин. — Л.: Энергия, 1968.
143. Указания по определению допускаемых (неразмывающих скоростей вод-
ного потока для различных грунтов и облицовок (BCIT 2—65).— М.: Госземвод-
хоз СССР, 1965.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Акведук 214
Аккумуляция наносов 106
Анкер 253
Анкерное устройство 253
Арматура 240
Безотказность 286
Берегоукрепительные одежды 274
— асфальтовые и асфальтобетонные 277
— гибкие железобетонные 277
— гибкие железные решетки 280
— габионные 273
— вертикальные плетни 283
— дерн 272
— каменные 276
— каменное мощение 201, 275
Борьба с фильтрацией в грунтах каналов
— кольматаж 197
— осолонение 198
— уплотнение 198
Быстроток 225
.-Вакуум 11
Верхний бьеф 105
Вес затвора
— плоского 26
— сегментного 33
— вальцового 48
Водоводы 184
Водозабор 141
— бесплотинный 142
— поверхностный 143
— береговой 143
— глубинный 143, 153
— ковшовый 144
— многоголовый 143
— плотинный 145, 153
Водозаборные сооружения 141
Водохранилище 103, 109
Водные ресурсы
— охрана 206
Габионы 273
Гидроаккумулирующие электростанции 124
Гидросооружения для рыбного хозяйства
125, 130
Гидротехнические сооружения
— водопроводящие 184
— регуляционные 256
Компоновка сооружений 122, 155
Гидроэлектростанции (ГЭС) 121
Головы шлюза 116
Горное давление 236
Дамба
— обвалования 270
— продольная 265
— поперечная 265
Динамометр 325
Долговечность 286
Дренаж обделки туннеля 240
Дренаж под облицовками 204, 240
Дюкеры 217
Задвижки 80
Закладные части 4, 100
Запруды 262
Затвор 4
— аварийно-ремонтный 89
— вальцовый 40
— глубинный 7, 69
— гусеничный 72
— дисковый 81
— деревянный 29, 39
— железобетонный 28, 53
— из легких сплавов 28, 39
— игольчатый 83
— кольцевой 67, 84
— с камерой противодавления 86
332
Затвор катковый 27
— клапанный 5Ь, 65
— конусный 82
— сегментный 32, 74
— секторный 50
— стоечно-плоский 66, 91
— плоский 14, 70
— плавучий 7, 91
— поворотный 59, 91
— ремонтный 5, 89
— тканевый 63
— уравновешенный 8
— цилиндрический 84
Затвора коэффициент сопротивления
• — дискового 82
— игольчатого 83
— конусного 83
Затворов область применения 30, 40, 77
Затопление территории 270
Захватные балки 97
Землетрясение 325
Индикатор подобия 301
Инклинометрическая установка 322
Исследования
— гидравлические 316
— деформаций 318
— лабораторные 299
— напряжений 318
— натурные 315
— статические 306
— фильтрации 316
Испарение воды 194
Кавитация 225, 300
Каменная иаброска в перемычке 160
Канал
— водопроводящий 184, 232
— деривационный 185
— ирригационный (оросительный) 18b
— комплексный 185
— обводнительный 185
— осушительный 185
— отводящий 185, 227, 232
— подходной 185
— рыбоводный 185
— с механическим подъемом воды 185
— самотечный 185
— судоходный 185
— энергетический 185
Карабуры 273
Кинематическая вязкость 302
Компоновка механического оборудования
41. 73, 78, 95
Компоновка сооружений
— в узких створах 179
— иизконапорпых 174, 176
— полупоймеппая 170
— пойменная 166
— средненапорных 176
Компрессионная кривая 316
Контрольно-измерительная аппаратура
(КИА) 315
Конус выноса 261
Коррозия 291
Критерий моделирования 302
Лесс 210
Лессовые и лессовидные грунты 210
Лотки водопроводные
— бетонные 212
— деревянные 211
— железобетонные 212
— ливневые 215
— на сплошных основаниях 212
— на эстакадах 212
— рамные деревянные 211
— стальные 212
Масштабный коэффициент 300
Меандрирование русла 264
Метод затопляемых перемычек 166, 170
Механизмы подъемные 97, 100
Мост служебный 98
Нагорные канавы 210
Нагрузка на затворы 9
Надежность 285
Надстройка плотины 294
Наносы донные 257
— взвешенные 190
Напряжения
— в обшивке затвора 18
— в полозьях и рельсах затворов 22
Наносотранспортирующая способность по-
тока 189
Насосная станция 227
Неразмывающие скорости потока 188, 189
Наблюдения натурные 321
Нижний бьеф 113
Обделка туннелей 240, 242
Обвалование земель 270
Облицовка канала
— асфальтобетонная 200
— асфальтная и битумная 200
— в виде травяного ковра 200
— гравийное покрытие 201
— грунто-асфальтные 199
— железобетонные 202
— из асфальтового раствора 200
— каменная 201
— противофильтрационная 199
— сборная 203
Опорно-ходовые части 21, 35
Осадка плотины 288, 318
Основание сооружения деформации 318
Осмотр профилактический 287
Отверстия в плотинах
— водосливные 156. 168
— глубинные 156. 169
— донные 156, 168
Отказ 286
Пазовые конструкции 100
Перемычки 156—160
Перемычковый метод 155
Перепад 223
Подтопление 105
Подобия законы 300
Подъемные усилия затворов
— вальцовых 44, 47
— плоских 26, 30
— сегментных 37
Поперечная циркуляция 270
Предельные скорости в каналах
— по заилению 188
— по зарастанию 190
— по размыву 189
Пропуск воды при строительстве 163, 166,
169
Пропуск воды' через недостроенные соору-
жения 160, 166
— льда 155
Размерность 300
Регулирование русел 256
Регуляционные методы защиты прибреж-
ных земель
— обвалование 270
— подсыпка и повышение территории 270
— устройство обводных или разгружающих
русел 270
Регулирующие сооружения ла каналах
— вододелители 227
— водосбросы 229
— водоспуски 229
— шугосбросы 230
Режим бьефа верхнего 105
— нижиего 11'4
Реконструкция 292
Ремонт аварийный 288
— капитальный 288
— текущий 288
Ремонтопригодность 286
Решетки сороудерживающие 4, 154. 219
Рыбозащитные мероприятия 127, 140
Рыбоподъемник гидравлический 133, 134
— плавучий 136
Рыбопропускные сооружения 130
Рыбоходы лотковые 131
— лестничные 133
— прудовые 132
Селевый поток 262
Селезадерживающие сооружения 280
Селенаправляющие сооружения 281
Селепровод 215
Сечение поперечное канала 186
Сипаи 273
Сифон 229
Скорость предельная
— по заилению 187
— по размыву 189. 191
Совмещенная ГЭС 123
Сопрягающие сооружения 221
Судоподъемник 119
Толщина обделки туннеля 249
Трасса канала 205, 210
Трубопроводы 217
Туннель
-гидротехнический 231, 233
- напорный 245
- строительный 163
Туннеля способы проходки 252
Тюфяк 278
Уплотнения затворов 24, 37, 76
Уровень
— мертвого объема (УМО) 105
— нормальный подпорный (НПУ) 105
— формированный (ФУ) 105
Фашина 272
Центробежное моделирование 311
Шероховатость повышенная 225
Шлюз
— рыбоходный 135
— судоходный 116
Шугосброс 230
Эксплуатация гидросооружений 285
— затворов 99
Эрозия русла 258
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие....................................................... 3
Раздел III. Затворы гидротехнических сооружений..................... 4
Г лава 18. Общие сведения о затворах................................ 4
§ 18.1. Механическое оборудование гидросооружений .... 4
§ 18.2. Классификация затворов............................ 4
§ 18.3. Условия работы затворов........................... 8
§ 18.4. Основные положения расчета затворов на прочность . . 12
Г лава 19. Затворы водосливных отверстий........................... 14
А. Затворы, передающие давление воды на быки и устои................14
§ 19.1 . Плоские затворы................................ 14
§ 19.2 . Сегментные затворы . . .32
§ 19.3 . Вальцовые затворы.............................. .40
Б. Затворы, передающие давление воды на порог отверстия............49
§ 19.4 . Секторные затворы.............................. 50
§ 19.5 . Клапанные и крышевидные затворы................ 55
§ 19.6 . Затворы с поворотными фермами и рамами ...... 59
§ 19.7 . Тканевые затворы.............................. 63
В. Затворы, передающие давление воды на порог и быки.............. 65
§ 19.8 . Клапанные затворы...............................65
§ 19.9 . Стоечно-плоские затворы........................ 66
Г. Поверхностные затворы, не передающие давление воды на сооружение
§ 19.10. Кольцевые затворы............................... 67
Г лава 20. Затворы глубинных отверстий............................. 69
§ 20.1. Особенности работы глубинных затворов............ 69
§ 20.2. Глубинные затворы, передающие давление воды па со-
оружение через опорно-ходовые части...................... 69
§ 20.3. Глубинные затворы, передающие давление воды на соору-
жение через корпус затвора................................80
§ 20.4. Глубинные уравновешенные затворы . . .............84
§ 20.5. Новые конструкции , глубинных затворов.............86
Глава 21. Эксплуатация, монтаж затворов и оборудование для маневриро-
вания затворами.....................................-................89
§ 21.1. Ремонтные и аварийно-ремонтные затворы.............89
§ 21.2. Оборудование для маневрирования затворами..........94
§ 21.3. Монтаж и эксплуатация затворов.....................99
Раздел IV. Водохранилища. Специальные гидротехнические сооружения 103
Глава 22. Водохранилища и нижние бьефы гидроузлов...................103
§ 22.1. Общие сведения....................................103
§ 22.2. Гидрологический режим верхнего бьефа..............105
§ 22.3. Переформирование берегов и ложа водохранилищ . . . 108
§ 22.4. Мероприятия, связанные с образованием водохранилищ
и охраной природы..........................................ПО
§ 22.5. Технико-экономические показатели водохранилищ . . ..113
§ 22.6. Нижний бьеф . . ..................................114
Глава 23. Специальные сооружения гидроузлов.........................116
А. Транспортные и энергетические сооружения........................116
§ 23.1 . Судоходные сооружения............................116
334
§ 23.2 , Энергетические сооружения.......................121
Б. Рыбопропускные и рыбозащитные сооружения........................125
§ 23.3 , Общие сведения о рыбном хозяйстве и рыбохозяйствен-
ной гидротехнике ........................................ 125
§ 23.4 . Типы рыбопропускных сооружений..................130
В. Водозаборные сооружения . . ..................................141
§ 23.5. Бесплотинные водозаборы...........................142
§ 23.6. Плотинные водозаборы.............................145
§ 23.7. Плотинный глубинный водозабор....................153
Раздел V. Особенности возведения гидротехнических сооружений и компо-
новка гидроузлов........................................155
Глава 24. Пропуск речных вод, льда, леса, судов в период постройки гид-
роузлов . . 155
А. Возведение сооружений без отвода реки из ее бытового русла......155
§ 24.1 . Перемыленный метод...............................155
§ 24.2 . Бесперемычный метод.............................161
Б. Возведение сооружений с отводом реки из ее русла................163
§ 24.3 . Отвод воды туннелями и каналами.................164
В. Комбинированный метод пропуска строительных расходов воды .... 165
§ 24.4. Пропуск расходов воды через береговые водосбросы и
с переливом через перемычки и недостроенные соору-
жения ...................................................166
§ 24.5. Пропуск воды при пойменном методе строительства соору-
жений гидроузла...........................................166
§ 24.6. Пропуск воды через отверстие в строящихся сооружениях 168
Глава 25. Компоновка сооружений в гидроузлах.......................172
§ 25.1. Общие принципы компоновки сооружений в напорных
речных гидроузлах....................................... 172
§ 25.2. Компоновка сооружений в низко- и средненапорных гид-
роузлах ................................................. 174
§ 25.3. Компоновка сооружений в гидроузлах высоких напоров 179
Раздел VI. Водопроводящие сооружения............................184
Глава 26. Каналы...................................................185
§ 26.1. Типы, формы и размеры поперечных сечений каналов . 185
§ 26.2. Потери воды из каналов и борьба с ними...........194
§ 26.3. Облицовки (одежды) каналов.......................199
§ 26.4. Трассирование каналов. Продольный профиль и попереч-
ное сечение...............................................205
Глава 27. Сооружения на каналах...................................211
§ 27.1. Водопроводящие сооружения........................211
§ 27.2. Сопрягающие сооружения...........................221
§ 27.3. Сооружения, регулирующие общий режим канала . . . 227
Глава 28. Гидротехнические туннели................................231
§ 28.1. Характер работы гидротехнических туннелей........231
§ 28.2. Безнапорные туннели..............................238
§ 28.3. Расчет обделок безнапорных туннелей . ...........242
§ 28.4. Напорные туннели.................................245
§ 28.5. Статические расчеты напорных туннелей............248
§ 28.6. Некоторые вопросы проектирования и производства ра-
бот ................................................... 252
Раздел VII. Регуляционные сооружения...............................256
Глава 29. Методы регулирования речных русл.........................256
§ 29.1. Общие понятия о регулировании речных русл........256
335
§ 29.2. Регулирование верховья рек и потоков...............260
§ 29.3. Методы регулирования русла реки и отдельных ее участ-
ков .......................................................263
§ 29.4. Защита прибрежных земель or затопления............270
Глава 30. Регуляционные сооружения...................................272
§ 30.1. Особенности конструкций выправительпых сооружении
и материалы для них........................................272
§ 30.2. Конструкции берегоукрепительных одежд.............274
§ 30.3. Конструкции сооружений, регулирующих эрозию .... 280
Раздел VIII. Техническая эксплуатация и исследования гидротехнических
сооружений...........................................................285
Глава 31. Техническая эксплуатация, ремонт и реконструкция гидротех-
нических сооружений..................................................285
§ 31.1. Техническая эксплуатация гидротехнических сооружений 285
§ 31.2. Ремонтно-восстановительные работы..................289
§ 31.3. Реконструкция гидротехнических сооружений..........292
Г лава 32. Исследования гидротехнических сооружений................ 299
А. Лабораторные исследования гидротехнических сооружений.............299
§ 32.1. Гидравлические лабораторные исследования...........300
§ 32.2. Задачи и приборы гидравлических исследований .... 305
§ 32.3. Статические исследования гидротехнических сооружений 306
Б. Натурные исследования гидротехнических сооружений.................315
§ 32.4. Гидравлические и фильтрационные исследования .... 316
§ 32.5. Исследования деформаций и напряжений...............318
§ 32.6. Электрофизические методы исследования..............326
Литература...........................................................327
Предметный указатель................................................ 333
| Михаил Михайлович Гришин, |
Сергей Митрофанович Слисский, Александр Иванович
Антипов, Геннадий Афанасьевич Воробьев, Вильям.
Филиппович Иванищев, Валентин Гаврилович Орехов,
Николай Николаевич Пашков, Владимир Николаевич
Поспелов, Леонид Николаевич Рассказов
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Редактор П. И. Попова
Художественный редактор Т. А. Дурасова
Технический редактор Э. М. Чижевский
Корректор Р. К. Косинова
ИБ № 1734
Изд. № Стр-331 Сдано в набор 18.01.79. Подп. в печать 01.11.79.
Т-18564. Формат 60X90l/ie Бум. тип. № 2. Гарнитура
литературная. Печать высокая. Объем 21 усл. печ. л. 22,82 уч.-изд. л.
Тираж 25 000 экз. Зак. 1777. Цена 1 р. 20 к.
Издательство «Высшая школа», Москва, К-51, Неглниная ул., д. 29/14
Московская типография № 8 Союзполнграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
Хохловский пер., 7.