Ю.П. Ляпичев

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Учебное пособие по курсовому

и дипломному проектированию

Москва

Российский университет

дружбы народов

2008

2

ББК 38. 772 Утверждено

Л 97 РИС Ученого совета

Российского университета

дружбы народов

Рецензент –

заведующий кафедрой гидротехнических сооружений

Московского государственного строительного

университета, доктор технических наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ

Л.Н. Рассказов

Л 97 Ляпичев Ю.П.

Гидротехнические сооружения: Учеб. пособие по курсовому

и дипломному проектированию.-М.: РУДН, 2008.- 455 с.: ил.

ISBN 978-5-209-02973-1

В пособии приводятся методы расчета и проектирования основных

гидросооружений комплексных и энергетических гидроузлов. Рассмат-

риваются вопросы компоновки и конструкций этих гидросооружений на

ряде построенных гидроузлов в РФ. Даются рекомендации по расчетам и

конструированию бетонных и грунтовых плотин, а также водосбросных

сооружений на нескальных основаниях, приведены задания на курсовые

и дипломные проекты, их состав и рекомендации по их выполнению.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Гидротехниче-

ское строительство». Пособие будет полезно инженерам-гидротехникам.

Methods of analysis and design of main hydraulic structures of multi-

purpose and energy hydroprojects are given. General lay-outs and construc-

tional features of these hydraulic structures are considered with examples of

some hydroprojects constructed in Russia. The recommendations are given for

analysis and design of concrete and embankments dams as well as for spill-

ways on soil foundations. The tasks and necessary data are given for course

and diploma projects, as well as contents and general recommendations.

The manual is intended for students teaching in the speciality «Hydraulic

Engineering». The manual will be useful for hydraulic engineers.

ISBN 978-5-209-02973-1 ББК 38.772

© Российский университет дружбы народов, Издательство,

2008

© Ю.П. Ляпичев

3

П р е д и с л о в и е

Настоящее учебное пособие по курсу «Гидротехнические со-

оружения» предназначено для бакалавров Российского универси-

тета дружбы народов и других университетов России, обучающих-

ся по направлению «Строительство». Оно является дополнением к

изданному в 1996 г. учебнику «Гидротехнические сооружения»

под ред. Л.Н. Рассказова и учебным пособиям Р.Р. Чугаева (1985

г.), И.С.Румянцева и Каганова Г.М. (1994 г.) под тем же названием.

Необходимость в подготовке настоящего учебного пособия вы-

звана тем, что в России, наконец, возобновилось гидротехническое

строительство и появилась потребность в подготовке бакалавров-

гидростроителей. Для системы подготовки «бакалавр-магистр» по-

требовалась разработка нового учебного пособия по курсу «Гид-

ротехнические сооружения», учитывающего большой объем само-

стоятельной работы студента при курсовом и дипломном проекти-

ровании с использованием новых (2003 г.) основных положений

проектирования гидросооружений в России и последних достиже-

ний мировой и отечественной практики проектирования, строи-

тельства и эксплуатации гидросооружений.

Авторы не ограничились узкими рамками учебной программы

курса «Гидротехнические сооружения» для подготовки бакалав-

ров-строителей в РУДН и постарались расширить и углубить из-

ложение основных разделов этой программы (бетонные водо-

сливные плотины на нескальном основании, включая крепление

нижнего бьефа и подземный контур, земляные и каменно-

земляные на нескальном и скальном основаниях и др.), которые

могут использовать и магистры в своей самостоятельной работе. С

этой целью в пособие включены приложения, в том числе с при-

мерами проектов каскада гидроузлов, плотин и ГЭС, построенных

на Волге и Каме, дана оценка опыта их эксплуатации. Учитывая

важность вопросов гидравлики при проектировании гидросоору-

жений в пособии им уделено особое внимание.

Автор выражает благодарность профессору, доктору технических

наук Л.Н. Рассказову за рецензирование рукописи, ценные советы

и замечания, которые позволили улучшить ее содержание.

4

Глава 1. Общие сведения о специальности «Гидротехниче-

ское строительство» и гидросооружениях

1.1. Характеристика специальности

Гидротехническое строительство – наиболее сложная и инте-

ресная отрасль строительства. Своей сложностью она обязана за-

висимости от природных и хозяйственных условий – топографии и

геологии места строительства, гидрологической характеристике

реки, климата, назначению строящегося гидроузла и его сооруже-

ний и др. Сочетания этих условий так разнообразны, что каждый

гидроузел или гидросооружение должны проектироваться ин-

дивидуально, с учетом местных условий для достижения макси-

мального экономического эффекта. Индивидуальное проектирова-

ние гидросооружений вызвано также их большими размерами, вы-

сокой трудоемкостью, стоимостью и длительностью строитель-

ства. Одновременно строятся малые гидросооружения специаль-

ного назначения, экономичность которых зависит от правильного

выбора их типовых размеров и конструкций.

Типы и конструкции гидросооружений зависят также от техни-

ческих достижений общества, научного уровня и опыта спе-

циалистов. Только на основе современных научно-технических

достижений стало возможным проектировать и строить крупные

гидросооружения почти на всех крупных реках мира, орошать пу-

стыни, соединять судоходными каналами реки; укрощать реки,

приносящие наводнения, с помощью гидросооружений использо-

вать неисчерпаемую энергию приливов, защищаться от морских

наводнений, добывать полезные ископаемые со дна океана и т. д.

Гидротехника (в переводе с древнегреческого «водное мастер-

ство») обеспечивает человечеству возможность наиболее эффек-

тивно пользоваться водными ресурсами и охранять их, защищать-

ся от водной стихии, заботиться о живой природе, которой необ-

ходима вода. Чтобы достигнуть этой комплексной цели, людям

необходимо изучать водные ресурсы и строить сооружения для их

использования, постоянно совершенствуя это строительство.

В использовании водных ресурсов заинтересованы все отрасли

народного хозяйства, которые разделяют на водопотребителей и

водопользователей. Для удовлетворения потребностей первых со-

5

здаются системы хозяйственно-питьевого и коммунального водо-

снабжения и технического водоснабжения – для промышленного и

сельскохозяйственного производства. В число водопотребителей

входят также системы орошения и обводнения сельскохозяйствен-

ных земель. Для водопотребителей водные объекты нужны не

только как источники воды, но и как места приема воды, участво-

вавшей в технологических процессах и прошедшей очистку. Для

сброса этой воды служат системы водоотведения. К второй группе

отраслей хозяйства – водопользователей относятся гидроэнергети-

ка, водный транспорт, рыбное хозяйство, предприятия которых не

потребляют воду безвозвратно и почти не изменяют ее свойств.

В соответствии со способами использования водных ресурсов

изменяется профиль гидротехнической специальности. Важней-

шие из них: водоснабжение и водоотведение (канализация), гид-

ромелиорация (орошение и осушение), гидроэнергетика, строи-

тельство водных путей и портов, а также общая специальность -

гидротехническое строительство речных сооружений, в равной

степени ориентированная на любую разновидность гидротехники.

Инженерная деятельность гидротехников, кроме деления по

упомянутым специальностям, разделяется также по видам работы.

Они могут активно участвовать в изысканиях – гидрологических и

метеорологических, топографических и инженерно-геологических,

включая гидрогеологические и сейсмологические, и в экономиче-

ских исследованиях. Результаты этих изысканий, проводимых

гидротехниками вместе со специалистами других областей науки и

техники, должны дать всестороннее представление о водных ре-

сурсах изучаемого района, об изменчивости стока рек и запасах

воды в озерах и их обеспеченности. Эти изыскания дают также по-

дробные сведения об условиях строительства – рельефе местности,

свойствах горных пород, их пригодности в качестве основания

гидросооружений, свойствах грунтов как материале, из которого

возводятся грунтовые сооружения. По этим данным определяются

современная экономическая характеристика района, перспективы

его развития, объем потребления и использования гидроресурсов.

Ведущую роль играют гидротехники в проектировании гидро-

узлов отраслевого и комплексного назначения, совместно с други-

ми специалистами: электриками, машиностроителями, экологами,

экономистами и др., что расширяет кругозор гидротехника.

6

Проектирование ведется в такой последовательности: сначала

решаются главные вопросы, влияющие на объем работ, сроки

строительства гидроузла и экономический эффект его эксплуата-

ции, включая его возможное отрицательное влияние на природную

среду. Намечается с использованием аналогов гидроузлов и сопо-

ставляется необходимое число вариантов: водоисточников, схем

гидроузла, состава и типов сооружений и оборудования, способов

производства работ. Далее проект детализируется по выбранному

варианту, компоновка и параметры сооружений и оборудования

уточняются на основе соответствующих расчетов – прочности,

устойчивости производительности, экономичности. Уточняются

на основе расчетов норм продолжительность этапов производства

работ и сроки строительства, потребность в материалах и строи-

тельных машинах, разрабатывается календарный план строитель-

ства. Составляется смета и план финансирования работ, разраба-

тываются рабочие чертежи, по которым ведется строительство со-

оружений, монтаж технологического и другого оборудования.

Основной вид деятельности гидротехников – это строительство.

Любому гидротехнику для успеха его работы необходимо иметь

строительный опыт, что особенно важно для проектировщиков.

Гидротехники на стройке работают вместе с монтажниками элек-

трического, гидросилового и механического оборудования (тур-

бин, насосов, затворов, оборудования шлюзов) и представителями

многих других специальностей. Разновидности работ - земляные и

скальные выемки, разработка карьеров, насыпи грунтов в плоти-

ны, проходка туннелей, бетонные и железобетонные работы на

земле и подземные, бурение скважин и нагнетание растворов в ос-

нование сооружений (в частности, цементация) с целью повыше-

ния прочности и плотности и снижения деформативности пород.

Гидротехники строят также промышленные и гражданские зда-

ния, дороги, мосты и другие сооружения в составе гидроузлов.

Особенностью работы гидротехников является возведение соору-

жений в реке, т. е. необходимость отводить реку в сторону, пока в

русле ведутся работы под защитой перемычек.

Гидротехники работают на эксплуатации гидроузлов вместе с

электриками и механиками. Они ведут наблюдение за состоянием

и поведением крупных плотин, водосбросов и мощных ГЭС, про-

водят их профилактический и капитальный ремонт и реконструк-

7

цию. На их обязанности подготовка сооружений к пропуску боль-

ших паводков. Следует помнить, что авария плотин и ГЭС может

иметь катастрофические последствия, включая гибель людей.

Важнейшее место в гидротехнике занимают научные исследо-

вания с обширной тематикой и сложностью выше сложности дру-

гих видов строительства. Исследования сопутствуют изысканиям,

повышая точность исходных проектных данных, обеспечивая про-

гноз поведения водотока, состояния русла и берегов и т.п.

Так, гидравлические исследования уточняют вопросы, связан-

ные с пропуском воды через сооружения, вопросы фильтрации в

основании сооружений и грунтовых плотинах. В результате иссле-

дования прочности материалов (бетона, асфальтобетона и др.) и

конструкций из них достигается экономичность сооружений. На

основе исследования грунтов и горных пород обеспечиваются тре-

буемые свойства оснований бетонных и грунтовых сооружений.

Ученые-гидротехники разрабатывают и применяют численные

методы расчетов устойчивости, напряженного состояния и проч-

ности бетонных и грунтовых плотин, что позволяет разработать

надежные и экономичные конструкции этих плотин, а при эксплу-

атации проверить их состояние. Во время строительства проводят

исследования технологии основных работ – земельно-скальных,

буровзрывных, бетонных, цементационных и других.

Большое значение гидротехника имеет и в современном транс-

портном и городском строительстве. Например, современные мо-

стовые переходы через реки и овраги требуют знаний гидрологии,

гидравлики и транспорта наносов для предотвращения размывов

их опор, проходка глубоко заложенных транспортных туннелей в

сложных гидрогеологических условиях требует глубоких знаний

гидрогеологии и механики горных пород, которыми обладают

только гидротехники, успешно решающие такие проблемы.

Аналогичное положение наблюдается и при строительстве глу-

боко заложенных фундаментов современных высотных зданий в

Москве и других крупных городах России. Здесь также невозмож-

но обойтись без использования богатого опыта проектирования,

строительства и мониторинга поведения высоких бетонных плотин

на скальном основании (в том числе слабом и с карстами). В усло-

виях плотной городской застройки устройство даже неглубоких

котлованов обычных зданий невозможно без применения совре-

8

менной технологии «стена в грунте», давно освоенной в гидротех-

нике. Реконструкция и восстановление исторических зданий и

церквей невозможны без применения современной технологии

инъекции закрепляющих растворов и установки напрягающих ан-

керов, давно и успешно применяющихся в гидротехнике.

Эти далеко неполные примеры говорят о широком внедрении

специальных гидросооружений и технологий в практику граждан-

ского, промышленного и транспортного строительства, и эта тен-

денция усиливается. Кроме того, продолжает возрастать значи-

мость городской гидротехники (систем водоснабжения, канализа-

ции, дренажа, обустройства речных набережных и портов, созда-

ние парковых водоемов и т.п.) в современном городском хозяй-

стве, где успешно работают гидротехники.

Таким образом, сейчас инженеры-гидротехники востребованы

не только в расширяющемся гидротехническом строительстве

(гидроэнергетическом, портовом, шельфовом и мелиоративном),

но и в промышленно-гражданском, транспортном, нефтетрубо-

проводном, природоохранном и других видах строительства.

Изучению специальных курсов по гидросооружениям предше-

ствуют теоретические и общетехнические дисциплины, без знания

которых спецкурсы освоить невозможно. К таким дисциплинам,

изучаемым студентами специальности «Гидротехническое строи-

тельство», относятся: высшая математика, гидравлика, гидроло-

гия, геодезия, начертательная геометрия, геология и гидрогеоло-

гия, механика грунтов и скальных пород, теоретическая механика,

строительные материалы, сопротивление материалов, строитель-

ная механика, основания и фундаменты и др. Основные положе-

ния этих дисциплин будут реализовываться в процессе учебы - в

курсовых работах по специальным дисциплинам, в дипломном

проекте и при подготовке магистерской диссертации.

1.2. Водные ресурсы России и их комплексное использование

Водные ресурсы России слагаются из запасов поверхностных

(речной сток, озера, болота, ледники) и подземных вод.

Объем речного стока, формирующегося на территории России,

составляет 4043 км3/год, что в удельных показателях составляет

237 тыс. м3/год на 1 км

2 территории и 27,8 тыс. м

3/год на одного

жителя. Дополнительный сток из сопредельных государств со-

9

ставляет 227 км3/год. Кроме крупных рек по территории России

протекает около 2,5 млн. малых рек, из которых для нужд населе-

ния и хозяйственных целей используется 127 тыс. рек. Территори-

альная неравномерность, большая внутригодовая и многолетняя

изменчивость речного стока затрудняют обеспечение экономики

требуемым количеством воды. Эта проблема решается за счет ре-

гулирования стока рек водохранилищами, общий объем которых

равен 793 км3 при площади зеркала 65 тыс. км

2. В России имеется

более 2,3 млн. озер, статические запасы воды в которых равны

26068 км3. Озера служат природными регуляторами речного стока,

обеспечивают защиту территории от затопления при паводках, ис-

пользуются для целей водного транспорта, рыболовства, водо-

снабжения, промышленности и сельского хозяйства.

Распределение водных ресурсов по территории страны отлича-

ется крайней неравномерностью. Основной их объем (80 %) при-

ходится на зоны тундры и лесов, неблагоприятные для сельскохо-

зяйственного производства. Данные о запасах и суммарных вод-

ных ресурсах пресных вод России приведены в табл. 1.1.

Водные ресурсы России Таблица 1.1

Ресурсы Среднемноголетний

объем, км3 стока, км /год

Статические

запасы, км3

Речной сток* 4270 -

Озера 532 26 068

Болота 1000 3000

Ледники 110 39 820

Подземные воды 787 28 000

Всего 4915** 96 958

* Включая 227 км3/год речного стока с территории соседних государств;

674,5 км3/год подземного, дренируемого реками; 1000 км

3/год болотного,

дренируемого реками; 110 км3/год ледникового, питающего реки.

** В том числе речной сток (4270 км3/год), возобновляемый приток в

озера (532 км3/год) и общие ресурсы подземных вод, не связанные с реч-

ным стоком (113 км3/год).

Наибольший интерес для гидротехников представляют пресные

воды рек и озер. Запасы воды в болотах малы, качество ее низкое и

поэтому гидротехники строят здесь сооружения с целью осушения

территории болот и использования ее в сельском хозяйстве. Прак-

10

тическую ценность представляют подземные грунтовые воды. В

ряде стран (Франция, Россия, Канада, Великобритания и др.) уже

начали использовать неограниченную энергию приливов морей и

океанов, строя приливные электростанции (ПЭС).

Использование водных ресурсов - понятие весьма многогран-

ное. В гидроэнергетике полезные ресурсы реки заключаются в ее

многоводности в сочетании с большим уклоном, позволяющим

получить на гидроэлектростанции (ГЭС) электроэнергию за счет

потенциальной энергии больших масс воды при перемещении их с

высоких отметок на низкие.

Для строительства водных путей и речных портов наибольший

интерес представляют равнинные реки с большой шириной и глу-

биной русла и малыми скоростями. Чем больше глубина реки, тем

больше осадка судов и их грузоподъемность, а значит и грузообо-

рот реки. Большая ширина реки позволяет судам идти полным хо-

дом, без задержек при встречном движении. Километрами водного

пути, тонно-километрами перевозок, тоннами в год грузооборота

речных портов измеряется работа речного транспорта.

Для строительства морских портов используются удобные бух-

ты с достаточными глубинами, защищенные от ветровых волн,

льда и наносов. Затраты на дноуглубление и строительство защит-

ных молов и волноломов в этом случае минимальные, эффект из-

меряется квадратными километрами акватории порта.

Для строительства нефте и газопроводов, пересекающих реки и

прокладываемых по дну морей, необходимо предотвратить или

минимизировать переформирование (размывы или заиление) дна

их трассы. Для строительства глубоководных платформ на мор-

ском шельфе с целью добычи нефти и минеральных ресурсов из

подводных месторождений вода - препятствие на пути к добыва-

нию этих богатств, которое надо преодолевать.

Комплексное использование водных ресурсов позволяет обес-

печить взаимное сочетание интересов всех водопользователей и

водопотребителей и достичь общего экономического эффекта.

Строительство плотины на реке, необходимое для создания пере-

пада уровней в удобном для ГЭС месте, увеличивает глубины в

верхнем бьефе, что хорошо для судоходства, но необходимо также

пропускать суда через шлюзы для преодоления этого перепада.

11

Неравномерную электрическую нагрузку («пики» суточного

графика нагрузки) обычно возлагают на ГЭС, которые можно

быстро и с минимумом потерь включать и выключать, изменять их

мощность. Это приводит к быстрому колебанию уровней воды в

нижнем бьефе, что усложняет работу расположенных там систем

орошения, водоснабжения и водного транспорта. Поэтому часто

ниже основной ГЭС сооружают небольшое водохранилище-контр-

регулятор (с малой ГЭС), куда вода поступает от основной ГЭС

неравномерно, а выпускается с постоянным расходом, так что ин-

тересы других водопользователей и потребителей не нарушаются.

Следует отметить, что общим интересам экономики служит, в

частности, регулирование стока реки, т. е. перераспределение объ-

ема стока во времени по сезонам года и годам с целью сделать его

более равномерным. Для возможности регулирования стока необ-

ходимо создание на реке водохранилища большого объема, чтобы

запасать в нем воду во время паводков и расходовать в периоды

межени. Водохранилище также используется для уменьшения

ущерба от наводнений на части реки ниже плотины.

Строительство гидроузла и создание водохранилища сильно

влияют на режим реки и природную обстановку на ее берегах,

включая микроклимат, что отражается на условиях жизни живот-

ного и растительного мира. Постройка плотины препятствует ми-

грации рыб, поэтому для пропуска рыбы предусматривают в со-

ставе гидроузла рыбопропускные сооружения. Повышенная тем-

пература и малые скорости течения в водохранилище спо-

собствуют развитию водорослей. Подпор грунтовых вод по бере-

гам водохранилища влияет на состав травяной и древесной расти-

тельности, в том числе культурных посевов, что учитывают, меняя

сорта растений, способы обработки почвы.

Сложность проблемы комплексного эффективного использова-

ния водных ресурсов России требуют составления Генеральной

схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов РФ

(с использованием аналогичной Генеральной схемы СССР), в ко-

торой на основе глубокого анализа будет дан перспективный план

порайонного и отраслевого использования водных ресурсов, наме-

чены меры по очистке использованной воды, промышленных и

коммунально-бытовых стоков.

12

1.3. Исторические этапы мировой и российской гидротехники

Вероятно, с колодцев, малых земляных дамб и прудов начала

развиваться отрасль гидротехники – водоснабжение, когда человек

перешел к оседлому образу жизни и стал заниматься земледелием.

Первые рабовладельческие государства древнего мира, прежде

всего Египет и Шумерское царство (Вавилон), несколько позднее

Китай и Индия, располагавшие большими людскими резервами,

оказались способными построить и эксплуатировать крупные со-

оружения – плотины, каналы для орошения и водоснабжения, ин-

тенсификации земледелия и животноводства по берегам много-

водных рек. Первое упоминание о строительстве оросительных

каналов в Египте за 4400 лет до новой эры содержится в надписях

на древних храмах Карнака и папирусах, а позднее и в Библии. В

конце ХХ века в окрестностях Каира в одном из оврагов, спуска-

ющихся в Нил, была откопана и отреставрирована самая старая

плотина мира, построенная около 3,5 тыс. лет до новой эры. Это

каменно-земляная плотина высотой почти 15 м с центральным

глинистым ядром и боковыми призмами из каменной кладки.

В древнем Вавилоне водопровод существовал еще за 3-3,5 тыс.

лет до н. э., в Китае первые оросительные каналы – за 2,3 тыс. лет

до н. э. Низкие участки территории нынешней Голландии начали

защищать от морских наводнений дамбами за 2,0 тыс. лет до н. э.

На территории Узбекистана и Армении в древних государствах

Хорезм и Урарту оросительные каналы и плотины строили в VIII-

VI вв. до н. э. В древней Греции и Риме в VI-IV вв. до н. э. строят

водопровод и канализацию, осушают болота. В XI в. новой эры

после открытия секрета выпечки хлеба начали строить первые во-

дяные мельницы – прообраз современных ГЭС.

В Киевской Руси водяные мельницы строили в IX-XIII вв. В

XI-XII вв. в Новгороде построили водопровод из деревянных труб,

в 1633 г. в Москве в Кремле работал настоящий водопровод.

Монахи Соловецкого монастыря в Белом море столетиями со-

здавали водохозяйственную систему, включающую систему кана-

лов (часть из них судоходные), соединяющих более 40 озер, осу-

шительную систему, мельницу, кузницу и др. В 1920-х годах здесь

был создан первый советский концлагерь, его узники расширили и

углубили каналы, построили мини-ГЭС, сухой док и лесопилку.

В XVII-XVIII вв. в пери- од мануфактур почти все отрасли

13

промышленности базировались, как правило, на гидравлических

установках. Получили большое развитие водные пути. Было по-

строено много судоходных каналов во Франции, Германии, Анг-

лии. В России этот период – до начала XIX в. – был периодом рас-

цвета гидротехники. Эпоха Петра I ознаменовалась мощным подъ-

емом русской промышленности. Гидросиловые установки стро-

ились на Урале, Алтае, в Карелии, Забайкалье, в центре России.

Наряду с промышленностью велось крупное строительство вод-

ных путей. При Петре I было осуществлено соединение р. Оки с

верховьями р. Дона Иванковским каналом, соединение Волги с

Балтийским морем Вышневолоцкой системой через речки Тверцу,

Цну, Мету, оз. Ильмень и р. Волхов (1703-1722 гг.), построены

Приладожские каналы (1732 г.), каналы в Петербурге и др.

Изобретение паровой машины и железных дорог в начале XIX

в. привело к ослаблению интереса к громоздким гидросиловым

установкам и водным путям. Новый и резкий подъем гидротехни-

ческого строительства относится уже ко второй половине и концу

XIX в., когда были изобретены современные гидравлические ма-

шины с высоким КПД (турбины Френсиса в 1870-х годах, Пельто-

на в 1880 г.). Электричество начало широко внедряться во все от-

расли жизни. Рост крупных городов требовал их интенсивного во-

доснабжения и удаления сточных вод. В России развитие капита-

лизма запаздывало по сравнению с западными странами и лишь в

последней трети XIX в. начался бурный рост промышленности и

сельского хозяйства. Однако, несмотря на это, неудачную войну с

Японией и революцию 1905 г. Россия уже к 1913 г. благодаря ре-

формам Столыпина вышла на передовые экономические позиции в

Европе, опережая не только Европу, но и США по темпам роста

промышленности, транспорта и сельского хозяйства.

В начале XX в. в России эксплуатировались много гидросо-

оружений для водоснабжения крупных городов и промышленных

предприятий (Петербург, Москва, промышленность Урала, Дон-

басса, Баку), для орошения (Туркестан, Закавказье), для межбас-

сейновых воднотранспортных соединений (Нева - Днепр, Нева -

Волга, Волга - Северная Двина, Днепр - Буг, Днепр - Неман, Обь -

Енисей). ГЭС, сменившие гидросиловые установки на реках Ура-

ла, Алтая, Кавказа, Карелии, были малой мощности, до 1,5 МВт;

проекты крупных ГЭС составлялись, но не были реализованы.

14

Спустя 8 лет после Октябрьского переворота 1917 г. гидротех-

ника получает в СССР бурное развитие. План электрификации

страны (ГОЭЛРО), принятый в 1920 г. и рассчитанный на 10-15

лет, начал реализовываться спустя 5 лет, но, тем не менее, был пе-

ревыполнен. За это время были построены первые крупные ГЭС -

Волховская, 66 МВт (1926 г.), Днепровская, 560 МВт (1932 г.),

Нижне-Свирская, 100 МВт (1933 г.). Улучшилось судоходство по

Днепру, построены Беломорско-Балтийский канал и новые ороси-

тельные каналы. При строительстве первых крупных ГЭС наши

инженеры пользовались консультациями иностранных специали-

стов из Швеции, США, Италии, но в 1930-х годах от их услуг

начали отказываться, так как в это время в системе НКВД был со-

здан ГУЛАГ (Главное управление лагерей) и десятки тысяч узни-

ков концлагерей использовались на строительстве Беломор-

Балтийского канала, канала Москва-Волга и ряда ГЭС.

До Великой Отечественной войны были построены другие

крупные гидроузлы комплексного назначения: ГЭС на Верхней

Волге (Иваньковская, Угличская и Рыбинская) для энергетики,

водного транспорта и водоснабжения, канал Москва-Волга – для

водного транспорта и водоснабжения, Чирчикские ГЭС – для энер-

гетики и орошения и Большой Ферганский канал – для орошения

Узбекистана и другие гидроузлы.

С 1944 г. начинается восстановление разрушенных, поврежден-

ных, демонтированных ГЭС, в числе которых вышеперечисленные

первые ГЭС плана ГОЭЛРО, Кегумская ГЭС на Даугаве и другие.

Завершается строительство ГЭС, начатое в довоенное время:

Верхне-Свирской, Усть-Каменогорской на Иртыше, Камской - все

это транспортно-энергетические гидроузлы. Достраивается первая

подземная ГЭС - Нива-3, в Сибири на Оби возводится первый

крупный транспортно-энергетический гидроузел - Новосибирская

ГЭС, крупное межбассейновое соединение - Волго-Балтийский

водный путь. Большим достижением явилось завершение строи-

тельства каскада 11 Волжско-Камских ГЭС, Каховской и Канев-

ской ГЭС на Днепре, Волго-Донского канала с Цимлянской ГЭС

на Дону (приложение 1).

Столь крупное гидротехническое строительство в 1944-1956 гг.

потребовало огромных человеческих ресурсов и десятки тысяч уз-

ников ГУЛАГА работали на этих и других сталинских стройках

15

коммунизма в ужасных условиях, и многие тысячи из них погибли

здесь.

Строительство отдельных экономичных гидроузлов превраща-

ется в строительство каскадов ГЭС, использующих полностью ре-

сурсы большинства крупных рек Европейской части страны и ряда

сибирских рек. Строятся большие каналы для перераспределения

стока рек, подвода воды в засушливые и пустынные районы стра-

ны, как, например, каналы Иртыш - Караганда, Каракумский (из

Амударьи, судоходный), Днепр - Донбасс, Южно-Украинский и

Северо-Крымский (из Днепра).

В 1960-1980 гг. с помощью и по проектам российских специа-

листов с использованием отечественного гидросилового, техноло-

гического и строительного оборудования возводятся крупные гид-

роузлы во многих странах Африки (прежде всего, уникальная вы-

сотная Асуанская плотина и ГЭС на Ниле в Египте), Азии, Латин-

ской Америки и Восточной Европы.

Многие из построенных в СССР в 1945-1990 гг. плотин и ГЭС

являлись в то время уникальными по размерам и мощности. Так,

рабочие колеса турбин Волжской и Волгоградской ГЭС имеют

диаметр 9,3 м, Саратовской ГЭС - 10,3 м, Усть-Каменогорский

шахтный шлюз имеет высоту 40 м, агрегаты Красноярской ГЭС на

Енисее имеют мощность по 500 МВт, вся ГЭС - 6000 МВт; судо-

подъемник на этом гидроузле преодолевает перепад уровней воды

100 м. Агрегаты самой крупной в стране Саяно-Шушенской ГЭС

на Енисее имеют мощность по 640 МВт, вся ГЭС - 6400 МВт;

арочно-гравитационная плотина этой ГЭС имеет высоту 245 м и

длину по гребню 1050 м. Нурекская грунтовая плотина (самая вы-

сокая плотина в мире) в Таджикистане имеет высоту 300 м, Ингур-

ская арочная бетонная плотина в Грузии имеет высоту 272 м (са-

мая высокая арочная плотина в мире) и т.д.

В 1990 г. мощность всех ГЭС страны достигла около 53 тыс.

МВт, а годовая выработка – около 240 млрд. кВт-ч, что составило

около 20% мощности всех электростанций страны. Несмотря на

это использование экономического энергопотенциала рек страны

(1095 млрд. кВт-ч в год) едва превысило 20%, что свидетельствует

об огромных возможностях строительства ГЭС в перспективе. При

этом продолжалось строительство новых крупных ГЭС в Сибири,

на Дальнем Востоке и в Средней Азии в составе комплексных гид-

16

роузлов, в сочетании с водным транспортом, орошением, борьбой

с наводнениями. В 60 км севернее Москвы началось строительство

первой в стране Загорской гидроаккумулирующей электростанции

(ГАЭС), работающей попеременно в режиме ГЭС и насосной

станции, что повысило эффективность работы всех электростан-

ций Единой энергетической системы (ЕЭС) страны. После пуска

первой в стране приливной электростанции (ПЭС) на Кислой губе

в Карелии продолжались проектные работы по новым ПЭС.

Подводя итог советскому периоду гидротехнического строи-

тельства, следует констатировать, что в этот период была создана

одна из лучших в мире гидротехнических школ, возглавляемая

выдающимися специалистами и учеными-практиками, которые

впервые успешно решили целый ряд очень сложных проблем:

1) создание оригинальных конструкций водосбросных бетон-

ных плотин и совмещенных зданий ГЭС на нескальных осно-

ваниях, с анкерными понурами, дренажами, с облегченным типом

тела плотины, с эффективными устройствами гашения водного по-

тока в НБ, позволяющими пропускать высокие удельные расходы;

2) разработка и строительство новых типов грунтовых плотин

на скальных основаниях, в высокосейсмичных районах, при высо-

ких (свыше 100 м) и сверхвысоких (свыше 200 м) напорах; широ-

кое использование методов гидромеханизации и направленного

взрыва при строительстве грунтовых плотин;

3) разработка и строительство высоких (свыше 100 м) гравита-

ционных бетонных плотин в суровых климатических условиях на

скальных основаниях на многоводных реках, а также сверхвысо-

ких (245-272 м) арочно-гравитационных и арочных бетонных пло-

тин в широких каньонах в районах с высокой сейсмичностью;

4) разработка и реализация новых компоновок гидроузлов, эф-

фективных способов (без перемычек) перекрытия русел рек в

строительный период; новых типов водозаборных гидроузлов.

1.4. Гидроэнергетика России и планы ее развития до 2015 г

После распада СССР в 1991 г. энергетика и гидроэнергетика

новой России лишилась примерно четверти своих мощностей. На

1991 г. установленная мощность ГЭС России не превышала 40

тыс. МВт и по этому показателю Россия спустилась со второго ме-

ста в мире, которое занимал СССР после США, на пятое место, ко-

торое сейчас занимает Рос- сия после Китая, Бразилии, США и

17

Канады. В табл. 1.2 приведены данные о каскадах ГЭС России.

В течение 1988-2000 гг. в стране не было построено или до-

строено ни одной ГЭС, все стройки ГЭС были заморожены в пря-

мом и переносном смысле слова. И только в 2002 г. благодаря в

основном повышению мировых цен на энергоносители катастро-

фическое положение в гидроэнергетике начало постепенно вы-

правляться. Созданная тогда государственная энергетическая ком-

пания РАО «ЕЭС России» (Акционерное общество «Единая энер-

гетическая система России») начала реформирование основных

секторов энергетики (тепловых, газотурбинных и гидрогенериру-

ющих электростанций, ЭС), за исключением атомных ЭС, которые

были переданы Агентству по атомной энергетике РФ.

После распада СССР 10-летняя безудержная криминальная

приватизация государственной и общественной собственности

привела к огромным невосполнимым материальным и социальным

потерям трудящихся и особенно пенсионеров страны.

Наиболее крупные каскады ГЭС России Таблица 1.2

№ Наименование каскада Число ГЭС

каскада

Суммарная

мощность ГЭС

каскада, МВт

1 Енисейский 8 30420

2 Ангарский 5х

16530

3 Волжско-Камский 14 11679

4 Иртышский 6 3279

5 Сулакский 5хх

2171

6 Бурейский 2ххх

2300

7 Зейский 2ххх

1300

8 Вилюйский 3 1008

х - с учетом пуска Богучанской ГЭС на полную мощность (3000 МВт)

в 2012 г; хх - с учетом пуска Ирганайской ГЭС на полную мощность (800

МВт) в 2010 г.; ххх - с учетом пуска Нижне-Зейской и Нижне-Бурейской

ГЭС (по 300 МВт) в 2012 г.

26 декабря 2004 г. в системе РАО ЕЭС России была создана ее

дочерная компания - Федеральная гидрогенерирующая компания

(«ГидроОГК»), которая объединяет около 50 ГЭС, в том числе

крупнейшую в стране Саяно-Шушенскую ГЭС (6400 МВт). Общая

установленная мощность этих ГЭС - 23,3 тыс. МВт (23,3 ГВт). По

данным компании, выручка в 2006 г. составила 24 млрд. руб., в

18

2007 г. - 38 млрд. руб., чистая прибыль - 9 млрд. руб. В состав

ГидроОГК (РАО ЕЭС России) не вошла крупная гидрогенериру-

ющая компания ОАО «Иркутскэнерго» с Иркутской, Братской,

Усть-Илимской и Красноярской ГЭС общей мощностью почти

15000 МВт и другие компании.

За три года с момента образования ГидроОГК в структуре РАО

ЕЭС России компания полностью сформирована как холдинг.

Сейчас ГидроОГК - крупнейшая в России гидрогенерирующая

компания по установленной мощности и самая большая компания

в Европе по производству электроэнергии на базе возобновляемых

источников. Выстроена система управления холдингом, включа-

ющим в себя почти 50 действующих ГЭС, 8 строящихся ГЭС и ряд

проектных и научных институтов (ОАО Институт Гидропроект,

ОАО НИИЭС в Москве и ОАО ВНИИГ в Санкт-Петербурге и др.),

занимающихся проектированием, исследованием и сооружением

ГЭС. Разработана долгосрочная стратегия развития, три главные

цели которой - обеспечение надежной работы ГЭС, развитие воз-

обновляемой энергетики и рост стоимости компании.

ГЭС всегда и везде считались самыми выгодными электростан-

циями (ЭС) с точки зрения себестоимости вырабатываемой ими

электроэнергии. Самые низкие тарифы на электроэнергию в Рос-

сии в Сибири, потому что более 50% энергомощностей в этой ча-

сти страны - ГЭС. Но стоимость строительства ГЭС дороже, чем

ЭС, работающих на газе или угле. Однако если смотреть вперед на

30-50 лет, то именно ГЭС строить гораздо выгоднее экономически

и экологически, так как их экономическая эффективность не зави-

сит от внешних факторов, связанных с колебаниями цен на нефть,

газ и уголь. Поэтому задача минимизации тарифов на электроэнер-

гию может быть эффективно решена через строительство ГЭС.

Инвестиционная программа ГидроОГК до 2011 г. является са-

мой масштабной за всю историю российской гидроэнергетики. В

этот период на развитие гидроэнергетики предполагается напра-

вить около 330 млрд. руб. Главные направления программы: мо-

дернизация действующих ГЭС, завершение строительства ГЭС -

"долгостроев" со времен СССР, проектирование и строительство

новых ГЭС на Дальнем Востоке и востоке Сибири.

В 2006 г. после 15-летнего перерыва было возобновлено строи-

тельство самого крупного в стране энергетического проекта – Бо-

19

гучанской ГЭС установленной мощностью 3000 МВт на р. Ангаре

в Сибири. Основные инвесторы этого крупнейшего проекта – упо-

мянутая компания ГидроОГК и крупнейший в мире производитель

алюминия компания РусАл (Русский алюминий). Пуск в эксплуа-

тацию первых 3 из 9 гидроагрегатов Богучанской ГЭС мощностью

1000 МВт планировался на 2009 г. Однако учитывая плохое состо-

яние на грунтовой плотине диафрагмы из литого асфальтобетона,

необходимость ее ремонта и перехода на надежную и скоростную

технологию укатки диафрагмы из плотного асфальтобетона, пуск

этой ГЭС в эксплуатацию в 2009 г. маловероятен. По плану Гид-

роОГК еще два агрегата (660 МВт) будут пущены в эксплуатацию

в 2010 г. и на полную мощность (3000 МВт) в 2012 г. В 2007 г. бы-

ло начато строительство главного потребителя электроэнергии

ГЭС - Богучанского алюминиевого завода. На финансирование

проекта ГидроОГК и РусАл направили 15 млрд. руб.

Гидропотенциал рек Дальнего Востока колоссальный. По са-

мым скромным оценкам, за его счет можно ежегодно вырабаты-

вать более 280 млрд. киловатт-часов электроэнергии, что в 7 раз

превышает текущую выработку всей Объединенной системы

Дальнего Востока. Сейчас степень освоения гидропотенциала - 3%

против 20% в среднем по России. Для ГидроОГК Дальний Восток

является одним из самых привлекательных регионов страны. Здесь

достраивается Бурейская ГЭС, разрабатываются проекты Нижне-

Бурейской и Нижнее-Зейской ГЭС мощностью по 300 МВт.

Для борьбы с частыми разрушительными наводнениями во

время летне-осенних ливневых паводков на реках Дальнего Восто-

ка будет зарегулирован сток, и построенные гидроузлы позволят

использовать богатые природные ресурсы этого района.

Согласно планам ГидроОГК к 2010 г. завершится строительство

Бурейской ГЭС мощностью 1000 МВт на Дальнем Востоке и там

же продолжится строительство 1-й очереди Нижне-Бурейской

ГЭС, на проектную мощность выйдет каскад Зарамагских ГЭС в

Северной Осетии, каскад Нижне-Черекских ГЭС в Кабардино-

Балкарии, Гоцатлинская ГЭС в Дагестане. Надежность энерго-

снабжения Московского региона возрастет после ввода в эксплуа-

тацию первого пускового комплекса Загорской ГАЭС-2 в 2010 г.

Мощность всех новых ГЭС компании к 2011 г. составит 5000 МВт.

20

В 2006 г. ГидроОГК начал предварительное проектирование

Южно-Якутского гидроэнергетического комплекса, состоящего из

7 ГЭС на реках Тимптон и Учур, притоках р. Лены. Общая мощ-

ность каскада ГЭС может достигнуть 9000 МВт и позволит полно-

стью покрыть потребности в электроэнергии растущей экономики

Якутии и даже экспортировать ее излишки в соседние страны.

Общая стоимость Южно-Якутского каскада ГЭС более 500

млрд. руб. В качестве возможных партнеров, с точки зрения по-

требления энергии этого каскада ГЭС рассматривают Газпром, Во-

сточно-Сибирскую горнорудную компанию, Техснабэкспорт,

Алрос. Это новый мегапроект по развитию не только электроэнер-

гетики, но и экономики целого региона. Как и в случае с Богучан-

ской ГЭС, будущие якутские ГЭС станут основой создания нового

мощного промышленного района России. С точки зрения управле-

ния и стартовых условий этот проект значительно сложнее, чем

проект БЭМО, когда Богучанская ГЭС уже была построена на

55%, в стройку были вложены большие средства, труд тысяч лю-

дей. В Якутии совсем другая ситуация, так как лишь начаты изыс-

кания ряда створов для строительства ГЭС в ряде якутских рек.

Предстоит организовать сложнейший мега-проект (в условиях

острой нехватки опытных специалистов), предполагающий разви-

тие ряда отраслей на основе государственного и частного финан-

сирования. Проект нуждается в проработке с учетом интересов

развития региона, инвесторов и потребителей энергии.

В 2007 г. ГидроОГК организовал предварительное проектиро-

вание Тугурской приливной электростанции (ПЭС), расположен-

ной на юге Охотского моря мощностью до 8000 МВт. В 2008 г.

начнется испытание ортогональной турбины новой конструкции,

которую планируют устанавливать на Тугурской ПЭС.

Северный Кавказ - сейчас основная площадка строительства

малых ГЭС (мощностью до 25 МВт). Большая часть этой про-

граммы предполагает суммарно ввод до 300 МВт малых ГЭС к

концу 2010 г. На 2007 г. разработаны 12 возможных проектов

строительства. Предполагается максимально привлекать частных

инвесторов в эти проекты и предложить им в обмен на инвестиции

до 75% акций в новых ГЭС, а впоследствии и возможность выкупа

ГЭС в полную собственность. В этих проектах малых ГЭС Гидро-

ОГК - разработчик проекта строительства малых ГЭС России.

21

2. Основные требования к проектам гидротехнических

сооружений

2.1. Общие нормативные указания по проектированию

гидротехнических сооружений

2.1.1. Общие положения по проектированию Гидросооружения следует проектировать, исходя из требований

комплексного использования водных ресурсов, схем использова-

ния водотоков, с учетом положений в федеральных, региональных

и отраслевых программах совершенствования хозяйства.

При разработке проектов гидроузлов и сооружений следует

учитывать топографические, инженерно-геологические, гидроло-

гические, сейсмологические, экологические условия строитель-

ства, технические характеристики проекта. Типы сооружений, их

параметры и компоновку следует выбирать на основе сравнения

технико-экономических показателей вариантов с учетом:

- функционального назначения сооружений;

- места возведения сооружений, природных условий района

строительства (топографических, гидрологических, климатиче-

ских, инженерно-геологических, гидрогеологических, сейсмиче-

ских, биологических и др.);

- методов производства работ и трудовых ресурсов;

- развития отраслей хозяйства, в том числе энергопотребления,

судоходства, транспорта, объектов орошения и осушения, обвод-

нения, водоснабжения, разработки нефти и газа на шельфе;

- прогноза изменения гидрологического, включая ледового ре-

жима рек в верхнем (ВБ) и нижнем бьефах (НБ), заиления наноса-

ми и переформирования русла и берегов рек и водохранилищ, за-

топления и подтопления территорий и инженерной защиты распо-

ложенных на них сооружений;

- воздействия на окружающую среду;

- влияния строительства и эксплуатации объекта на социальные

условия и здоровье населения;

- изменения условий и задач судоходства, рыбного хозяйства,

водоснабжения, режима работы мелиоративных систем;

- установленного режима природопользования (сельхозугодья,

заповедники и т. п.);

- условий быта и отдыха населения (пляжи, санаторные зоны);

22

- мероприятий, обеспечивающих требуемое качество воды:

подготовка ложа водохранилища, соблюдение санитарного режима

в охранной зоне и ограничение поступления биогенных элементов

с обеспечением их количества в воде не выше допустимых;

- условий постоянной и временной эксплуатации сооружений.

При проектировании конструкций гидросооружений необходи-

мо обеспечить их прочность и устойчивость, долговечность, воз-

можность наибольшего использования местных строительных ма-

териалов, условия проведения ремонтно-восстановительных работ.

Следует учитывать условия их строительства, возможность высо-

кой механизации работ, сокращение сроков строительства.

Конструкции и размеры сооружений должны обеспечивать бла-

гоприятный гидравлический режим потока при пропуске нормаль-

ных и максимальных расчетных расходов воды, требуемую манев-

ренность в изменении уровней и расходов, нормальную работу со-

оружений в сложных наносных и ледовых условиях.

При проектировании гидросооружений нужно обеспечить:

- безопасность (надежность) сооружений на всех стадиях их

строительства и эксплуатации;

- максимальную экономическую эффективность строительства;

- постоянный инструментальный и визуальный контроль за со-

стоянием гидросооружений и их оснований, а также природными

и техногенными воздействиями на них;

- подготовку ложа водохранилища;

- необходимые условия судоходства;

- сохранность флоры и фауны, рыбоохранные мероприятия;

- минимально необходимые расходы воды, благоприятный гид-

равлический режим в бьефах с учетом интересов водопользовате-

лей и режим уровня грунтовых вод для освоенных земель.

При проектировании гидросооружений следует рассматривать

технико-экономическую целесообразность:

- совмещения сооружений с различными функциями;

- возведения сооружений и поэтапного их ввода в эксплуатацию

отдельными комплексами;

- унификации компоновки оборудования, конструкций и их

размеров и методов производства работ;

- использования напора, создаваемого на гидроузлах транс-

портного, мелиоративного, рыбохозяйственного, для энергетики.

23

2.1.2. Обеспечение безопасности гидросооружений

При разработке проекта гидросооружений следует руковод-

ствоваться законодательством РФ о безопасности гидросооруже-

ний и нормативными требованиями по ее обеспечению.

Гидросооружения должны отвечать требованиям безопасности,

быть удобными в эксплуатации, обеспечивать возможность

наблюдений за их работой, состоянием гидросилового и механиче-

ского оборудования. В составе проекта гидросооружений следует

разрабатывать специальный проект натурных наблюдений за их

работой и состоянием в процессе строительства и эксплуатации

для выявления дефектов и опасных процессов, назначения ре-

монтных мероприятий, предотвращения аварий, улучшения режи-

мов эксплуатации и оценки уровня безопасности и риска аварий.

В составе проекта гидросооружений должны быть разработаны

критерии их безопасности. Перед вводом и во время эксплуатации

сооружения критерии безопасности должны уточняться по резуль-

татам натурных наблюдений за состоянием сооружений, нагрузок

и воздействий, а так же изменений характеристик материалов со-

оружений и оснований, конструктивных решений.

В соответствии с действующим законодательством гидросо-

оружения, повреждения которых могут привести к возникновению

чрезвычайных ситуаций, на всех стадиях их создания и эксплуата-

ции подлежат декларированию безопасности.

Декларация безопасности гидросооружения является обяза-

тельной частью проекта, она подлежит утверждению в органах

надзора за безопасностью сооружений при согласовании проекта.

Декларация безопасности подлежит корректировке:

- перед вводом сооружения в эксплуатацию;

- после первых двух лет эксплуатации;

- не реже одного раза в каждые пять лет;

- после реконструкции и капитального ремонта сооружения;

- при выводе сооружения из эксплуатации и при консервации:

- после аварийных ситуаций.

При проектировании гидросооружений должны быть преду-

смотрены конструктивно-технологические решения по предот-

вращению развития возможных опасных повреждений и аварий,

которые могут возникнуть во время строительства и эксплуатации.

В проектах гидросооружений должны выполняться расчеты по

24

оценке возможных материальных и социальных ущербов от ава-

рии сооружения с прорывом напорного фронта. Следует преду-

сматривать мероприятия по снижению негативных воздействий

возможных аварий сооружений на окружающую среду.

В проектах плотин следует предусматривать локальные систе-

мы оповещения населения, проживающего в долине реки в ниж-

нем бьефе (НБ) сооружения, об угрозе прорыва напорного фронта.

2.1.3. Реконструкция гидросооружений Реконструкцию постоянных гидросооружений проводят в целях:

- укрепления и упрочнения этих сооружений и их оснований

при повышении риска аварии из-за их старения или роста внешних

воздействий и экономико-социальных последствий аварии;

- повышения водопропускной способности гидросооружений;

- увеличения выработки электроэнергии;

- замены оборудования в связи с его износом;

- повышения водообеспечения оросительных систем, улучше-

ния режима грунтовых вод на орошаемых и осушаемых массивах;

- увеличения грузо- и судопропускной способности портов и

судоходных сооружений.

Реконструкцию гидросооружения следует производить также

при изменении нормативных требований, в случае изменения

условий эксплуатации (повышение сейсмичности района, измене-

ние расчетного сбросного расхода и т.п.).

Техническое состояние реконструируемых сооружений следует

определять специальными исследованиями и расчетами на основе

фактических характеристик материалов и грунтов основания, при-

нятых в проекте реконструкции.

2.1.4. Требования по охране окружающей среды

При разработке проекта гидросооружений следует руковод-

ствоваться законодательством России об охране окружающей сре-

ды и нормативными документами, устанавливающими требования

к охране этой среды при инженерной деятельности. Следует также

рассматривать мероприятия по улучшению экологической обста-

новки по сравнению с природной, использованию водохранилищ,

НБ и соседних земель для развития туризма, обеспечения рекреа-

ции земель и вовлечения их в хозяйственную деятельность.

При создании плотин следует предусмотреть инженерную за-

25

щиту или перенос жилых и производственных объектов, историче-

ских и архитектурных памятников, ускоренную разработку или

охрану месторождений полезных ископаемых, благоприятные ре-

жимы уровней в ВБ и НБ, соответствующую подготовку затапли-

ваемых территорий, а в случае необходимости - переселение из

района возможного затопления, решение вопросов благоустрой-

ства территории, охраны окружающей среды, гражданской обо-

роны.

При проектировании гидросооружений необходимо предусмот-

реть решения, которые обеспечат оптимизацию экологического

взаимодействия их и окружающей среды и предотвратят недопу-

стимые последствия этого взаимодействия. Должны быть разрабо-

таны биотехнические мероприятия по сохранению редких видов

растений, рыб, животных, птиц на участках непосредственного

влияния основных сооружений, водохранилищ, НБ, каналов и т. п.

Решение природоохранных вопросов должно начинаться на са-

мых ранних стадиях проектирования объекта и выбора типа со-

оружений и учитываться при рассмотрении остальных техниче-

ских вопросов. Разработка природоохранных мероприятий должна

включать: изучение исходного состояния природной среды, со-

ставление прогнозов ее изменений, разработку мер защиты, а так-

же способов контроля за состоянием каждого элемента среды и

возможные дополнительные мероприятия по сохранению и улуч-

шению экологической обстановки при эксплуатации сооружений.

При проектировании гидросооружений следует предусматри-

вать мероприятия по охране окружающей среды при выполнении:

- дноуглубительных работ, включающих извлечение грунта, его

транспортировку и создание отвалов;

- устройства плотин, дамб, перемычек, обратных засыпок и др.

путем отсыпки грунтов и камня в воду;

- строительства сооружений с использованием материалов, ко-

торые могут явиться источником загрязнения окружающей среды;

- закрепления грунтов, в том числе осуществляемого химиче-

ским способом и т.п.

В проектах плотин должны предусматриваться мероприятия:

- по подготовке ложа водохранилища;

- по ликвидации возможных источников загрязнения воды,

опасных для человека, животных и растительности;

26

- по ликвидации отрицательных воздействий на качество воды

затопленными деревьями, торфяных островов и пр.;

- по извлечению и утилизации плавающего леса и мусора;

- по локализации возможных очагов загрязнения и снижению

концентрации вредных примесей в водохранилище.

Для выполнения требований по охране природной среды необ-

ходимо производить оценку и прогнозирование:

- изменения геологических и гидрогеологических условий: ре-

жима уровней, условий питания, химизма подземных вод, особен-

но минерализованных, засоления грунтов;

- фильтрационных потерь воды из водохранилища;

- изменений природной среды при создании водохранилища;

- изменения хода руслового процесса, трансформации русла

нижних бьефов, заиления и переработки берегов водохранилищ;

- изменений термического и ледового режимов в бьефах, бас-

сейнах гидроаккумулирующих (ГАЭС) и приливных (ПЭС) элек-

тростанций, образования больших полыней и заторов льда;

- изменения сейсмологической обстановки (включая «наведен-

ную сейсмичность»), частоты и интенсивности землетрясений;

- изменения ландшафта места строительства и его восстановле-

ния;

- влияния изменений руслового, гидравлического, термического

и ледового режимов рек и водоемов на сохранение рыб, птиц и др.;

- влияния микроклиматических изменений в районе создания

ВБ и НБ гидроузла - температурного режима и влажности воздуха,

режима ветров и осадков на геологические процессы и свойства

пород оснований, на объекты инфраструктуры и природную среду;

- мерзлотно-температурного режима территории - повышения

или понижения температур пород, образования таликовых зон в

ложе ВБ, основаниях и примыканиях сооружений и НБ.

При проектировании сооружений следует учитывать изменения

природных условий, которые приводят к следующим негативным

физико-геологическим, геодинамическим процессам в основаниях:

- повышению активности ближайших тектонических разломов;

- подтоплению и затоплению территорий, оценку которых

необходимо выполнять, руководствуясь нормативами;

- переработке берегов и заилению водохранилищ;

- химической суффозии растворимых карбонатных пород,

27

выносу из основания и накоплению в них вредных веществ и т.д.;

- механической суффозии песков, суффозионного карста;

- возникновению и активизации оползневых явлений;

- просадочным деформациям оснований, сложенных лессами.

В качестве природоохранных мероприятий для управления раз-

витием вышеуказанных процессов следует разрабатывать меро-

приятия, включающие: разделку и бетонирование крупных тре-

щин, дренажно-противофильтрационные устройства, уплотнение,

цементацию, инъекцию, планировочные работы, замену грунтов,

берегоукрепительные конструкции, оградительные и водоотвод-

ные сооружения (дамбы, каналы, трубопроводы), регулирование

режима работы ВБ, рекультивацию земель; рекреационные зоны

(заповедники, парки); правила использования транспорта и т.п.

В проектах гидросооружений, сильно влияющих на экологию,

должен быть предусмотрен мониторинг водной, наземной и воз-

душной экосистем, обеспечивающий оценку экологических про-

цессов, действенности проектных природоохранных мероприятий,

проверку прогнозов с начала строительства и до стадии стабилиза-

ции взаимодействия гидросооружений с природной средой.

2.1.5. Организация проектирования гидросооружений

Проектом называют совокупность документов, содержащих

начальное (эскизный проект) или окончательное (технический

проект) решение о строительстве или реконструкции гидросоору-

жения. Проект с документами установленной формы включает по-

яснительную записку и чертежи. Проектирование гидросооруже-

ний осуществляют в проектных институтах специалисты под ру-

ководством главных инженеров проектов. К разработке этих про-

ектов привлекают инженеров разных специальностей и отделов

(изыскательского, гидротехнического, мелиоративного, отделов

смет и производства работ, ГЭС, насосных станций и др.).

Проектирование гидроузлов и сооружений ведут в основном в

две стадии. В одну стадию проектируют лишь мелкие объекты,

разрабатываемые на основе типовых или ранее составленных про-

ектов. В этом случае в рабочий проект включают сводный смет-

ный расчет. В две стадии проектируют сложные средние и круп-

ные гидроузлы и сооружения. На первой стадии составляют про-

ект со сводным сметным расчетом стоимости, а на второй раз-

28

рабатывают рабочую документацию со сметами. При одностадий-

ном проектировании стоимость строительства определяют по сме-

там к типовым и старым проектам с учетом местных условий и

смет, составленным по рабочим чертежам. В двухстадийном про-

екте стоимость строительства определяют по укрупненным смет-

ным нормам, прейскурантам и сметным показателям аналогов.

По завершении проектирования осуществляют экспертизу про-

екта, которую рассматривают и утверждают вышестоящие ведом-

ства. Если проект затрагивает интересы ряд отраслей народного

хозяйства, то в установленном директивными органами порядке

его согласовывают с региональными и федеральными органами.

При составлении проектов специалисты следуют инструкциям

по разработке проектов и смет для строительства гидроузлов и со-

оружений, техническим условиям (ТУ), СНиП, типовым проектам,

стандартам на строительные материалы и конструкции (ГОСТ),

нормам продолжительности строительства и сметными нормами.

2.2. Основные расчетные положения проектирования

2.2.1. Классификация гидросооружений по назначению

При проектировании гидроузлов выделяют постоянные и вре-

менные гидросооружения. К временным относят сооружения, ис-

пользуемые только в период строительства и ремонта основных

сооружений. Постоянные гидросооружения в зависимости от их

назначения подразделяют на основные и второстепенные.

К основным относят гидросооружения, повреждение или раз-

рушение которых приводит к нарушению или прекращению нор-

мальной работы ГЭС, прекращению или уменьшению подачи воды

для водоснабжения и орошения, затоплению и подтоплению за-

щищаемой территории, прекращению или сокращению судоход-

ства, деятельности речного порта, судостроительных заводов, пре-

кращению добычи и выбросу нефти и газа из трубопроводов и др.

К основным гидросооружениям относят прежде всего: плоти-

ны, устои и подпорные стенки в составе напорного фронта, дамбы

обвалования, берегоукрепительные, регуляционные и оградитель-

ные сооружения, водосбросы и водовыпуски, водоприемники и

водозаборы, каналы деривационные, судоходные, водохозяйствен-

ные и мелиоративные и сооружения на них (акведуки, дюкеры,

мосты-каналы и др.), туннели, трубопроводы, напорные бассейны

и уравнительные резервуа- ры, здания ГЭС и ГАЭС, судоходные

29

сооружения (шлюзы и судоподъемники), отстойники, гидросоору-

жения речных портов, гидросооружения АЭС и ТЭС, гидросоору-

жения инженерной защиты населенных пунктов, предприятий и

сельхозугодий, дамбы, ограждающие золоотвалы и др.

К второстепенным относят гидросооружения, разрушение или

повреждение которых не влечет за собой указанных последствий

(разделительные стенки, устои и подпорные стенки, не входящие в

напорный фронт, берегоукрепительные сооружения портов, рыбо-

защитные сооружения и др.). В зависимости от возможного ущер-

ба при разрушении и надлежащем обосновании второстепенные

сооружения можно отнести к основным сооружениям.

2.2.2. Классы гидросооружений Постоянные гидросооружения подразделяют на классы, от ко-

торых зависят состав и объемы изыскательских и проектных ра-

бот, коэффициенты запасов при расчетах сооружений, значения

сбросных расходов, характеристики используемых при строитель-

стве материалов. При определении класса учитывают ущербы

народному хозяйству от аварий или нарушений эксплуатации со-

оружений. Основные положения проектирования гидросооруже-

ний в СНиП 33-01-2003 [1] рекомендуют назначать класс основ-

ных (водоподпорных) гидросооружений по трем основным при-

знакам:

- в зависимости от их вида и высоты и типов грунтов основа-

ния (табл. 2.1);

- в зависимости от их социально-экономической ответственно-

сти и условий эксплуатации (табл. 2.2);

- в зависимости от последствий возможных гидродинамиче-

ских аварий (табл. 2.3).

Класс основных сооружений следует принимать равным мак-

симальному его значению из определенных по табл. 2.1, 2.2 и 2.3.

В комплексных гидроузлах, обеспечивающих потребности ряд

участников комплекса (энергетика, мелиорация, водоснабжение,

судоходство, борьба с паводками и др.) класс основных сооруже-

ний следует принимать по сооружению, отнесенному к более вы-

сокому классу. Заказчик проекта гидросооружения может повы-

сить класс сооружения по сравнению с данными табл. 2.1-2.3.

Класс основных сооружений, входящих в состав напорного

30

фронта, должен устанавливаться по сооружению, отнесенному к

более высокому классу. При пересечении или сопряжении гидро-

сооружений, отнесенных к разным классам, следует для всех этих

сооружений принимать класс более ответственного сооружения.

Таблица 2.1. Классы основных гидросооружений в зависимости

от их вида и высоты и типов грунтов основания

Сооружения

Тип

грун-

тов

осно-

вания

Высота сооружений (м) при их классе

I II III IV

Плотины из грунтовых

материалов А

Б

В

> 80

> 65

> 50

50 - 80

35 - 65

25 - 50

20 - 50

15 - 35

15 - 25

< 20

< 15

< 5

Плотины бетонные,

подводные части зданий

ГЭС; судоходные шлю-

зы; судоподъемники и

другие сооружения в со-

ставе напорного фронта

А

Б

В

> 100

> 50

> 25

60 - 100

25 - 50

20 - 25

25 - 60

10 - 25

10 - 20

< 25

< 10

< 10

Подпорные стенки А

Б

В

> 40

> 30

> 25

25 - 40

20 - 30

18 - 25

15 - 25

12 - 20

10 - 18

< 15

< 12

< 10

Ограждающие соору-

жения хранилищ жид-

ких отходов

А, Б,

В > 50 20 - 50 10 - 20 < 10

Примечание. Грунты: А - скальные; Б - песчаные, крупнообломочные, глинистые

твердые и полутвердые; В - глинистые водонасыщенные пластические.

Временные сооружения (перемычки, отводящие туннели и др.),

как правило, относят к IV классу. В случае если их разрушение

может привести к катастрофическим последствиям или сильной

задержке строительства основных сооружений I и II классов, их

допускается относить к III классу при надлежащем обосновании.

Класс водоподпорных сооружений ГЭС, ГАЭС, ПЭС и ТЭС

следует назначать с учетом их функции защитных сооружений для

территории и объектов в НБ (см. табл. 2.2).

31

Класс основных гидросооружений комплексного гидроузла,

обеспечивающего потребности нескольких участников водохозяй-

ственного комплекса (энергетика, транспорт, мелиорация, водо-

снабжение, борьба с наводнениями и пр.), надлежит устанавливать

по сооружению, отнесенному к более высокому классу.

Класс основных гидросооружений в зависимости от их социально-

экономической ответственности и условий эксплуатации. Табл.2.2

Объекты гидротехнического строительства Класс

сооружений

1. Подпорные сооружения гидроузлов при объеме водо-

хранилища, млн. м3:

более 1000

от 200 до 1000

от 50 до 200

50 и менее

I

II

III

IV

2. Гидросооружения ГЭС, ГАЭС, ПЭС и ТЭС установлен-

ной мощностью, МВт:

более 1000

от 300 до 1000

от 10 до 300

10 и менее

I

II

III

IV

4. Гидросооружения и судоходные каналы на внутренних

водных путях (кроме сооружений речных портов):

сверхмагистральных,

магистральных и местного значения

II

III

5. Гидросооружения мелиоративных систем при площади

орошения и осушения, обслуживаемой сооружениями,

тыс. га:

более 300

от 100 до 300

от 50 до 100

50 и менее

I

II

III

IV

6. Каналы и сооружения водохозяйственного назначения

при суммарном годовом объеме водоподачи, млн. м3:

более 200

от 100 до 200

от 20 до 100

менее 20

I

II

III

IV

32

Таблица 2.3. Класс гидросооружений в зависимости от послед-

ствий возможных гидродинамических аварий

Класс

гидро

соору-

ору-

жений

Число

людей,

которые

могут по-

страдать

от аварии

гидросо-

оружений,

чел.

Число

людей,

условия

жизни ко-

торых

ухудшат-

ся при

аварии

гидросо-

оружений.

Размер

возможного

материаль-

ного ущер-

ба без учета

убытков

владельца

гидросо-

оружений,

млн. МРОТ

Характеристика территории

распространения чрезвы-

чайной ситуации, возник-

шей в результате аварии

гидросооружений

I Более

3000

Более

20 000

Более 50 В пределах территории

двух и более субъектов РФ

II От 500

до 3000

От 2000

до 20 000

От 10 до 50 В пределах территории од-

ного субъекта РФ (двух и

более муниципальных об-

разований)

III До 500 До 2000 От 1 до 10 В пределах территории од-

ного муниципального обра-

зования

IV — — Менее 1 В пределах территории од-

ного муниципального обра-

зования

Примечания.

1. Возможные ущербы от аварии гидросооружений определяются на

момент разработки проекта.

2. МРОТ - минимальный размер оплаты труда по законам РФ, действу-

ющим на момент разработки проекта.

Класс основных гидросооружений ГЭС установленной мощно-

стью менее 1,0 млн. кВт (см. табл. 2.2), следует повышать на 1, ес-

ли эти ГЭС изолированы от энергосистем и обслуживают крупные

города, промпредприятия, транспорт и др., или если они обеспечи-

вают теплом и горячей водой крупные города и промпредприятия.

Класс участка канала от головного водозабора до первого регу-

лирующего водохранилища и участков канала между водохрани-

лищами можно понизить на 1, если водоподача основному водопо-

33

требителю при ликвидации последствий аварии на канале можно

обеспечить за счет емкости водохранилищ и других источников.

Берегоукрепительные сооружения относят к III классу. В слу-

чаях, если его авария приведет к катастрофическим последствиям

(из-за оползня, подмыва), сооружение можно отнести к II классу.

2.2.3. Нагрузки, воздействия и их сочетания

Нагрузки и воздействия на гидросооружения подразделяют на

постоянные, временные (длительные, кратковременные) и особые.

К постоянным и временным нагрузкам относятся:

а) собственный вес конструкции и сооружения;

б) вес технологического оборудования (затворов, турбоагрега-

тов, трансформаторов и др.) с постоянным местоположением;

в) давление воды на поверхность сооружения и основания; си-

ловое воздействие фильтрующейся воды, включающее объемные

силы фильтрации и взвешивания в водонасыщенных частях со-

оружения и основания и противодавление на границе водонепро-

ницаемой части сооружения при нормальном подпорном уровне

(НПУ) при максимальных расходах расчетной вероятности пре-

вышения основного расчетного случая и нормальной работе водо-

упорных и дренажных устройств;

г) вес грунта и его боковое давление; горное давление; давление

грунта вследствие деформации основания и конструкции, вызыва-

емой внешними нагрузками и температурными воздействиями;

д) давление отложившихся наносов;

е) нагрузки, вызванные поровым давлением незавершенной

консолидации в водонасыщенном грунте при НПУ и нормальной

работе противофильтрационных и дренажных устройств;

ж) температурные воздействия строительного и эксплуатаци-

онного периодов, определяемые для года со средней амплитудой

колебания среднемесячных температур воздуха;

з) нагрузки и воздействия от максимальных волн в расчетном

шторме с частой повторяемостью;

и) нагрузки от подъемных и других механизмов (мостовых и

подвесных кранов и т.п.);

к) давление гидравлического удара при эксплуатации;

л) динамические нагрузки при пропуске расходов по безнапор-

ным и напорным водоводам при НПУ.

К особым нагрузкам и воздействиям относятся:

34

а) давление воды непосредственно на поверхности сооружения

и основания; силовое воздействие фильтрующейся воды, включа-

ющее объемные силы фильтрации и взвешивания в водонасыщен-

ных частях сооружения и основания и противодавление на границе

водонепроницаемой части сооружения; нагрузки, вызванные поро-

вым давлением незавершенной консолидации в водонасыщенном

грунте, при форсированном подпорном уровне (ФПУ), соответ-

ствующем максимальным расходам воды расчетной вероятности

превышения поверочного расчетного случая и при нормальной ра-

боте противофильтрационных или дренажных устройств или при

НПУ, соответствующем максимальным расходам воды расчетной

вероятности основного расчетного случая и нарушения нормаль-

ной работы противофильтрационных или дренажных устройств

(вместо пунктов в и е);

б) температурные воздействия строительного и эксплуатацион-

ного периодов в год с наибольшей амплитудой колебания средне-

месячных наружных температур (взамен нагрузок пункта ж);

в) нагрузки и воздействия от максимальных волн в расчетном

шторме с редкой повторяемостью (взамен нагрузки пункта з);

г) давление от гидравлического удара при полном сбросе

нагрузки (взамен нагрузки пункта к);

д) динамические нагрузки при пропуске воды по безнапорным

и напорным водоводам при ФПУ (вместо нагрузок пункта л);

ж) сейсмические воздействия.

Перечень нагрузок и их сочетаний, учитываемых в расчетах от-

дельных видов гидросооружений, принимают по СНиП [2-6].

Гидросооружения следует рассчитывать на основные и особые

сочетания нагрузок и воздействий.

Основные сочетания включают постоянные, временные дли-

тельные и кратковременные нагрузки и воздействия.

Особые сочетания включают постоянные, временные длитель-

ные, кратковременные и одну из особых нагрузок.

Нагрузки и воздействия следует принимать в самых неблаго-

приятных, но реальных для расчетного случая сочетания отдельно

для строительного, эксплуатационного и ремонтного периодов.

При проектировании гидроузлов нагрузки от давления воды на

сооружения и основания и силовое воздействие фильтрующейся

воды (см. выше) должны определяться для двух расчетных

35

случаев расхода воды: основного и поверочного. Указанные

нагрузки, соответствующие пропуску расхода воды основного

расчетного случая, определяют, как правило, при НПУ. Их следует

учитывать в составе основного сочетания нагрузок и воздействий.

Для гидроузлов, через которые пропуск расхода воды основно-

го расчетного случая производят при уровнях ВБ, превышающих

НПУ, соответствующие им нагрузки и воздействия также следует

учитывать в составе основного сочетания нагрузок и воздействий.

Нагрузки от давления воды на сооружения и основания и сило-

вое воздействие фильтрующейся воды, соответствующие пропуску

расхода воды поверочного расчетного случая, должны определять-

ся при ФПУ и учитываться в особом сочетании нагрузок.

В материалах проекта и декларации безопасности гидросоору-

жений должны быть приведены сведения о допустимых поврежде-

ниях при пропуске максимального расхода воды основного и по-

верочного расчетных случаев. Для гидросооружений, предназна-

ченных для борьбы с наводнениями, нагрузки и воздействия, соот-

ветствующие уровням, превышающим расчетные, следует учиты-

вать в составе особого сочетания нагрузок и воздействий.

2.2.4. Обоснование безопасности гидросооружений

Для обоснования безопасности гидросооружений должны вы-

полняться расчеты гидравлического, фильтрационного и темпера-

турного режимов, напряженно-деформированного состояния

(НДС) системы «сооружение – основание» путем применения чис-

ленных методов механики сплошной среды с учетом свойств ма-

териалов и грунтов оснований.

Обеспечение безопасности системы «сооружение – основание»

должно обосновываться результатами расчетов по методу пре-

дельных состояний их прочности (в том числе фильтрационной),

устойчивости, деформаций и смещений.

Расчеты гидросооружений необходимо производить по двум

группам предельных состояний:

∙ по первой группе (потеря несущей способности и (или) полная

непригодность сооружений, их конструкций и оснований к эксплу-

атации) – расчеты общей прочности и устойчивости системы «со-

оружение – основание», общей фильтрационной прочности осно-

ваний и грунтовых сооружений, прочности отдельных элементов

36

сооружений, разрушение которых приводит к прекращению их

эксплуатации; расчеты перемещений конструкций, от которых за-

висит прочность или устойчивость сооружений в целом и др.;

∙ по второй группе (непригодность к нормальной эксплуатации)

– расчеты местной, в том числе фильтрационной, прочности осно-

ваний и сооружений, перемещений и деформаций, образования

или раскрытия трещин и строительных швов; расчеты прочности

элементов сооружений.

При расчетах гидросооружений, их конструкций и оснований

необходимо соблюдать следующее условие СНиП 33-01-2003 [1],

обеспечивающее недопущение предельных состояний:

γlc F ≤ c R / γn, (2.1)

где γlc - коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый

при расчетах по первой группе предельных состояний:

– для основного сочетания нагрузок и воздействий в период

нормальной эксплуатации – 1,00;

– то же, для периода строительства и ремонта – 0,95;

для особого сочетания нагрузок и воздействий:

– при особой нагрузке, включая сейсмическую при проектном

землетрясении (ПЗ), годовой вероятностью 0,01 и менее - 0,95;

– при особой нагрузке, кроме сейсмической, годовой вероятно-

стью 0,001 и менее – 0,90;

– при сейсмической нагрузке уровня максимального расчетного

землетрясения (МРЗ) – 0,85;

при расчетах по второй группе предельных состояний - 1,0. Примечание. В основное сочетание нагрузок и воздействий в период

нормальной эксплуатации, как правило, включают временные и кратко-

временные нагрузки годовой вероятностью более 0,01.

F – расчетное значение обобщенного силового воздействия (си-

ла, момент, напряжение), деформации или другого параметра, по

которому производится оценка предельного состояния, опреде-

ленное с учетом коэффициента надежности по нагрузке (коэффи-

циента перегрузки) f (табл. 2.4).

R – расчетное значение обобщенной несущей способности, де-

формации или другого параметра (в расчетах по первой группе

предельных состояний - расчетное значение; в расчетах по второй

группе предельных состояний - нормативное значение), согласно

37

СНиП [3-6], определенное с учетом коэффициентов надежности по

материалу m или грунту g и условий работы c (табл. 2.5);

Таблица 2.4. Коэффициенты надежности по нагрузке f

Нагрузки и воздействия f

Собственный вес сооружения

Собственный вес обделок туннелей

Вертикальное давление от веса грунта

Боковое давление грунта (см. прим. 2 и 3)

Давление наносов

1,05 (0,95)

1,02 (0,8)

1,1 (0,9)

1,2 (0,8)

1,2

Гидростатическое и волновое давление, дав-

ление фильтрационных вод по подземному

контуру сооружения, в швах и расчетных се-

чениях бетонных конструкций (противодав-

ление), поровое давление воды в грунтах

Гидростатическое давление подземных вод на

обделку туннелей

1,0

1,1 (0,9)

Нагрузки от подъемных, погрузочных и

транспортных механизмов

Нагрузки от людей, складируемых грузов и

стационарного технологического оборудова-

ния, снеговые и ветровые нагрузки

Нагрузки от судов

Ледовые нагрузки

Нагрузки от подвижного состава железнодо-

рожных и автомобильных дорог

1,2

По СНиП 2.01.07

1,2

1,1

1,1

По СНиП 2.05.03

Усилия от температурных и влажностных

воздействий по справочным данным

Сейсмические воздействия

1,1

1,0

Примечания:

1. Указанные в скобках коэффициенты f относятся к случаям, когда

применение минимального значения коэффициентов приводит к невы-

годному случаю нагружения сооружения.

2. Коэффициенты f следует принимать равными 1,0 для собственного

веса сооружения, всех грунтовых нагрузок, вычисленных с применением

расчетных характеристик грунтов и материалов (плотности и прочности),

определенных по СНиП [2-5].

3. Значение коэффициента f =1,2 (0,8) для бокового давления грунта

нужно принимать при применении нормативных характеристик грунта.

n – коэффициент надежности по ответственности сооружения,

38

принимаемый в расчетах по предельным состояниям первой

группы:для класса сооружений: I – 1,25; II – 1,20; III – 1,15; IV –

1,10; в расчетах по предельным состояниям второй группы – 1,0.

При расчете устойчивости естественных склонов значение n

следует принимать как для сооружения, которое может прийти в

непригодное для эксплуатации состояние в случае разрушения

склона, а в остальных случаях – 1,0.

Таблица 2.5. Коэффициенты условий работы c плотин и гидро-

сооружений для их расчетов по первому предельному состоянию

Вид расчетов гидросооружений c

Расчет устойчивости грунтовых откосов и склонов

Расчет устойчивости плотин на нескальных основаниях

1,0

1,0

Расчет устойчивости гравитационных бетонных плотин на

скальных основаниях для поверхностей сдвига, проходящих:

- по трещинам в массиве основания

- по контакту бетон-скала и в основании по трещинам и

здоровой скале (без трещин)

0,95

1,0

Расчет береговых примыканий арочных плотин

Расчет общей прочности арочных плотин:

- по прочности бетона на сжатие

- по прочности бетона на растяжение

Расчет устойчивости береговых упоров арочных плотин для

основного и особого случаев без учета сейсмической нагрузки

Расчет устойчивости арочных плотин в широких створах для

основного и особого случаев без учета сейсмической нагрузки

Расчет устойчивости береговых упоров и общей устойчивости

арочных плотин при учете сейсмической нагрузки

0,75

0,9

2,4

1,0

1,1

1,1

Расчеты общей и местной прочности гидросооружений, когда

определяющей является прочность бетона:

- для основного сочетания нагрузок

- для особых сочетаний без учета сейсмического воздействия

- то же с учетом сейсмического воздействия

То же, когда определяющей является прочность арматуры

0,9

1,0

1,1

1,1

Расчеты устойчивости подпорных стен:

- на сдвиг

- опрокидывание и всплытие

1,0

0,9

Расчетное значение нагрузки определяют умножением ее нор-

мативного значения на коэффициент надежности по нагрузке f.

Нормативные значения нагрузок определяют по СНиП [2-5] на

39

проектирование отдельных видов гидросооружений и оснований.

Значения коэффициентов надежности по нагрузке f при расче-

тах по предельным состояниям первой группы следует принимать

по данным табл. 2.4.

Величины коэффициентов надежности по материалу m и грун-

ту g, применяемых для определения расчетных сопротивлений

материалов и характеристик грунтов, принимаются СНиП [3-5] на

проектирование гидросооружений, их конструкций и оснований.

Значения коэффициента условий работы c, учитывающего тип

сооружения и основания, материала, приближенность расчетных

схем и вид предельного состояния принимаются по СНиП [3-5] на

проектирование гидросооружений и их оснований (см. табл. 2.5).

Коэффициенты m, g. c применяются в качестве сомножителя в

расчетном значении R в числителе формулы (2.1).

Расчеты гидросооружений, их конструкций и оснований по

предельным состояниям второй группы следует производить с ко-

эффициентом надежности по нагрузке f, c коэффициентами

надежности по материалу m и грунту g, равными 1,0, за исключе-

нием случаев, принятых СНиП [3-5] на проектирование гидросо-

оружений, конструкций и оснований.

При технико-экономическом сравнении вариантов плотин и

оценке их несущей способности (устойчивости и прочности) нера-

венство (2.1) удобнее представить в виде:

R/F≥ ks= γlcn /c , (2.2)

где ks – обобщенный коэффициент запаса устойчивости или проч-

ности, учитывающий влияние коэффициентов γlc , n и c.

При оценке наступления предельного состояния требуется вы-

полнение условия (2.2), но так, чтобы его левая часть (R/F) не пре-

вышала правую (ks) более чем на 10%.

Гидросооружения, их конструкции и основания следует проек-

тировать так, чтобы условие (2.2) недопущения наступления пре-

дельных состояний соблюдалось на всех этапах их строительства и

эксплуатации, в том числе и в конце расчетного срока их службы.

Расчетные сроки службы основных гидросооружений в зави-

симости от их класса должны быть не менее расчетных сроков

службы, которые принимают равными: для сооружений I и II клас-

40

сов – 100 лет; для сооружений III и IV классов – 50 лет.

Расчеты сооружений рекомендуется производить с учетом не-

линейных и неупругих деформаций, влияния трещин и неоднород-

ности материалов, изменения физико-механических параметров

материалов и грунтов основания во времени, поэтапности возведе-

ния и нагружения сооружений.

Оценку надежности и безопасности гидросооружений произво-

дят с использованием метода предельных состояний. Выбор пре-

дельных состояний и методов расчета гидросооружений осу-

ществляют согласно СНиП [3-5] на проектирование гидросоору-

жений.

С целью полного раскрытия неопределенностей по факторам,

определяющим безопасность (надежность) гидросооружений,

уточнения расчетных характеристик и схем, сочетаний нагрузок и

воздействий, а также предельных состояний и оптимизации проек-

тирования по методу предельных состояний допускается примене-

ние вероятностного анализа для обоснования принимаемых тех-

нических решений системы «сооружение - основание». Вероят-

ностную оценку допускается проводить для более полного рас-

крытия неопределенностей по факторам, определяющим безопас-

ность сооружений, уточнения расчетных характеристик, расчет-

ных схем, сочетаний нагрузок и воздействий, а также предельных

состояний.

Для напорных гидросооружений I-III классов расчетные значе-

ния вероятностей возникновения аварий не должны превышать

значений, которые приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Допускаемые значения вероятностей возникновения аварий на

напорных гидросооружениях I- III классов, 1/год

Класс сооружения Вероятность возникновения аварии

I 5. 10-5

II 5. 10-4

III 5. 10-3

Основные технические решения, определяющие безопасность

41

гидросооружений I и II классов, вместе с расчетами должны обос-

новываться научно-исследовательскими и экспериментальными

работами, результаты которых включают в документы проекта.

2.2.5. Расчетные расходы и уровни воды

При проектировании постоянных гидросооружений расчетные

максимальные расходы воды следует принимать по ежегодной ве-

роятности превышения (обеспеченности), устанавливаемой в зави-

симости от класса сооружений для двух расчетных случаев - ос-

новного и поверочного по табл. 2.7. При этом расчетные гидроло-

гические характеристики следует определять по СП 33-101 [6].

Расчетный расход воды, пропускаемый при эксплуатации через

постоянные водопропускные сооружения гидроузла, следует опре-

делять исходя из расчетного максимального расхода, полученного

согласно табл. 2.7, с учетом трансформации его создаваемыми для

данного сооружения или действующими водохранилищами и из-

менения условий формирования стока, вызванного природными

причинами и хозяйственной деятельностью в бассейне реки.

Таблица 2.7. Ежегодные вероятности Р (%) превышения рас-

четных максимальных расходов воды

Расчетные Классы сооружений

I II III IV

Основной

Поверочный

0,1

0,01*

1,0

0,1

3,0

0,5

5,0

1,0

Примечание. * С учетом гарантийной поправки согласно СП 33-101.

При проектировании гидросооружений, особенно размещаемых в

районах активной циклонической деятельности, рекомендуется в каче-

стве расхода поверочного расчетного случая принимать расход, опреде-

ленный по методике вероятного максимального паводка.

Пропуск расчетного паводка для основного расчетного случая

должен обеспечиваться при НПУ через все водопропускные со-

оружения при полном их открытии. При числе затворов на водо-

сбросе более шести следует учитывать возможность отказа одного

затвора и исключать один пролет из расчета пропуска паводка.

Для средне- и низконапорных гидроузлов при снижении напо-

ров на агрегаты ниже допустимых по характеристикам турбин

пропускную способность турбин в расчетах пропуска максималь-

42

ных расходов воды не учитывают.

Пропуск поверочного расчетного расхода воды должен осу-

ществляться при наивысшем экономически обоснованном ФПУ

всеми водосбросами гидроузла, включая турбины ГЭС, водозабор-

ные сооружения оросительных систем и систем водоснабжения,

судоходные шлюзы, рыбопропускные шлюзы и резервные водо-

сбросы. Учитывая кратковременность пропуска пика паводка, до-

пускается:

– уменьшение выработки электроэнергии ГЭС;

– нарушение нормальной работы водозаборов, не приводящее

к аварии на объектах - потребителях воды;

– повреждение резервных водосбросов, не снижающее надеж-

ности основных сооружений;

– пропуск воды через закрытые водоводы при переменных ре-

жимах, не приводящий к их разрушению;

– размыв русла и береговых склонов в НБ гидроузла, не угро-

жающий разрушением основных сооружений, при условии, что

последствия размыва будут устранены после пропуска паводка.

Учет пропускной способности гидроагрегатов ГЭС в пропуске

расхода поверочного расчетного случая осуществляют так же, как

и в случае пропуска основного расчетного случая.

Для постоянных гидросооружений при их временной эксплуа-

тации во время строительства ежегодные вероятности превышения

расчетных максимальных расходов следует принимать по табл.2.7

в зависимости от класса сооружений пускового комплекса.

Учитывая короткий срок временной эксплуатации гидросоору-

жений, расчетные максимальные расходы воды, принятые для

пускового комплекса, при надлежащем обосновании допускается

понижать, при этом вероятность превышения максимального рас-

хода воды для этого периода можно принимать по табл. 2.8.

При проектировании временных гидросооружений расчетные

максимальные расходы воды следует принимать исходя из еже-

годной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливае-

мой в зависимости от класса и срока эксплуатации сооружений для

основного расчетного случая.

При этом для временных гидросооружений IV класса ежегод-

ную расчетную вероятность превышения расчетных максималь-

ных расходов воды следует принимать равной:

43

– при сроке эксплуатации до 10 лет - 10 %;

– при сроке эксплуатации более 10 лет - 5 %;

для временных гидротехнических сооружений III класса:

– при сроке эксплуатации до двух лет - 10 %;

– при сроке эксплуатации более двух лет - 5 %.

Таблица 2.8

Вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды

для временной эксплуатации постоянных сооружений

Расчетная длитель-

ность периода вре-

менной эксплуата-

ции постоянных

сооружении, Т, лет

Класс сооружения

I II III IV

Вероятность превышения, %

1 1,0 3,0 5,0 7,0

2 0,5 3,0 5,0 7.0

5 0,2 2,0 5,0 7,0

10 0,1 1,0 3,0 5,0

20 0,05 0,5 1,5 2,5

2.2.6. Применение пакетов прикладных программ расчетов

и систем автоматизированного проектирования В связи с бурным развитием численных методов расчета со-

оружений, компьютерной техники и информационных технологий

появилась новая возможность резко повысить темпы и качество

проектирования путем его комплексной автоматизации, необхо-

димость которой вызвана постоянным ростом объема проектных

работ. Это требует увеличения числа проектировщиков, что не

всегда гарантирует высокое качество решения задач. Другие при-

чины автоматизации проектных работ - усложнение объектов про-

ектирования и необходимость большой глубины их проработки,

рассмотрения большого числа вариантов и оптимизация решений.

Сейчас с помощью пакета прикладных программ (ППП)

успешно решаются сложные двух- и трехмерные задачи: стацио-

нарной и нестационарной фильтрации в водонасыщенных прони-

цаемых грунтах плотин и их оснований, напорной фильтрации в

44

проницаемых основаниях гидросооружений, приток воды к котло-

ванами и дренажным системам, тепловлагоперенос в бетонных

плотинах, напряженно-деформационное состояние (НДС) плотин и

их оснований при статических и сейсмических нагрузках, статиче-

ская и сейсмическая устойчивость откосов грунтовых плотин и др.

Применение компьютерных и информационных технологий

(ACAD, GIS и др.), численных методов расчета сооружений в ППП

и системный подход к их проектированию привели к созданию си-

стем полностью автоматизированного проектирования (САПР),

выполняющих, кроме инженерных и численных расчетов, выбор

наиболее рациональных проектных решений, конструктивно-

технологических решений сооружений, выдачу проектной доку-

ментации, подсчет объемов работ по сооружениям и др.

Широкое применение ППП и САПР резко увеличивает роль

специалиста при принятии главных решений при проектировании.

Специалист должен решать, во-первых, задачи, формализация ко-

торых еще не достигнута, во-вторых, задачи, решение которых бо-

лее эффективно на основе его аналитических и практических спо-

собностей и опыте, чем на основе быстродействия компьютера.

Для удовлетворения информационных потребностей проек-

тировщика и компонентов САПР необходимо иметь и постоянно

пополнять базу данных (БД). В ней хранятся нормативно-

справочная информация, типовые проектные решения, сведения о

проектах-аналогах, исходные данные для проектирования, текущая

проектная документация и др. По проектируемому гидросооруже-

нию может храниться несколько вариантов, по которым выполня-

ется технико-экономическое сравнение. Управление БД обеспечи-

вает поиск информации по заданным признакам, включение в БД

новых данных и изменение значений данных в записях. В БД кро-

ме числовой и текстовой, хранится графическая информация.

Автоматизированное проектирование гидросооружений пред-

полагает не только его синтез, но и анализ путем создания модели

и ее применения. В САПР применяют численное моделирование с

помощью ППП, которое по сравнению с физическим имеет ряд

преимуществ: меньшие сроки на подготовку анализа, значительно

меньшая материалоемкость, возможность выполнения экспери-

ментов на критических режимах и многое другое.

45

Таким образом, находящие все более широкое применение

САПР гидросооружений представляют собой компьютерные си-

стемы, оснащенные развитыми программными и техническими

средствами машинной графики, инженерных расчетов, численного

моделирования и документирования проектной информации.

При курсовом и дипломном проектировании следует применять

автоматизацию проектирования, осуществляемую с помощью

ППП и ACAD на компьютерах. Бакалавру и особенно магистру

следует широко использовать имеющиеся на их кафедре собствен-

ные учебные и профессиональные программы расчетов сооруже-

ний и профессиональные пакеты (табл. 2.9) расчетов сооружений,

в том числе гидротехнических, а также математические програм-

мы (MathCAD, MathLab) в вычислительном центре РУДН.

Табл. 2.9. Список программ расчетов гидротехнических и подзем-

ных сооружений, используемых на кафедре гидравлики и ГТС.

Код и название

программы

Владелец

программы

и ее статус

Операционная среда

(пред- и постпроцес-

сорная обработка)

Пользо-

ватели

UST - Расчет статической

и сейсмической устойчи-

вости грунтовых откосов

Гидропроект

(Россия),

свободный

DOS (есть) Бакалав-

ры,

магистры

Пакет 4 учебных про-

грамм расчетов НДС,

устойчивости, фильтра-

ции в грунтовых плотинах

и основаниях

Ляпичев Ю.

(РУДН),

свободный

Windows 98/XP (ввод

исходных данных в

Excell, обработка рас-

четов программой

Surfer)

Бакалав-

ры,

магистры

Пакет 6 учебных про-

грамм расчетов НДС и

устойчивости грунтовых

и подземных сооружений

Техн. универси-

тет Дельфт

(Голландия),

свободный

Windows 98/XP (пред

и пост процессорная

обработка, визуализа-

ция)

Бакалав-

ры,

магистры

Пакет Visual ModFlow.

Расчеты стационарной и

нестационарной фильтра-

ции в грунтовых соору-

жениях и основаниях

Компания

Schlumberger

(Германия),

лицензионный

Windows 98/XP (пол-

ная пред и пост про-

цессорная обработка,

визуализация)

Бакалав-

ры,

магистры

46

Окончание табл. 2.9

Код и название

программы

Владелец

программы

и ее статус

Операционная среда

(пред- и постпроцес-

сорная обработка)

Пользо-

ватели

Универсальный па-

кет ADINA. Расчеты

статического, сей-

смического и темпе-

ратурного НДС,

устойчивости, филь-

трации в сооружени-

ях

Компания

ADINA

(США),

учебный

Windows 98/XP

(полная пред- и

постпроцессорная

обработка, визуали-

зация, печать исход-

ных данных и ре-

зультатов расчетов)

Маги-

стры, ас-

пиранты

NLSTRESS. Расчеты

НДС грунтовых со-

оружений с помо-

щью гиперболиче-

ской модели грунта

Ляпичев Ю.

(РУДН),

свободный

DOS (ввод исходных

данных в блокноте,

результаты расчетов

обрабатываются

программой Surfer)

Маги-

стры, ас-

пиранты

NLCONS. Совмест-

ные расчеты НДС и

консолидации грун-

товых сооружений

Ляпичев Ю.

(РУДН),

свободный

DOS (ввод исходных

данных в блокноте,

обработка расчетов в

Surfer)

Маги-

стры, ас-

пиранты

Проф. пакет

CADAM. Расчеты

статич. и сейсмич.

устойчивости и НДС

бетонных плотин

Политехн..

университет

Монреаля

(Канада),

свободный

Windows 98/XP

(пред и пост процес-

сорная обработка,

визуализация, печать

данных)

Бакалав-

ры, маги-

стры

Проф. пакет

PLAXIS. Расчеты

НДС, устойчивости

и фильтрации в под-

земных и грунтовых

сооружениях

Компания

PLAXIS

(Голландия),

лицензион-

ный

Windows 98/XP (ча-

стичная пред и пост

процессорная обра-

ботка данных, визу-

ализация без печати

данных)

Бакалав-

ры, маги-

стры

2.3.Курсовое и дипломное проектирование гидросооружений

2.3.1. Общие положения Курсовое и дипломное проектирование, магистерская диссер-

тация – важнейшие элементы учебного процесса.

Курсовое и дипломное проектирование отличаются от реаль-

ного условностью ряда позиций задания и объемами и глубиной

проработки основного раздела проекта (основные гидросооруже-

47

ния). Из-за ограниченности времени курсовые проекты (работы)

бакалавров выполняются на уровне эскизных проработок основ-

ных гидросооружений. Однако основные разделы дипломных

проектов бакалавров должны выполняться на уровне первой ста-

дии проектирования основных гидросооружений и технико-

экономического обоснования (ТЭО), а магистерская диссертация

магистра - на уровне научно-технического обоснования одного из

основных гидросооружений технического проекта. В связи с этим

организация и разработка курсовых и дипломных проектов и

особенно магистерской диссертации имеют свои особенности, о

которых студент должен знать до их начала.

В процессе курсового проектирования студенты должны ов-

ладеть методикой и навыками самостоятельного решения кон-

кретных инженерных задач при разработке проекта гидросо-

оружений. Курсовое проектирование для бакалавров является

подготовительным этапом к выполнению ими дипломного проек-

та по соответствующей тематике. Учебным планом подготовки

бакалавров и магистров по специальности «Гидротехническое

строительство» предусмотрено выполнение одного курсового

проекта (работы) бакалаврами и двух курсовых проектов (работ)

магистрами по гидросооружениям.

Дипломный проект бакалавра и магистерская диссертация ма-

гистра - завершающие этапы их учебы в вузе.

Цель дипломного проекта бакалавра состоит в систематизации

и закреплении теоретических и практических знаний по специаль-

ности, развитии навыков решения основных инженерных задач.

Дипломный проект бакалавра – это квалификационная работа,

позволяющая оценить готовность бакалавра к самостоятельной ра-

боте в проектных и производственных организациях.

Цель магистерской диссертации состоит в углублении и расши-

рении теоретических и практических знаний по специальности на

основе решения конкретных научно-технических задач. Магистер-

ская диссертация – это квалификационная научно-техническая ра-

бота магистра как специалиста (инженера-исследователя), позво-

ляющая оценить его готовность к самостоятельной работе в про-

ектно-изыскательских и научно-исследовательских институтах.

48

2.3.2. Организация проектирования

Курсовое проектирование начинается с выдачи преподавателем

индивидуального задания каждому студенту. В задании изложены

тема, цель и задача курсового проекта (работы), основные требо-

вания к проекту, последовательность выполнения разделов проек-

та по времени, примерные объемы записки и графических матери-

алов, рекомендуемая литература, порядок защиты проекта.

Для проектов, выполняемых по одной тематике, составляется

типовой календарный график выполнения с учетом трудоемкости

их разделов, который в процессе работы может быть уточнен.

Работа над дипломным проектом и магистерской диссертаци-

ей начинается с выбора студентом темы из перечня, предлагаемого

кафедрой. Обычно это производится с помощью руководителя ди-

пломного проекта и магистерской диссертации. При выборе темы

учитывают желание и способности студента, материалы выпол-

ненных им научных работ, информацию, собранную на практиках.

Кафедра определяет перечень тем и состав руководителей ди-

пломных и магистерских работ. В процессе собеседования студен-

та с его руководителем уточняются позиции будущей работы,

определяются ее задачи. Задание на выпускную работу выдает

студенту его руководитель. После изучения исходных материалов

руководитель уточняет это задание и передает его студенту.

Руководитель помогает студенту в разработке графика работы,

рекомендует ему техническую и нормативную литературу, кон-

сультирует студента по мере выполнения работы, проверяет ход и

качество ее выполнения. Руководитель рекомендует студенту при

выполнении отдельных разделов пользоваться помощью консуль-

тантов-преподавателей. Студент должен знать, что за правиль-

ность выполненных расчетов и исследований несет ответствен-

ность он сам. Ход работы студента систематически контролируют

его руководитель дипломного проекта и кафедра. В определенные

сроки студент сдает готовую работу руководителю, который визи-

рует ее и составляет на нее отзыв. В отзыве дается характеристика

работы, отмечается актуальность темы, оценивается глубина про-

работки работы, дается оценка отношения студента к работе. До-

пущенная к защите работа направляется на рецензирование.

Выпускные работы (дипломный проект и магистерская диссер-

тация) защищают на откры- том заседании государственной атте-

49

стационной комиссии (ГАК). Бакалавр (магистр) за 10 (15) мин де-

лает доклад, в котором четко излагает задачи и состав работы, ме-

тоды расчета и исследований, главные выводы, раскрывает суще-

ство принятых решений, обращаясь к чертежам. После доклада

выпускник отвечает на вопросы членов ГАК, секретарь ГАК зачи-

тывает отзыв рецензента и выпускник отвечает на замечания.

При оценке выпускной работы члены ГАК учитывают практи-

ческую ценность работы, качество и научно-технический уровень

ее выполнения, содержание доклада, глубину ответов на вопросы,

отзывы руководителя и рецензента. Решение об оценке работы и

присвоении студенту звания бакалавра или магистра принимает

ГАК по большинству голосов, причем в спорных случаях опреде-

ляющее значение имеет голос председателя ГАК.

2.3.3. Цель, тема и состав курсового проекта бакалавров

Целью выполнения проекта является закрепление и углубление

студентами теоретических знаний, полученных при изучении в VI-

VП семестрах курсов "Гидротехнические сооружения", "Гидрав-

лика" и "Гидрология и водное хозяйство".

Рекомендуется тема курсового проекта: «Проект низконапорно-

го гидроузла для целей орошения или водоснабжения».

Задача проекта: на примере проектирования гидроузла низкого

напора студент должен приобрести навык использования теорети-

ческих знаний в практической работе. При проектировании сту-

денты учатся выполнять расчеты основных гидросооружений и на

их основе принимать решения по их конструкции. Проектируемый

гидроузел предназначен для использования водного стока реки в

целях развития орошаемого земледелия или водоснабжения. Это

обусловливает создание гидроузла со следующими сооружениями:

бетонная водосливная плотина; плотина из грунтовых материалов

и береговой водозабор на орошение или водоснабжение.

Курсовой проект состоит из пояснительной записки объемом

25-30 стр. текста (формат А4) и 3 чертежей (формат А3). Исходные

данные к проекту выдает кафедра в виде задания на проектирова-

ние, подписанное руководителем проекта.

На титульных листах курсового проекта ставят подписи сту-

дент и руководитель проекта.

Содержание записки зависит от темы проекта и задания на про-

50

ектирование. В качестве примера ниже дано содержание записки

проекта с указанием рекомендуемых объемов разделов записки:

Введение – 1 стр.

Выбор компоновки гидроузла и схемы пропуска расходов реки во

время строительства – 2 стр.

Расчеты и конструкция грунтовой плотины – 10-12 стр.

Расчеты и конструкция бетонной водосбросной плотины– 8-10 стр.

Расчеты и конструкция донного водовыпуска – 3-4 стр.

Основные выводы – 1 стр.

Литература – 1 стр.

Во введении дается обоснование проекта, формулируются ос-

новные задачи проектирования.

При выборе компоновки гидроузла (пойменная или русловая)

анализируются топографические, геологические и гидрологиче-

ские условия створа, принимается одна из наиболее рациональных

схем пропуска строительных расходов реки – через донные отвер-

стия или недостроенные пролеты («гребенку») бетонной плотины.

В разделе «грунтовая плотина» выбирается ее тип с учетом со-

пряжения с грунтами основания, определяются геотехнические ха-

рактеристики выбранных грунтовых материалов плотины, прово-

дятся расчеты по определению размеров профиля плотины, расче-

ты общей и местной фильтрационной прочности плотины и ее ос-

нования, расчеты фильтрации и построение кривой депрессии в

плотине с учетом ее сопряжения с основанием, расчеты устойчи-

вости откосов, расчеты крепления верхового откоса и дренажей.

При проектировании бетонной водосливной плотины выбира-

ется тип водослива, его конструкции с учетом компоновки гидро-

узла и схемы пропуска строительных расходов реки, выполняются

гидравлические расчеты по определению размеров его основных

элементов и элементов гашения потока в НБ. Определяется схема

сопряжения бетонной плотины с грунтовой.

При проектировании донного водовыпуска, устраиваемого в

донных отверстиях бетонной плотины, выполняются гидравличе-

ские расчеты по определению его размеров с учетом размеров во-

дослива (ширины его пролетов).

На чертежах показывают план, продольный и поперечные раз-

резы плотины, элементы сопряжения ее с основанием и берегами,

крепления откосов, кон- структивное решение гребня и берм,

51

дренажные устройства, противофильтрационные элементы, обрат-

ные фильтры, план и разрезы по водосливной плотине, конст-

руктивные решения ее элементов и элементов гашения потока в

нижнем бьефе, план и разрезы по донному водовыпуску.

В заключение приводятся главные выводы по проекту.

При курсовом проектировании рекомендуется использовать

кроме учебной и нормативной литературы учебные и реальные

проекты, имеющиеся на кафедре в печатном и электронном виде.

2.3.4. Тема, состав и требования к проекту бакалавра

Проектирование начинается с выбора темы, определения общих

задач проекта и сбора материалов. Качество дипломных проектов

зависит от объема и качества исходных материалов проекта. Эти

материалы студент собирает во время преддипломной практики,

своей научной работы или их дает проектный институт.

Сбор материалов следует вести направленно, а объем их дол-

жен быть достаточен для проектирования всех сооружений и со-

ставления всех разделов проекта. В каждом случае необходима

различная по виду и объему исходная информация. Так, для со-

ставления проектов гидроузлов исходными данными являются:

– физико-географическая характеристика района, включающая

сведения о его географическом положении, климате (температур-

ный режим, осадки, ветер, испаряемость), гидрографической сети

(данные о водотоках, их бассейнах, питании, уклонах);

– инженерно-геологические и гидрогеологические данные,

включая сведения о геолого-литологическом строении, физико-

механических характеристиках грунтов, глубине залегания грун-

товых вод, их режиме, агрессивности к строительным материалам;

– гидрологическая характеристика водотока, включая много-

летние данные о стоке, расходах, наносном и ледовом режимах;

– сведения о развитии экономики района строительства, нали-

чии стройпредприятий, рабочей силы, путей сообщения, энерго-

обеспеченности, степени использования водных ресурсов.

Для проектов на орошения следует иметь данные об орошае-

мом участке, составе культур, нормах, сроках и способах полива.

Для дипломного проекта предлагаются следующие темы:

– проект низко- или средненапорного гидроузла для целей оро-

шения или водоснабжения;

– проект средненапорного гидроузла для борьбы с паводками;

52

– проект защитных и русловых выправительных сооружений;

– проект реконструкции гидроузла и сооружений.

В качестве специальных разделов проектов рекомендуются:

– детальные расчеты основных сооружений с использованием

пакетов программ (см. табл. 2.5) с целью глубокой разработки

конструкции этих сооружений;

– расчеты устойчивости и прочности сопрягающих подпорных

стенок и устоев с целью разработки их конструкции;

– 2-3 варианта компоновки гидроузла и его сооружений с уче-

том возможных схем пропуска строительных расходов реки;

– разработка технологии строительства сооружений гидроузла;

– разработка технологии спецработ (стенки-завесы, перемычки,

водопонижение котлована основных сооружений);

– вопросы охраны окружающей среды и др.

На основе анализа исходной информации, изучения литерату-

ры и в беседах с руководителем проекта определяются основные

цели и задачи проекта. В начале проектирования следует устано-

вить класс проектируемого объекта. В последующем дают оценку

исходных данных, в случае необходимости их дополняют на ос-

нове литературных источников или применяя аналоговые методы.

Содержание дипломного проекта определяется его темой. Опыт

проектирования позволяет предложить его обобщенную модель,

сбалансированную по объемам различных разделов, учитываю-

щую трудозатраты на их разработку и резерв времени студентов.

Рекомендуется избегать повторения однотипных расчетов, про-

странного описания, длинных математических выкладок. Объем-

ные однотипные расчеты следует выносить в приложения.

В соответствии со временем, предусмотренным действующим

учебным планом, оптимальный по объему проект может состоять

из записки, содержащей 50-60 стр. текста, и 5-6 чертежей. В состав

записки входят титульный лист, оглавление, задание, паспорт про-

ектируемого объекта, введение, основные и специальный разделы

проекта, заключение, список литературы, приложения.

Форму титульного листа и бланка задания определяет кафедра.

На титульном листе указывают тему проекта, наименование ка-

федры, проставляют подписи и фамилии дипломника, консультан-

тов, руководителя и заведующего кафедрой.

В бланке задания приве- дены тема проекта, основные исход-

53

ные данные, основные разделы записки и наименование чертежей.

В задании указываются дата его выдачи и срок завершения проек-

та. Задание визируют руководитель и студент. В паспорте проекта

указывают главные технические показатели, данные по основным

сооружениям и объемам работ.

Во введении (2-3 стр.) излагаются цель и задачи проекта. В со-

ставе проекта выделяют главные разделы согласно перечню ос-

новных сооружений и спецраздел, углубляющий главные разделы.

На разработку главных разделов планируется 75-80% объема

проекта. Эти разделы включают 40-50 стр. текста и 4-5 чертежей.

В специальной части проекта может быть выполнена глубокая

проработка вопросов проектирования гидросооружений, при ре-

шении которых студент должен использовать последние достиже-

ния науки и практики. Как правило, в этом разделе отражаются

основные направления научных исследований членов кафедры.

На разработку специальной части планируется до 25 % бюджета

времени студента и объема всего проекта, что составляет пример-

но 15-20 стр. текста, и 1-2 листа чертежей.

Объем каждой из глав ограничивается, как правило, 25-30%

объема записи и 1-2 чертежами.

В первой главе при изложении сведений о реконструируемом

объекте даются его назначение, характеристика его сооружений,

приводятся сведения по обследованию объекта, обосновывается

необходимость его реконструкции и излагаются необходимые

данные инженерных изысканий и мониторинга его работы.

В первой главе проекта нового гидроузла или объекта приво-

дятся сведения о природных условиях района строительства (его

географическом положении, климате, рельефе, гидрографии и гид-

рологии, геологии и гидрогеологии), хозяйственная характеристи-

ка, данные о наличии местных строительных материалов и другие

сведения, необходимые для принятия решений по проекту.

Во второй главе приводятся основные гидрологические и водо-

хозяйственные расчеты кривой обеспеченности максимальных

расходов реки, определение полного и полезного объемов водо-

хранилища с учетом потерь из него и др.

В третьей главе дается обоснование принятой компоновки гид-

роузла с учетом природных (топографических, геологических,

гидрологических и др.) условий района строительства и рацио-

54

нальной схемы пропуска расходов реки во время строительства.

В основных разделах проекта включаются результаты расчетов

основных сооружений, обоснование на основе расчетов принятых

конструкций основных сооружений, обоснование принятой схемы

пропуска строительных расходов реки.

Наиболее трудный этап проектирования - конструирование

гидросооружения - от выбора его типа, составления схемы (эскиза)

до разработки отдельных деталей. Для его осуществления реко-

мендуется использовать выполненные ранее подобные реальные

проекты; изучить имеющиеся конструкции сооружений в этих

проектах, литературе, учебниках, учебных пособиях и др. В про-

цессе изучения имеющихся проектов дипломник оценивает усло-

вия работы конструкций, их преимущества и недостатки. С учетом

анализа принимается наиболее подходящее конструктивное реше-

ние, которое затем корректируется с учетом результатов выпол-

ненных расчетов. На практике примерно так осуществляется ре-

альное проектирование. Отдельные решения могут не иметь ана-

логов и определяются идеями автора и руководителя проекта.

При проектировании гидросооружений на этом этапе рекомен-

дуется рассматривать не менее двух вариантов конструкции. Часто

недостаток времени не позволяет проработать эти варианты и

определить наиболее приемлемое решение, поиск которого услож-

няет большая трудоемкость составления проектов гидросооруже-

ний. Эффективным средством является использование учебных и

профессиональных пакетов программ расчетов (см. табл. 2.5) и си-

стем автоматизированного проектирования (САПР и ACAD). Вы-

бирая то или иное решение, следует учитывать технологию возве-

дения сооружений и пропуска строительных расходов реки.

По выбранному конструктивному решению сооружения вы-

полняют необходимые гидравлические и статические расчеты, в

результате которых определяются его размеры. Если в проекте

разрабатывают ряд сооружений, то после определения размеров

каждого из них уточняют компоновку всего гидроузла.

В заключительной части записки формулируют выводы и пред-

ложения (заключение по проекту). Здесь на 3-4 страницах подво-

дят итог всей проделанной работы. Заключение должно быть со-

ставлено таким образом, чтобы суть проекта была раскрыта.

Кроме этих разделов, расчетно-графических, описательных

55

частей, в конце записки приводят список использованной литера-

туры и необходимые приложения.

Пояснительную записку и чертежи оформляют, используя со-

ответствующие ГОСТы и методические разработки кафедры. Рас-

четно-пояснительная записка должна быть набрана в редакторе

Word через 1 интервал (шрифт Times New Roman, размер 12, поля:

слева - 30 мм, справа - 15 мм, сверху и снизу - 20 мм), отпечатана

на офисной бумаге формата А4 и переплетена «пружинкой».

Листы пояснительной записки нумеруют сплошной нумераци-

ей, включая листы с рисунками, графиками, фотографиями и схе-

мами. Обязательна ссылка на использованные в проекте норма-

тивные материалы и литературные источники.

Расчетные зависимости помещают в тексте в виде отдельных

строк с обязательной нумерацией. Нумерацию формул и рисунков

рекомендуется вести по главам. Расшифровка символов и обозна-

чений в тексте обязательна.

При компоновке записки рекомендуется следующее располо-

жение ее разделов: вначале помещают титульный лист, оглавле-

ние, далее задание на проектирование, паспорт проекта, введение,

главы записки, выводы, список использованной литературы, при-

ложения. На титульном листе проекта ставят подписи: дипломник,

руководитель и консультанты проекта и заведующий кафедрой.

Эти же подписи ставятся в угловых штампах чертежей. Бланк за-

дания на проектирование должен быть подписан студентом и его

руководителем. Графическую часть пояснительной записки пред-

ставляют в виде схем, графиков, выполненных с помощью ACAD.

2.3.5. Оформление чертежей дипломного проекта бакалавров

Чертежи формата А1-2 выполняются с помощью ACAD, при-

чем чертежи, обозначения и шрифты должны отвечать требовани-

ям ГОСТа. Изображения на чертеже в зависимости от их содержа-

ния разделяются на виды, разрезы, сечения и должны выполняться

по методу прямоугольного проецирования.

ГОСТ устанавливает следующие названия основных видов: 1 -

вид спереди (главный вид); 2 - вид сверху (план); 3 - вид слева (бо-

ковой вид); 4 - вид справа; 5 - вид снизу; 6 - вид сзади. Если виды

не находятся в непосредственной проекционной связи с главным

изображением (видом или разрезом), то направление взгляда

должно быть указано стрелкой, обозначенной прописной буквой.

56

Название вида над схемой: Вид А-А с ВБ. План на отм. 110 м и т.д.

Пример выполнения вида с верхнего бьефа дан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Вид с верхнего бьефа бетонной плотины (пример):

1 - водосливные отверстия; 2 - отверстия водоприемника ГЭС; 3 - вре-

менный водоприемник ГЭС; 4 - строительные водосбросы 1-го яруса; 5 -

строительные водосбросы 2-го яруса

На разрезе показывают то, что получается в секущей плоскости

и что расположено за ней. Допускается изображать не все, что

расположено за плоскостью, если это не требуется для понимания

конструкции сооружения. В дипломных чертежах для наименова-

ния разреза допускается применять буквы, цифры, а также надпи-

сывать название разреза (плана) с присвоением буквенного или

цифрового обозначения. Название разреза: Разрез I–I. Продольный

разрез по оси водовыпуска. Разрез по зданию ГЭС. Разрез по водо-

сливной плотине. Примеры разрезов даны на рис. 2.2 и 2.3.

Рис.2.2. Разрез по русловому зданию ГЭС (пример)

57

Кран козловой г/п 225 т Ось автодороги

Рис. 2.3. Разрез по водосливной плотине (пример)

На сечении показывают только то, что получается непосред-

ственно в секущей плоскости. В виде сечений следует выполнять

поперечные сечения линейных сооружений, например; плотины,

дамбы, канала, трубопровода и т.д. В названии сечения указывают

обозначение соответствующей секущей плоскости и напластова-

ние сечения по типу: I – I. Поперечное сечение лотка быстротока.

Пример выполнения поперечного сечения плотины из грун-

товых материалов представлен на рис. 2.4.

Рис.2.4. Поперечное сечение грунтовой плотины (пример)

Основой для построения профиля сооружения служит топогра-

фический план в горизонталях. Различают продольные и попереч-

ные профили. Продольный профиль – вертикальный разрез по оси

линейного сооружения или водотока. Продольный профиль ли-

58

нейного сооружения (плотины, дамбы, канала, трубопровода) или

водотока обычно выполняют в разных горизонтальных и верти-

кальных масштабах (обычно с 5-10-кратным уменьшением). Мас-

штаб продольного профиля выбирают с учетом рельефа местности

и протяженности линейного сооружения или водотока. Попереч-

ный профиль, обычно выполняемый в неискаженном масштабе,

всегда может быть заменен поперечным сечением или разрезом.

На продольном профиле линейных гидросооружений, как пра-

вило, наносят и указывают:

– линию фактической поверхности земли по оси сооружения

(разрывной штриховой линией), линии ординат от точек ее пере-

ломов, линию проектируемой насыпи (по оси гребня плотины или

бермы канала), линию подошвы насыпи (плотины, включая зуб и

дно траншеи, линию оси трубопровода (штрих-пунктиром);

– геологические скважины, геологическое строение с услов-

ными обозначениями, отметки уровня грунтовых: вод;

– над верхней линией профиля условные обозначения соору-

жений по ГОСТ с привязкой к пикетажу;

– характерные отметки подошвы, включая зуб, дно котлована

сооружения и т.д.

Под продольным профилем помещают таблицу (сетчатую часть

профиля). В графах таблиц продольных профилей гидротехниче-

ских сооружений, как правило, указывают:

- в графе "план" - проектируемое сооружение по оси,

углы поворотов в плане, ситуацию местности (границы земель, во-

дотоки), существующие и проектируемые сооружения или их оси с

указанием углов пересечения этих осей с осью сооружения;

- в графах "отметки" – фактические и проектные отметки зем-

ли, подошвы, насыпи, бермы, дна траншеи, оси трубопровода и

т.д. на каждом пикете и в характерных точках;

- в других графах - глубина выемки, высота насыпи и т.д.

Пример оформления продольного профиля грунтовой плотины

в составе гидроузла представлен на рис. 2.5.

При устройстве по гребню плотины автомобильной или желез-

ной дороги, имеющей вертикальные кривые или кривые в плане,

сетчатую часть оформляют с добавлением ряда граф, например,

кювет (левый, правый), уклон и вертикальная кривая, прямая и

кривая в плане, тип попе- речного сечения, указатель км и т.д.

59

Выносные элементы (фрагменты планов и узлы) выполняют с

учетом требований системы проектной документации для строи-

тельства. Выносной элемент – дополнительное отдельное изобра-

жение (обычно увеличенное) какой-либо части конструкции или

сооружения, требующей графического или других пояснений в от-

ношении формы, размеров и иных данных.

Рис. 2.5. Продольный профиль грунтовой плотины (пример)

На изображениях гидросооружений, как правило, наносят:

– геологическое строение основания на минимальную глубину,

достаточную для обоснования проектных решений;

– проектный контур котлована; линии естественной поверхно-

сти земли (нарушенную - штриховой линией);

– материал конструктивных элементов сооружений;

– оборудование; металлоконструкции, закладные части;

– оси сооружений и деформационные швы;

– границы и типы крепления; уклоны и заложение откосов;

– размеры и отметки конструктивных сооружений;

– пикетаж (расстояние между пикетами 100 метров);

– расчетные уровни воды, включая уровни грунтовых вод;

– проектируемые сооружения, существующие сооружения, ав-

60

тодороги, горизонтали (в пределах сооружений, выемок и насыпей

- штриховой линией), водотоки, линии затопления (на планах).

Планы напорных сооружений в крупном масштабе следует

располагать так, чтобы продольные оси сооружений были парал-

лельны ближней стороне листа, а ВБ располагался в нижней части

листа. На плане следует давать экспликацию основных сооруже-

ний (пример плана основных сооружений гидроузла дан на рис.

2.6, при этом горизонтали и уровни воды условно не показаны).

Поперечные разрезы, сечения, профили напорных линейных

сооружений выполняют таким, чтобы ВБ был расположен слева

от сооружения. Поперечные разрезы, сечения, профили остальных

линейных сооружений выполняют так, чтобы вид в разрезе, про-

филе совпадал с направлением течения воды. При изображении

поперечного разреза с видом против течения воды на чертеже ука-

зывают «Вид против направления пикетажа», а у водотоков – «Вид

против течения воды» с указанием правого и левого берегов.

Рис. 2.6. План основных сооружений гидроузла (пример)

61

Глава 3. Бетонные плотины на нескальных основаниях

3.1. Основные типы и конструкции этих плотин

Бетонные плотины на нескальных основаниях следует проектиро-

вать, как правило, в качестве водосбросных. Для глухих участков

напорного фронта следует принимать земляную насыпную плоти-

ну или плотину из укатанного бетона.

Основные типы бетонных водосбросных плотин на нескальных

основаниях приведены на рис. 3.1.

62

д

ж

Рис. 3.1. Основные типы низко- (а-г) и высокопороговых (д-ж)

водосбросных бетонных плотин на нескальных основаниях: а – распластанного профиля с водосливом; б – двухярусная с донными и

поверхностными отверстиями; в – с донными отверстиями; г – с плоским

порогом; д – высокопороговая сплошного профиля; е, ж – высокопоро-

говые пустотелые с массивной и тонкой анкерной фундаментной плитой

63

Класс бетонных плотин на нескальных основаниях следует уста-

навливать согласно табл.2.1 (глава 2 настоящего пособия).

Плотины могут быть с высоким (см. рис. 3.1, а-г) или низким во-

досливным порогом (см. рис. 3.1, д-ж). Водосбросные плотины с

низким порогом обычно размещают в русловой части створа низ-

конапорных гидроузлов, а плотины с высоким порогом – на пойме

или в русле средненапорных гидроузлов.

Пойменное расположение низко- и высокопороговых бетонных

водосбросных плотин реализовано на многих гидроузлах, постро-

енных в 1937-1980 гг. на Волге и Каме. Подробное описание раз-

личных конструкций этих плотин на нескальном основании при-

ведено в приложении 1.

Двухъярусные плотины (см. рис. 3.1, б) с поверхностным и дон-

ным водосбросами выполняют, когда надо улучшить гидравличе-

ские условия работы НБ и пропустить строительные расходы.

Иногда применяют водосбросы лишь с донными отверстиями (см.

рис. 3.1, в). При больших напорах (18-30 м) строят русловые зда-

ния ГЭС с поверхностными или донными водосбросами (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Русловое здание ГЭС с поверхностным водосливом

Водосбросные плотины могут выполняться и по типу сифонного

водосброса, что вызвано необходимостью его автоматического

включения в работу при малых (0,1-0,2 м) превышениях УВБ над

НПУ. Однако удельные расходы сифонов ограничены 20-25 м2/с.

Выбор типа водосбросной плотины определяется тремя фактора-

ми: действующим напором и возможностью форсировки УВБ; то-

64

пографическими и геологическими условиями гидроузла и компо-

новкой его основных сооружений; условиями строительства и

принятой схемой пропуска строительных расходов реки [16].

Водосбросные плотины на нескальных основаниях имеют более

распластанный профиль, чем на скальных основаниях, так как со-

противление сдвигу грунтов в основании этих плотин в 1,5-4 раза

ниже сопротивления сдвигу по их скальным основаниям, а допус-

каемые напряжения на нескальные основания намного ниже этих

напряжений на скальные основания. Поэтому, как правило, эконо-

мически целесообразными на нескальных основаниях считаются

бетонные водосбросные плотины высотой до 40 м.

В связи с расширением в последние годы строительства плотин из

особо тощего укатанного бетона симметричного профиля на полу-

скальных и нескальных основаниях этот тип плотины также следу-

ет рассматривать при проектировании [11].

3.2. Проектирование профиля водослива плотины

3.2.1. Начальный безвакуумный профиль водослива

При проектировании поперечного профиля водосливной бетонной

гравитационной плотины на нескальном основании следует при-

держиваться такой последовательности:

1) определяют начальный (гидравлический) безвакуумный про-

филь и выбирают тип его сопряжения с дном НБ (гладкое или с

низким уступом);

2) корректируют гребень этого профиля с учетом вставки для раз-

мещения пазов затворов (рабочих, ремонтных и строительных);

3) проводят расчет этого профиля при сокращенном составе нагру-

зок на устойчивость при плоском сдвиге по основанию и проч-

ность, проверив отсутствие растягивающих контактных напряже-

ний в основании и, если нужно, меняют профиль плотины;

4) для откорректированного практического профиля плотины

определяют значение коэффициента расхода т, при котором про-

веряют пропускную способность водосливного фронта плотины.

На рис. 3.1, а, д-ж и рис. 3.3 показаны схемы водосливных плотин,

получаемых по подобной схеме, а в приложении 1 рассмотрены

проекты водосливных плотин, построенных на Волге и Каме.

Поперечный профиль глухой бетонной гравитационной плотины

назначается из условий устойчивости и прочности плотины и ее

основания. При проектиро- вании профиля водосливной плотины

65

дополнительно учитываются три главных условия: 1) гидравличе-

ские - перелив воды через гребень плотины; 2) конструктивные -

расположение затворов на гребне; 3) строительные - устройство

временного порога для пропуска строительного расхода и шан-

дорных заграждений, под защитой которых бетонируют плотину.

Рис. 3.3. Схемы ряда проектов водосливных бетонных плотин на

нескальном основании: 1 – пазы затворов; 2 – дренаж; 3 – низкий уступ; 5 – низкий порог

66

В высокопороговой водосливной плотине учет этих условий не

должен сильно увеличивать рациональный (теоретический) тре-

угольный профиль глухой плотины, установленный из условий ее

устойчивости и прочности с учетом влияния нескального основа-

ния. В низкопороговой водосливной плотине, в которой большая

часть гидростатического давления ВБ передается непосредственно

на металлические затворы и затем от затворов - на быки или гре-

бень плотины, это приводит к сильному уширению гребня плоти-

ны, причем ее профиль в основном определяется типом и размера-

ми затворов и условиями сопряжения плотины с основанием. Чет-

кую границу между двумя типами плотин установить трудно.

Высокопороговые плотины, как правило, имеют безвакуумные

профили плотин, когда под струей на поверхности водослива име-

ется положительное давление, близкое к атмосферному, что

предотвращает кавитацию и разрушение бетона водосливной по-

верхности. Поэтому вакуумные профили применяют очень редко.

Сопряжение водосливной поверхности этих плотин с поверхно-

стью дна нескального русла в НБ обычно осуществляется гладким

сопряжением (рис. 3.4, а) или иногда с помощью низкого уступа

2, носок 1 которого располагается ниже уровня НБ (рис. 3.4, б).

Рис. 3.4. Сопряжения водослива плотины с дном НБ: а) - гладкое; б) - с низким уступом

Водосливную плотину с низким уступом следует принимать толь-

ко в тех случаях, когда во время ледохода в НБ через специальный

ледосбросной фронт приходится сбрасывать большие массы льда.

В других случаях такая плотина становится нерациональной, так

как за носком возникает невыгодный режим придонных скоростей,

и при низком уступе трудно эффективно бороться со сбойностью

течения воды в НБ, где возникает сильное волнение, распростра-

няющееся на большое расстояние в НБ, усложняя судоходство.

67

Начальный (гидравлический) безвакуумный профиль плотины

(профиль Кригера–Офицерова) с вертикальной напорной гранью

образован 5 участками (рис. 3.5): 1) вертикальным участком АВ

высотой а; 2) прямолинейным участком ВС, наклоненным к гори-

зонту под углом αв (обычно 450); 3) криволинейным участком CD,

строящимся по координатам Кригера–Офицерова; 4) прямолиней-

ным участком DE низовой грани плотины с наклоном к горизонту

под углом αн, принятым из расчета устойчивости плотины на сдвиг

по основанию (обычно заложение низовой грани 0,75-0,8); 5) ду-

гой окружности EF c радиусом R=(0,2-0,5)(Св+H) и сопрягающей

дно НБ с участком ED. При построении этого профиля следует

иметь отметки дна ВБ и НБ, гребня плотины. Значения а, αв, αн

принимают согласно теоретическому треугольному профилю и

учитывают влияние а, αв, αн на коэффициент расхода водослива m.

Рис. 3.5. Безвакуумный водослив с Рис. 3.6. Водослив с тонкой

вертикальной напорной гранью стенкой: 1- нижнее очертание струи;

2 - атмосферное давление

Основным элементом профиля Кригера–Офицерова является кри-

вая CD (рис. 3.5), которую проводят так, чтобы она вплотную рас-

полагалась к кривой cd, представляющей собой нижнее очертание

струи при переливе воды через тонкую стенку abc (рис. 3.6), сов-

падающую с очертанием ABC рассматриваемого профиля.

Отклонение кривой CD влево от кривой cd приводит к об-

разованию вакуума на поверхности водослива, что недопустимо,

отклонение же кривой CD вправо от кривой cd приводит к сниже-

нию коэффициента расхода водослива (в этом случае давление под

68

струей на поверхности водослива будет увеличиваться), что неже-

лательно. Так как от напора на гребне водослива H зависит нижнее

очертание струи cd, то очертание кривой CD зависит и от H, кото-

рое при эксплуатации плотины изменяется. Поэтому для построе-

ния кривой CD принимают определенный профилирующий напор,

Hпроф, по которому строят профиль водослива.

Как уже отмечалось, значение Hпроф принимают равным макси-

мальному напору на водосливе Hмакс, который возникает при фор-

сировке НПУ (кратковременном повышении НПУ при пропуске

пика расчетного паводка или ФПУ). В случае H≤Hпроф=Hмакс на во-

досливной поверхности CDE (см. рис. 3.5) вакуум не возникает.

Таблица 3.1 для построения безвакуумного профиля водослива

(Кригера–Офицерова)

№ точки х/Нпроф y/Нпроф № точки х/Нпроф y/Нпроф

1 0,0 0,126 21 2,0 1,235

2 0,1 0,036 22 2,1 1,369

3 0,2 0,007 23 2,2 1,508

4 0,3 0,000 24 2,3 1,653

5 0,4 0,006 25 2,4 1,894

6 0,5 0,027 26 2,5 4,960

7 0,6 0,060 27 2,6 2,122

8 0,7 0,100 28 2,7 2,289

9 0,8 1,146 29 2,8 2,462

10 0,9 0,198 30 2,9 2,640

11 1,0 0,256 31 3,0 2,824

12 1,1 0,321 32 3,1 3,013

13 1,2 0,394 33 3,2 3,207

14 1,3 0,475 34. 3,3 3,405

15 1,4 0,564 35 3,4 3,609

16 1,5 0,661 36 3,5 3,818

17 1,6 0,764 37 3,6 4,031

18 1,7 0,873 38 3,7 4,249

19 1,8 0,987 39 3,8 4,471

20 1,9 1,108 40 3,9 4,698

69

Построение начального безвакуумного.профиля водослива: зная

Hпроф и наметив оси координат Ох и Оу (см. рис. 3.5), строят кри-

вую C'CC0DD', пользуясь табл. 3.1, в которой даны приведенные

координаты кривой C'D': х/Нпроф и y/Нпроф. Для получения дей-

ствительных координат х, у кривой C'D' цифры в табл. 3.1 умножа-

ем на Нпроф. Из табл. 3.1 видно, что абсцисса х0 верхней точки C0

гребня водослива (см. рис. 3.5) равна 0,3Нпроф.

Кривую C'CC0DD' следует проводить по полученным точкам так,

чтобы ось Оу была касательной к кривой в точке C'. Далее прово-

дят прямые ВС и DE соответственно под углом ав и ан к горизонту

так, чтобы эти прямые были касательными к кривой C'CC0DD' со-

ответственно в точках C и D. После этого участки С'С и DD' кри-

вой, лежащие внутри намеченного профиля, убирают и проводят

вертикаль АВ и дугу EF (см. рис. 3.5).

Радиус R не влияет на коэффициент расхода m, его можно принять

для бетонных плотин на нескальном основании при больших

напорах H равным: R=(0,5-1,0)(Hпроф+Zmax), где Hпроф - профили-

рующий напор на водосливе, равный максимальному Hмакс (при

ФПУ); Zmax - наибольшая разность уровней ВБ и НБ.

Начальный профиль безвакуумного водослива с наклонной напор-

ной гранью (рис. 3.7, а) можно рассматривать как частный случай

водослива на рис. 3.6 (когда а=0).

а б

Рис. 3.7. Безвакуумный водослив нормального очертания с

наклонной (а) и вертикальной (б) напорными гранями

Подобный распластанный профиль водослива обычно получается

в низкопороговых плотинах (Нижне-Свирская и Иваньковская во-

досливные плотины) на слабых нескальных основаниях (глинах и

жирных суглинках) с низкой прочностью на сдвиг и модулем де-

70

формации и в высокопороговых водосливных плотинах симмет-

ричного профиля из особо тощего укатанного бетона [11]. При хо-

рошем нескальном основании (плотные пески, суглинки) напор-

ную грань плотины обычно принимают вертикальной. Другие слу-

чаи начального профиля безвакуумной нормальной стенки воз-

можны, когда длина отрезка DE (см. рис. 3.5 и 3.7, а) обращается в

нуль, причем кривые C0D и EF смыкаются (прямолинейный уча-

сток DE профиля отсутствует), и когда ав=90° (см. рис. 3.7, б).

3.2.2. Корректировка начального профиля водослива в

практический

Рассмотренные в предыдущем разделе начальные профили водос-

ливов были построены с учетом требований гидравлики и без уче-

та требований устойчивости и прочности водосливной плотины и

ряда конструктивных и строительных требований. Поэтому

начальный профиль водослива для его реализации в проекте дол-

жен быть подвергнут корректировке, рассмотренной ниже.

1. Учет условий статической работы водосливной плотины. Про-

водят расчет начального профиля плотины на сокращенный состав

нагрузок на устойчивость при плоском сдвиге по основанию и

прочность, проверив отсутствие растягивающих контактных

напряжений в основании и, если нужно, изменяют профиль плоти-

ны (но не водосливной грани). В случае недостаточной устойчиво-

сти плотины с вертикальной напорной гранью на сдвиг по основа-

нию с низкой прочностью на сдвиг (при условии использования

всех эффективных способов снижения противодавления в основа-

нии) устойчивость плотины можно увеличить за счет добавки бе-

тона А (рис. 3.8, а) или Б (рис. 3.8, 6) со стороны напорной грани.

В последнем случае устойчивость плотины возрастает как за счет

бетона добавки Б, так и пригрузки воды (рис. 3.8, б). Обычно луч-

ше использовать оба способа (рис. 3.8, в, г; рис. 3.1, д-ж).

В случае избыточной устойчивости водосливной плотины на

сдвиг по основанию с высокой прочностью на сдвиг (при условии

использования обычных способов снижения противодавления в

основании) можно уменьшить объем бетона водослива путем

устройства в нем полостей (без или с заполнением их грунтом,

рис. 3.1, е, ж) или вырезки объема бетона abed со стороны напор-

ной грани (рис. 3.9). В последнем случае консольный выступ ого-

71

ловка водослива бетонируют после бетонирования оголовка, что

позволит устроить паз ремонтного затвора водослива (рис. 3.9, поз.

4) на всю высоту бычка до порога донного отверстия и перекрыть

его этим затвором после пропуска строительных расходов через

отверстия. После бетонирования отверстия затвор поднимают на

гребень плотины, бетонируют в подвесной наклонной опалубке

консоль и делают порог ремонтного затвора.

Рис. 3.8. Практические профили безвакуумных водосливов

Рис. 3.9. Практический профиль безвакуумного водослива

с консолью: 1 - консольный выступ; 2 - паз рабочего эатвора; 3 - бычок; 4 - паз ре-

монтного затвора; 5 - временные донные отверстия

72

При корректировке начального профиля водосливной плотины

следует также обеспечивать на напорной грани профиля сжимаю-

щие нормальные вертикальные напряжения, а в основании плоти-

ны величина этих напряжений должна быть не менее 25% давле-

ния ВБ при сокращенном составе нагрузок основного сочетания

согласно табл. 12 СНиП 2.06.06-85. Подробно требования СНиП

2.06.06-85 в части расчетов бетонных плотин на прочность и

устойчивость при сокращенном и полном составе нагрузок основ-

ного и особого сочетаний рассмотрены ниже в этой главе.

В результате этих расчетов может потребоваться изменить углы ан

и ав начального гидравлического профиля (см. рис. 3.7).

2. Учет конструктивно-строительных особенностей водосливной

плотины. На гребне плотины необходимо располагать рабочие и

ремонтно-аварийные затворы. Для размещения обычных подъем-

ных затворов на гребне плотины необходимо устройство горизон-

тальной площадки (вставки) соответствующей ширины, которая

снижает коэффициент расхода водослива m. В редком случае за-

творов, опускающихся в специальную нишу, устроенную в гребне

плотины, очертание верхней части водослива приходится изме-

нять. Условия пропуска строительных расходов и производства

строительных работ также следует учитывать при корректировке

начального профиля водослива.

В результате учета приведенных выше основных факторов при

корректировке начального (гидравлического) профиля водослива

должен быть получен окончательный (практический) профиль во-

дослива, который рассматривается при дальнейшем проектирова-

нии водосливной плотины.

3.3. Выбор удельного расхода и длины водосливного фронта

Гидравлические расчеты водосбросных плотин проводят на основ-

ной и поверочный случай согласно требованиями нового СНиП

33-01-2003 [1], приведенным в разделе 2.2.3 настоящего пособия.

Пропуск максимального расчетного расхода воды для основного

расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при НПУ

через все водопропускные сооружения гидроузла при полном их

открытии. При количестве затворов на водосбросной плотине бо-

лее шести следует учитывать вероятную невозможность от-

крытия одного затвора и исключать один пролет из расчета про-

73

пуска паводка. Учет пропускной способности гидроагрегатов при

пропуске паводковых расходов обосновывают при проектирова-

нии конкретного гидроузла в зависимости от количества агрегатов

ГЭС, условий ее работы в энергосистеме, вероятности аварийных

ситуаций на ГЭС и фактического напора на ГЭС. Для средне- и

низконапорных гидроузлов при снижении напоров на агрегаты

ниже допустимых по характеристикам турбин пропускную спо-

собность турбин в расчетах пропуска паводка не учитывают.

При основном расчетном случае на основе технико-экономических

расчетов определяются: общая длина водосливного фронта,

удельного сбросного расхода, число и размеры сечений водо-

сбросных отверстий, основные размеры креплений НБ.

Пропуск поверочного расчетного расхода воды должен осуществ-

ляться при наивысшем технически и экономически обоснованном

форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускны-

ми сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные водо-

сбросы, турбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных

систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопро-

пускные сооружения и резервные водосбросы. При этом, учитывая

кратковременность прохождения пика паводка, допускается:

- нарушение нормальной работы водозаборных сооружений, не

приводящее к созданию аварийных ситуаций на объектах - потре-

бителях воды;

- размыв русла и береговых склонов в НБ гидроузла, не угрожаю-

щий разрушением основных сооружений, при условии, что по-

следствия размыва будут устранены после пропуска паводка.

Учет пропускной способности гидроагрегатов ГЭС в пропуске

расхода поверочного расчетного случая осуществляют так же, как

и в случае пропуска основного расчетного случая

Другие расчетные случаи пропуска расходов воды следует преду-

сматривать схемой маневрирования затворами водосбросной пло-

тины. При этом величины и порядок открытия затворов следует

назначать исходя из необходимости получения в НБ гидравличе-

ского режима, который не потребует дополнительных мероприя-

тий для защиты креплений НБ и нижерасположенного участка

русла по сравнению с основным расчетным случаем.

Длину водосливного фронта B определяют по величине удельного

расчетного расхода воды q на 1 пог. м ширины фронта B

74

(q=Qмакс/B) при пропуске расчетного максимального расхода Qмакс

расчетной обеспеченности (повторяемости) в основном расчетном

случае с учетом класса капитальности плотины в соответствии с

требованиями нового СНиП 33-01-2003. «Основные положения

проектирования гидросооружений» [1]. Выбор значения удельно-

го расхода во многом определяет конструкцию плотины, режимы

сопряжения бьефов, конструкцию креплений и, следовательно,

технико-экономическую эффективность всего гидроузла.

Поэтому в технических проектах гидроузлов оптимальную вели-

чину удельного расхода, соответствующую минимальной стоимо-

сти гидроузла, определяют на основе технико-экономического

сравнения вариантов водосбросной плотины с разными рацио-

нальными удельными расходами и условиями пропуска льда через

водосливные отверстия.

Как показала практика проектирования гидроузлов с водосброс-

ными бетонными плотинами на нескальных основаниях на Волге и

Каме (приложение 1), оптимальный удельный расход находится в

области максимально возможных значений, так как при этом сни-

жение стоимости водосбросной бетонной плотины обычно пре-

вышает рост общей стоимости крепления НБ и глухой земляной

плотины. Поэтому во многих случаях расчетный удельный расход

принимают на основе данных практики проектирования подобных

водосбросных плотин, а также условий компоновки сооружений

гидроузла и его эксплуатации.

В табл. 3 приложения 1 приведены расчетные удельные расходы

на водосбросных бетонных плотинах и рисбермам Волжско-

Камского каскада гидроузлов с учетом грунтов их оснований, ко-

торые можно использовать на предварительных стадиях проекти-

рования этих плотин. Согласно этим данным для водосбросных

плотин с напором 15-25 м на нескальных основаниях удельные

расходы на плотине составили: на песках q=35÷45 м2/с (Цимлян-

ская и Волжская ГЭС); суглинках (Рыбинская, Угличская и Ивань-

ковская ГЭС) – 54÷60 м2/с; глинах и алевролитах – 57÷77 м

2/с

(Нижнегородская и Нижне-Камская; см. приложение 1).

На начальных стадиях проектирования этих плотин использовали

формулу К.И Россинского:

q = 1,7 vнр hр1,2

, (3.1)

75

где vнр - неразмывающая скорость (м/с) потока глубиной 1 м для грунтов

основания в НБ (на рисберме), равная для средних песков 0,6; крупных

песков - 0,75; суглинка и глины средней плотности - 0,85; гравия крупно-

го и суглинка плотного - 1,0; гравийно-галечникового грунта, суглинка

плотного -1,2; hр - глубина потока на рисберме при максимальном рас-

четном расходе, м.

Ширина водосбросного фронта B, определенная с учетом этих ре-

комендаций, должна вписываться в фактическую ширину русла, в

противном случае потребуется увеличить удельный расход q за

счет увеличения напора H на водосливе или устройства дополни-

тельных донных водосбросов в русловом здании ГЭС, как это сде-

лано на ряде ГЭС на Волге.

Расчетный напор H на гребне водослива при пропуске максималь-

ного расхода Qмакс и ширине водосливного фронта B определяют

по формулам гидравлики с учетом типа водослива (высоко- или

низкопороговый), формы его профиля (практического, распла-

станного, с широким порогом), формы бычков, определяющих бо-

ковое сжатие потока, высоты водослива, его подтопления с НБ.

В первом приближении до построения начального профиля безва-

куумного водослива коэффициент расхода водослива практическо-

го профиля можно принять m=0,45-0,46, распластанного профиля

m=0,38-0,40, с широким порогом m=0,36, а полный напор на водо-

сливе Hо=H. Зная напор H на гребне водослива и отметку НПУ,

определяют в первом приближении отметку гребня водослива и

его высоту. После этого намечают 2-3 варианта разбивки водо-

сливного фронта на одинаковые прямоугольные отверстия, пере-

крываемые подъемными затворами. Размеры отверстий можно

вначале принять по табл. 3.2 по старому СНиП 2.06.01-86 в связи с

отсутствием этих размеров в СНиП 33-01-2003 [1].

Табл. 3.2. Размеры поверхностных и глубинных водосбросных отверстий

Ширина (пролет) от-

верстия, b (м)

0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5;

5,5; 6; 7; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 24; 30

Высота отверстия, H

(м)

0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5;

5,5; 6; 7; 8; 9; 10; 12; 14; 16; 18; 20

Примечания.

1. За пролет (ширину) отверстия b принимается минимальный размер

между боковыми вертикальными гранями.

76

2. За высоту H принимают: для поверхностных отверстий - размер от по-

рога до верха обшивки затвора; для глубинных - размер от порога до по-

толка отверстия при плоских затворах или по нормали к оси водовода.

При рассмотрении 2-3 вариантов разбивки водосливного пролета

2-3 раза уточняют принятую отметку гребня водослива, значения

H, q и B. После технико-экономической оценки вариантов разбив-

ки фронта выбирают самый рациональный, для которого уточняют

очертания профиля водослива, бычков и их число, коэффициенты

бокового сжатия потока на водосливе, коэффициент расхода водо-

слива, напор на водосливе, отметку его гребня.

Отношения между шириной и высотой отверстий следует прини-

мать из условий проектирования водосбросного сооружения. Для

водосливных пролетов плотин на нескальном основании с наибо-

лее применяемыми плоскими подъемными затворами при напоре

на гребне водослива H высота водосливного отверстия (высота за-

твора) равна напору H+(0,3-0,5) м. Ширина пролета отверстия (за-

твора b) при его высоте H определяется из отношения b/Hз=1,5-3,0

или по рис. 3.9.

Рис. 3.9. График перекрывающей способности затворов механи-

ческого действия:

77

1 – плоские многоригельные одиночные затворы; 2 – плоские двухри-

гельные одиночные затворы; 3 – плоские затворы с клапаном; 4 – плос-

кие сдвоенные затворы; 5 – сегментные затворы; 6 – вальцовые затворы

Высоту плотины (высоту водослива) при заданном напоре уста-

навливают в зависимости от компоновки гидроузла, геологии ос-

нования, возможной отметки дна водобоя, принимаемой схемы

пропуска строительных расходов и др. Число пролетов (не менее

2) выбирают с учетом используемых типов затворов, результатов

расчета пропускной способности, стоимостных показателей водо-

сброса при различной ширине водосливных пролетов между быка-

ми и условий пропуска льда и мусора. При плоских и сегментных

затворах рациональная ширина пролетов 15-20 м, при малом числе

(2-3) пролетов целесообразно иметь широкие пролеты до 25-30 м с

сегментными затворами.

В табл. 3.3 приведены размеры водосливных отверстий ряда бе-

тонных плотин на нескальных основаниях в бывшем СССР.

Таблица 3.3.

Гидроузел Тип затвора Пролет

b, м

Высота

H, м

Отношение

b/H

Волгоградский

Волжский

Нижнегородский

Каунасский

Цимлянский

Каховский

Чебоксарский

Угличский

Нижне-Свирский

Плоский

Плоский

Плоский

Плоский

Плоский

Плоский

Плоский

Сегментный

Вальцовый

20,0

20,0

20,0

20,0

16,0

12,9

20,0

19,8

20,5

10,0

9,4

9,0

7,0

5,0

9,0

14,0

5,0

2,75

2,00

2,13

2,22

2,86

3,20

1,43

1,43

3,96

7,46

По условиям пропуска льда ширина пролетов водосбросов на ре-

ках, текущих с юга на север, обычно принимается не менее 18 м, а

с севера на юг - не менее 10 м. Мусоросбросные отверстия водо-

сбросов должны иметь пролет шириной не более 10 м. Минималь-

ный напор на водосливе из условий пропуска мусора должен быть

не менее 3 м, а из условий пропуска льда - не менее 1,5tмакс+0,15 м,

где tмакс - максимальная толщина льдин в период ледохода.

78

3.4. Конструкции водосбросных плотин и их элементов

Конструкции водосбросных бетонных плотин и их элементов на

нескальных основаниях следует проектировать согласно нижепри-

веденным требованиям раздела 6 СНиП 2.06.06-85 [2] и рекомен-

дациям этого раздела. Для этих плотин приняты следующие ос-

новные элементы (рис. 3.10): 1 – фундаментные плиты; 2 – быки и

устои; 3 – водосливы и водосбросы; 4 – деформационные швы и их

уплотнения; 5 – водобой и рисберма; 6 – противофильтрационные

устройства: понур, шпунты, буробетонные сваи и стенки, зубья,

противофильтрационные завесы; 7 – дренажные устройства.

Рис. 3.10. Конструкция и элементы водосливной плотины с анкер-

ным понуром на нескальном основании: 1 - паз ремонтного затвора; 2 - паз рабочего затвора; 3 - промежуточный

бык; 4 - дренажная галерея; 5 - низовой участок фундаментной плиты; 6 -

гасители энергии; 7 - водобой; 8 - рисберма; 9 - предохранительный

ковш; 10 - переходное деформируемое крепление; 11 - горизонтальный

дренаж водобоя и рисбермы; 12 - дренажные колодцы; 13 - обратный

фильтр; 14 - вертикальный дренаж основания; 15 - горизонтальный дре-

наж фундаментной плиты; 16 - верховой подплотинный шпунт; 17 - гори-

зонтальный дренаж понура; 18 - понурный шпунт; 19 - надшпунтовая

балка; 20 - крепление пригрузки; 21 - пригрузка понура; 22 - анкерный

понур; 23 - гибкий участок анкерного понура; 24 - верховой участок фун-

даментной плиты; 25 - водо- слив; 26 - гребень водослива

79

3.5. Быки бетонных водосливных плотин

3.5.1. Очертание, размеры и конструкция быков

Быки водосливных плотин (рис. 3.11) разбивают водосливной

фронт плотины на отдельные отверстия. Они служат: а.) опорами

для затворов, перекрывающих отверстия плотины; б) опорами для

транзитных и служебных мостов; в) на них располагают стацио-

нарные подъемные механизмы затворов (см. ниже раздел 4).

Рис. 3.11. Быки водосливных плотин и схемы их расчета:

а – схема быка в плане; б – виды быков; в – вид плотины с быками; г – расчетная схема плотины; 1, 2 - неразрезной и разрезной быки; 3, 9 - де-

формационные швы; 4 - изгибаемое сечение в расчете поперек потока; 5 -

рабочая зона быка в расчете вдоль потока; 6 - эпюры напряжений в осно-

вании; 7 - плиты в расчете на местную прочность от пролетных нагрузок

при защемлении; 8 - расчетные зоны при оценке прочности вдоль потока.

80

В плотинах с развитыми выступами фундаментной плиты быки

устраивают на всю длину этой плиты (вдоль по потоку): они вы-

полняют роль ребер жесткости, воспринимая главные растягива-

ющие напряжения, которые появляются в них от действия на пло-

тину нагрузок в направлении вдоль потока (см. рис. 3.11, г).

Высота быков должна быть достаточна, чтобы закрепить на нем

поднятый (поднимающийся) затвор.

Толщину и длину быков назначают из условий: а) размещения на

них стационарных подъемных механизмов и опор мостов; б)

устройства в них пазов (ниш) для опорных частей затворов; в)

обеспечения их прочности и устойчивости.

Очертание быков в плане должно быть плавным, чтобы: а) коэф-

фициент расхода отверстия между быками был возможно боль-

шим; б) плавающие тела (лед и др.) не задерживались в отверстии.

Со стороны ВБ у быков есть вертикальное или наклонное ребро,

для размещения мостов с ВБ быки иногда имеют нависающую

консоль. С низовой стороны бык делают обычно с уступом или

наклонным ребром, так как отметку его верха принимают на 1-2 м

выше максимального УНБ. Мосты со стороны НБ размещают на

консолях бычков или специальных эстакадах (см. рис.3.11, б).

Водосбросная плотина делится деформационными швами на сек-

ции шириной 20–25 м, в пределах которых тело водослива и быки

располагаются на одной фундаментной плите. На границе секций

бык разрезается швом на два полубыка (см. рис. 3.11, в).

Устройство пазов в быках осуществляют в случае обычных за-

творов, как показано на рис. 3.12. Пазы 3 сделаны для рабочих за-

творов; пазы: 1 – для ремонтных или аварийных заграждений, под

защитой которых (после откачки воды из пространства А и В меж-

ду заграждениями) выполняют ремонт рабочих затворов и их за-

кладных частей. В случае, когда УНБ располагается ниже гребня

плотины, пазы с низовой стороны рабочих затворов не делают.

Размеры пазов в плане (а, с, т, п) на рис.3.12 определяются разме-

рами опорных частей плоских подъемных затворов.

При эскизном проектировании эти размеры равны: a≈c≈ 0,5–0,6 м,

n ≈ m/2 ≈ 0,7–1,5 м; т ≈ (1/7–1/10)b ≈ 1–3 м, где b – ширина отвер-

стия в свету. Минимальная толщина быка (между пазами рабочих

затворов) d0 должна быть не менее 1,0 м. Обычно d0≈1,2–1,5 м, и

при таком d0 общая толщи- на быка d=d0 +2n≈2,5–4,5 м.

81

Рис. 3.12. Схема очертания быка в плане: 1 – паз ремонтно-аварийного затвора 2; 3 – паз рабочего затвора 4

Как будет показано ниже, деформационные швы разрезают бетон-

ную плотину на секции с шагом 20–25 м, эти же швы разрезают

также бык по его оси MN (см. рис. 3.12) на два полубыка. В этом

случае толщина разрезного быка увеличивается на 0,5–1,0 м. Ми-

нимальная общая толщина неразрезных быков 2,0–2,5 м (рис.3.13).

Толщину t неразрезного быка при плоских затворах можно назна-

чить по графику (рис. 3.14), где H – напор на водосливе.

Рис. 3.13. Схемы неразрезных (а) Рис. 3.14. График для определе-

и разрезных (б) быков ния толщины t неразрезного быка

82

Некоторые типы затворов (например, сегментный затвор) не тре-

буют устройства пазов в быках. В этом случае минимальная общая

толщина быка d снижается иногда до 1,5–2 м. Что касается разме-

ров l1 и l2, то они должны обеспечить удобную работу по ремонту

рабочего затвора (в пространстве A и В), поэтому обычно размеры

l1 и l2 назначают не менее 1,0–1,5 м.

По отношению к гребню водосливной плотины быки располагают

так, чтобы линия опирания затворов совпадала с гребнем плотины.

В связи с этим иногда выдвигают бык в ВБ, что обычно способ-

ствует росту коэффициента расхода водослива.

По боковому очертанию различают следующие типы быков: бык

без уступа (рис. 3.15, а), с одним уступом (рис. 3.15, 6), с двумя

уступами (рис. 3.15, в) и с тремя уступами (рис. 3.15, г).

Рис. 3.15. Типы боковых очертаний быков:

Отметку верха быка в случае плоских колесных затворов назна-

чают такой, чтобы при полностью открытом отверстии верхнее

колесо затвора не вышло из паза. Из этого условия минимально

допустимое возвышение верха бычка над гребнем водослива d3

(см. рис. 3.16) принимают равным:

d3 = h +а ≈ 0,75H + 0,66H ≈ (1,5–2,0)H (3.2) где h – толщина струи на гребне водослива, a – возвышение верхнего ко-

леса затвора над гребнем водослива (см. рис. 3.16).

Схема конструкции быка в случае плоских колесных затворов по-

казана на рис. 3.16. Запас верхней кромки затвора над НПУ обыч-

но принимают d1≈0,2–0,5 м (см. рис. 3.16) в зависимости от высо-

83

ты ветровых волн в ВБ. Ось транзитной дороги 1–1 увязывают (в

плане и по высоте) с гребнем соседней глухой (обычно грунтовой)

плотины. При этом превышение гребня грунтовой плотины над

НПУ (размер d2 на рис. 3.16) определяется из условия наката вол-

ны на верховой откос грунтовой плотины (глава 6 пособия).

Рис. 3.16. Схема быка (вид сбоку):

1 – паз ремонтного затвора; 2 – служебный мост; 3 – затвор; 4 – верхнее

колесо затвора; 5 – транзитный мост; 6 – временный порог; 7 – ригель;

8 – паз временного заграждения; 9 – стойки; 10 – временное заграждение

Минимальная допустимая отметка верха (гребня) быка:

Гр. быка = Гр. пл. + d3 , где Гр. пл – отметка гребня водослива.

На рис. 3.16 также показан временный порог, через который в пе-

риод возведения плотины пропускают строительный расход. Что-

бы в последующем забетонировать часть плотины, расположен-

ную выше временного порога, в пазу 8 создают заграждение, со-

стоящее из элементов 7, 9 и 10. Ремонтный затвор подвешивают в

пазах 1, чтобы он прижимался в точке 6 к телу плотины.

Быки выполняют из железобетона и армируют все углы и пазы.

Головную часть быка выполняют плавнообтекаемой формы в

84

плане (см. рис. 3.13), а в редком случае пропуска ледохода она

обычно имеет заостренную форму (см. рис. 3.12).

В зависимости от конструкции затвора часть быка приходится

поднимать в виде выступа для подвески затвора. На рис. 3.17 при-

ведены схемы верха быка для плоского затвора при постоянных и

подвижных подъемниках.

Рис. 3.17. Схемы очертания верхней части быков (вид сбоку): а – при стационарных подъемниках; б, в – при подвижных кранах;

1 - сплошной выступ; 2 – резной выступ

Поднятый из условий пропуска максимального расхода воды ра-

бочий затвор показан положением Б, поднятый в транспортное по-

ложение - В. Из сравнения рис. 3.17, б, в видно, что срез части вы-

ступа быка (рис. 3.17, в) позволяет уменьшить высоту крана.

3.5.2. Статические расчеты устойчивости и прочности быков

При нескальном основании бык обычно не отрезан от водослив-

ных секций плотины, и в этом случае бык (или полубыки) рассчи-

тывают совместно с этими участками плотины (см. рис. 3.12, в).

Иногда в случае жесткого нескального и во всех случаях скального

основания бык отделяют от водосливных участков плотины двумя

деформационными швами, и бык рассчитывают отдельно на

устойчивость на сдвиг (срез) и прочность (см. рис. 3.12, г).

В расчетах быков рассматривают следующие расчетные случаи:

1) эксплуатационный – рабочие затворы закрыты, в ВБ имеем

НПУ (ФПУ), на бык (полубык) действует гидростатическое давле-

ние ВБ и НБ (W2 и W3), давление W1, передающееся от затвора, бо-

ковое давление воды W4 в деформационном шве от начала быка до

вертикальной шпонки и давление воды со стороны водосливного

85

отверстия W5 (рис. 3.18), учитывается также давление льда на бык.

В этом случае максимальное вертикальное сжимающее напряже-

ние получают в основании низовой части быка, а минимальное

сжатие (растяжение не допускается) – в основании верховой части;

2) строительный – ВБ еще не наполнен, на бык действуют только

вертикальные силы. Максимальные нормальные напряжения в

этом случае будут в верховой части быка;

3) случай ремонта рабочего затвора (самый неблагоприятный):

один пролет плотины перекрыт ремонтным затвором, и на бык

действует боковое давление воды с соседнего пролета (рис. 3.19).

Рис. 3.18. Схема к расчету прочности быка:

а) - вид сбоку, б) - план

Рис. 3.19. Схема расчета быка в случае ремонта:

а - вид с ВБ; б - план

86

При статическом расчете быка необходимо учитывать проти-

водавление, действующее на подошву фундамента быка, а также в

расчетных горизонтальных швах. При рассмотрении 1-го и 3-го

расчетных случаев принимается минимальная возможная верти-

кальная нагрузка на бык. Расчет прочности быка ведут для ряда

его горизонтальных сечений, не допуская в этих швах растягива-

ющих напряжений, за исключением 3-го расчетного случая, когда

допускают раскрытие швов на небольшую глубину.

Устойчивость быков в 1-ом расчетном случае проверяют только

на сдвиг (срез). Проверяют также и местную прочность быков

Расчет прочности быков (полубыков) на боковое давление воды

рекомендуется производить как консольной плиты, заделанной в

фундаментную плиту и связанную между собой горизонтальными

шарнирами. При расчете на опорное давление затворов как кон-

сольных плит, заделанных в фундаментную плиту и связанных

между собой также системой шарниров, можно использовать ме-

тод перекрестных балок.

Весьма значительные нагрузки передаются на бетон через за-

кладные части, на которые опирается затвор. Они могут вызвать

скалывание угла паза, поэтому участок ниже рабочего затвора на

длине около 3-5 глубин паза армируется. Выступ между ава-

рийным затвором и рабочим рассчитывается как короткая консоль.

Из условий напряженного состояния верхняя часть быка может

быть сделана пустотелой, как это осуществлено на ряде гидро-

узлов Волжско-Камского каскада (приложение 1).

Фундаментные плиты низкопороговых плотин рассчитывают на

усилия, полученные из расчета общей прочности ее секции. При

большой неравномерности нагрузок и большой разности в тол-

щине отдельных участков фундаментной плиты применяют при-

ближенные методы расчета: плиту делят на продольные полосы,

работающие самостоятельно и воспринимающие нагрузку, непо-

средственно приходящуюся на них. Внутренние силы распределя-

ют по расчетным полосам пропорционально моментам инерции.

На местную прочность быки и полубыки водосбросных плотин

рассчитывают как консольные плиты, заделанные в фундаментную

плиту или в водослив (в зависимости от наличия температурного

шва между быком и телом водослива). Быки донных водосбросов

рассчитывают на местную прочность как стойки рамы.

87

Прочность быков и полубыков и их армирование проверяют по

усилиям, полученным для водосливных плотин, из расчета на

местный изгиб быков и полубыков; для плотин с глубинными во-

досбросами - из расчета на общий изгиб секции с учетом усилий

от местного изгиба быков и полубыков. В направлении вдоль по-

тока быки работают как балки-стенки, в которых максимальные

сжимающие напряжения от изгиба сконцентрированы посредине,

что позволяет ограничить в расчетах рабочее сечение быка тре-

угольной зоной, имеющей основание на фундаментной плите, а

наклонные отсекающие плоскости под углом 45° к вертикалям,

проходящим по границам быка (см. рис. 3.11, разрез I-I).

В плотинах с донными водосбросными отверстиями или в двухъ-

ярусных плотинах быки или полубыки в пределах донного отвер-

стия или нижнего яруса входят в состав рамных конструкций, и их

прочность определяется при общем расчете рамы.

3.6. Деформационные швы бетонных плотин и их уплотнение

3.6.1. Общие сведения Бетонную плотину на нескальном основании разрезают на отдель-

ные секции шириной 20-25 м постоянными сквозными попереч-

ными деформационными швами. Иногда в этих плотинах на

скальных основаниях дополнительно устраивают несквозные по-

перечные деформационные швы-надрезы, устраиваемые в преде-

лах секции плотины, что позволяет увеличить расстояние между

основными сквозными деформационными швами.

Несквозные деформационные швы-надрезы являются только тем-

пературными швами, сквозные деформационные швы могут быть

температурными и температурно-осадочными.

Различают два вида температурных деформаций бетона плотины:

деформации от внутреннего разогрева (экзотермии) бетона и по-

следующего его остывания (усадочные деформации) и деформа-

ции от колебания наружной температуры воздуха, распространя-

ющиеся внутрь бетона на глубину до 2-5 м.

Кроме того, вследствие неравномерности осадок бетонных плотин,

особенно на нескальных основаниях, в бетоне плотин могут воз-

никнуть растягивающие напряжения и как следствие, трещины.

88

Таким образом, деформационные швы в бетонных плотинах

устраивают с целью недопущения опасных растягивающих напря-

жений и трещин в бетоне от указанных выше деформаций.

При проектировании деформационных швов определяют:

1) расстояние между деформационными швами; 2) расположение

этих швов в плотине; 3) ширину швов; 4) способ уплотнения швов

для предотвращения через них фильтрации воды из ВБ в НБ.

3.6.2. Схемы разрезки плотин деформационными швами

При устройстве деформационных швов в бетонной плотине на не-

скальном основании учитывают следующее:

1) намечая сквозные деформационные швы между быками, по-

лучают условия, когда при деформации основания осадка быка и

соседнего пролета будет различной, в связи с чем форма отвер-

стия, перекрываемого затвором, изменится, что приведет к нару-

шению работы затвора – его уплотнения могут дать течь, а сам за-

твор «заклиниться» в отверстии;

2) принимая сквозные деформационные швы по осям быков

(рис. 3.20) и разрезая их на полубыки, можно не опасаться при

осадках нескального основания изменения формы отверстий, пе-

рекрываемых затворами;

3) в соседних пролетах плотины сдвиговые параметры грунта ос-

нования могут быть разными: φ1≠φ2≠φ3≠φ4, где φ - угол внутренне-

го трения грунта (рис. 3.20, г).

Рис. 3.20. Схемы разрезки бетонной плотины на нескальном осно-

вании (схемы а и в могут применяться на нескальном основании): 1- затвор; 2- деформационные швы; 3- арматура; 4-фундаментная плита

89

Принимая деформационные швы с большим шагом друг от друга,

приходится армировать фундаментную плиту толщиной d для вос-

приятия растягивающих напряжений, а устойчивость плотины на

сдвиг определяют, принимая среднее значение φ. При отказе от

армирования бетона приходится разрезать все пролеты плотины

деформационными швами, и расчет ее на сдвиг выполняют, при-

нимая не среднее, а минимальное значение φ, что увеличивает

объем бетона плотины.

Учитывая вышеизложенное при нескальном основании плотины,

когда возможны большие неравномерности соседних секций пло-

тины, обычно принимают сквозные деформационные швы по осям

всех или отдельных быков (см. рис. 3.20).

Размеры секций плотины следует определять в зависимости от:

- геологического строения и деформируемости основания;

- климатических условий района строительства с учетом обеспече-

ния монолитности бетона секций плотины между швами;

- вида и высоты плотины, размера секции здания ГЭС и располо-

жения в плотине водопропускных отверстий (турбинных водово-

дов и отверстий для пропуска строительных расходов реки);

- методов бетонирования плотины (включая укатанный бетон).

При несвязном основании плотины шаг сквозных деформацион-

ных швов составляет в среднем 20-25 м, при связном – 15-20 м.

Эти размеры уточняют с учетом строительных и эксплуатацион-

ных осадок основания плотины и ее температурных деформаций.

Следует также учитывать возможные условия:

а) деформационный шов приходится устраивать по границе АВ

(рис. 3.21, а) между различными грунтами основания плотины с

разными параметрами деформируемости и в местах перелома про-

филя основания плотины (рис. 3.21, 6);

Рис. 3.21. Расположение деформационного шва на границе разных

грунтов основания (а) и на переломе профиля основания (б): 1 - гребень плотины (бычка); 2 - деформационный шов; 3 - основание

90

б) расположение деформационных швов необходимо увязывать с

геометрией бетонного тела плотины (см. рис. 3.21);

в) иногда устраивают несквозные швы-надрезы на глубину (считая

от порога водослива) не более половины высоты водослива с уста-

новкой под этими швами арматуры (см. рис. 3.20, б).

3.6.3. Конструкции деформационных швов и их уплотнений

Ширину деформационного шва следует назначать на основе сопо-

ставления расчетных данных по ожидаемым деформациям смеж-

ных секций плотин с учетом конструкции шва, деформативных

свойств материала его заполнения и обеспечения независимости

перемещения секций плотины относительно друг друга.

При предварительном проектировании деформационных швов их

расположение и ширину можно принимать согласно рис.3.22. а) б)

Рис. 3.22. Расположение уплотнений постоянных швов низко- (а) и

высоко пороговых (б) бетонных плотин на нескальном основании: 1 - шов, t = 0,5-1 см; 2 - шов, t = 0,1-0,3 см; 3 - шов, t = 1-2 см; 4 - шов, t

5 см; 5, 6, 7 - соответственно вертикальное, горизонтальное и контурное

уплотнения; 9 - смотровая шахта; 10 - смотровая галерея

- температурных - 0,5-1 см на расстоянии не более 5 м от лицевых

граней и гребня, а внутри тела плотины - 0,1-0,3 см;

- температурно-осадочных - 1-2 см в пределах фундаментной пли-

ты плотины и водобоя при любых грунтах основания;

- выше фундаментной плиты плотины - не менее 5 см.

В конструкциях деформационных швов предусматривают:

- уплотнение, обеспечива- ющее его водонепроницаемость;

91

- дренаж для отвода воды, профильтровавшейся через уплотнение

или в его обход;

- устройство смотровых шахт и галерей для наблюдения за состоя-

нием шва и ремонта уплотнения.

Уплотнения (шпонки) деформационных швов подразделяют:

- по расположению в шве: вертикальные, горизонтальные и кон-

турные (см. рис. 3.22 и 3.24);

- по конструкции и материалам: диафрагмы из металла, резины и

полимеров (рис. 3.23, а), шпонки и прокладки из асфальтов (рис.

3.23, б), инъекционные (цементация и битуминизация) (рис.

3.23, в), бетонные и железобетонные плиты (рис. 3.23, г).

Рис. 3.23. Уплотнения деформационных швов бетонных плотин:

а - диафрагмы из металла, резины и полимеров; б - шпонки и прокладки

из асфальтовых материалов; в - инъекционные (цементация и битумиза-

ция) уплотнения; г - брусья и плиты из бетона и железобетона; 1 - метал-

лические листы; 2 - профилированная резина; 3 - асфальтовая мастика; 4 -

железобетонная плита; 5 - скважины для цементации; 6 - цементацион-

ные клапаны; 7 - железобетонный брус; 8 - асфальтовая прокладка

92

Рис. 3.24. Шпонки деформационных швов бетонных плотин: а - расположение уплотнений в деформационном шве между секциями; б,

в, г - схемы вертикальных асфальтовых шпонок соответственно малого,

среднего и большого сечений; д, е - схемы горизонтальных шпонок соот-

ветственно в подошве и фундаментной плите плотины; 1 - шпонка у по-

дошвы; 2 - внутренняя контурная шпонка; 3, 6 - шпонки в узкой и широ-

кой части шва; 4 - наружное контурное уплотнение; 5 - скважины под-

питки; 7 - граница узкого и широкого шва; 8 - ограждающая диафрагма с

компенсатором; 9 - стержень электрообогрева; 10 - изолятор; 11 и 21 -

железобетонные блоки; 12 - просмоленный войлок; 13 - держатель изоля-

тора; 14 - деревянные брусья; 15 - железобетонные плиты; 16 - просмо-

ленная пакля; 17 - анкерная арматура: 18 - доски; 19 - стальной лист; 20 -

битумные маты; 22 - асфальтовая мастика; 23 - асфальтовая штукатурка;

24 - шлаковата, пропитанная битумным раствором (размеры в см)

Конструкции уплотнений швов должны обеспечивать их длитель-

ную многолетнюю водонепроницаемость. Швы-надрезы выпол-

няют с помощью опалубочных плит или нанесением 2-3 слоев ас-

фальтовой штукатурки на бетон. Сквозные швы устраивают вер-

тикальными плоскими, на глинистых грунтах для повышения

93

устойчивости секций их зацепляют друг за друга зубьями-ребрами.

При проектировании конструкций уплотнений деформационных

швов плотин необходимо соблюдать следующие условия:

- материал уплотнения должен непосредственно примыкать к бе-

тону образующих шов секций;

- величина напряжения на контакте асфальтового материала

уплотнения с бетоном в сечении должна быть не менее величины

внешнего гидростатического давления воды в том же сечении;

- средние градиенты напора фильтрации через бетон по контуру

уплотнений шва не должны превышать 25.

При определении среднего градиента напора в уплотнениях швов

плотин общий путь фильтрации следует принимать равным:

- при изменении температуры бетона в швах на (4-6°) С - пути

фильтрации в обход асфальтовых шпонок, металлических и рези-

новых диафрагм с учетом пути фильтрации по длине цементируе-

мых швов между диафрагмами и шпонками;

- при изменении температуры бетона в швах свыше 6°С - только

пути фильтрации в обход асфальтовых шпонок, металлических

или резиновых диафрагм без учета пути фильтрации по длине це-

ментируемых или битуминизированных участков швов.

Уплотнения швов разделяют на вертикальные и горизонтальные,

основные и дополнительные и контурные (см. рис. 3.24).

Размещение основных шпонок относительно напорной грани

определяется минимальной температурой самого холодного меся-

ца: при tт ниже - 20° С это расстояние составляет 1-2 м, при tт вы-

ше - 20° С – 2-2,5 м. Вертикальные швы оборудуют асфальтовыми,

резиновыми или полимерными шпонками. Асфальтовые шпонки

малых размеров (от 15x15 до 30х30 см) устраивают в температур-

ных швах; средние (от 40x40 до 60x60 см) - в швах шириной до 5

см; большие (80x150 см) - в швах шириной 10 см и более.

При проектировании асфальтовых шпонок асфальт (битум) не

должен выжиматься из шпонки наружу через шов и он должен

находиться в контакте с бетоном и тампонировать возможные хо-

ды фильтрации в бетоне в обход металлических диафрагм.

Для заполнения шва обычно применяют битумные маты.

Контурные уплотнения обычно устраивают в месте пересечения

швов с наружной поверхностью плотины. Такие уплотнения (в

виде пробок - деревянных, бетонных, железобетонных и др.) вы-

94

полняют при размещении их у верховой грани плотины (см.

рис. 3.23, г). Устраивают также и внутренние контурные уплотне-

ния по контуру потерн и других помещений в теле плотины.

Вертикальные дренажные устройства располагают с низовой

стороны уплотнения на расстоянии 1,5-2,0 м от него. Дрены дела-

ют круглые диаметром 15-20 см. Смотровые шахты, заменяющие

эти дрены, устраивают сечением не менее 80х80 см.

Примеры горизонтальных сечений уплотнений (шпонок) швов бе-

тонных плотин на нескальном основании даны на рис. 3.25.

Рис. 3.25. Примеры деформационных швов бетонных плотин: 1 - напорная грань; 2 - контурное уплотнение; 3 - заполнение шва; 4 - ре-

зиновая диафрагмы; 5 - дрена; 6 - низовая грань плотины; 7 - асфальтовая

шпонка; 8 - шахта; 9 - потерна; 10 - контурное внутреннее уплотнение

3.7. Устои бетонных водосливных плотин

3.7.1. Типы устоев, их расположение и конструкции

Различают два типа устоев: 1) раздельный устой (рис. 3.26, а, по-

зиции 7 и 8), с помощью которого водосливная часть плотины от-

деляется от глухой бетонной и грунтовой плотин или другого со-

седнего сооружения (здания ГЭС и др.) и 2) сопрягающий устой

(рис. 3.26, а, позиции 1, 2 и 4; рис. 3.28, а, б, позиции 1,3, 4, 7), с

помощью которого водосливная плотина сопрягается с грунтовой

95

плотиной или берегом (сопрягающий береговой устой).

Рис. 3.26. Расположение, очертание и конструкции устоев: а - расположение устоев в плане; б - очертание верховых стенок сопря-

гающих устоев; в - сопряжение стенки-завесы с продольной стенкой

устоя; г, д - продольные стенки устоя соответственно несоединенного и

соединенного с плотиной; е, ж, з, и - схемы конструкций поперечного

сечения верховых и низовых стенок сопрягающих устоев, выполненных в

виде подпорных стенок соответственно массивной, уголковой, контр-

форсной, ячеистой; 1 ,4 - верховые и низовые стенки сопрягающих усто-

ев; 2 - продольная стенка устоя; 3 - шпора-завеса; 5 - ГЭС; 6 - смежные

полубыки; 7, 8 - низовой и верховой участки раздельного устоя: 9 - водо-

сливная бетонная плотина; 10 - битумная шпонка; 11 - стальной шпунт

96

Раздельный устой представляет собой полубык, его отличие от по-

лубыка заключается в том, что его низовая часть удлиняется, что-

бы защитить от подмыва соседнее сооружение, и его грань распо-

лагается выше поверхности струи на водосливе (на 1-1,5 м).

Основное назначение устоев - выполнять те же функции, что вы-

полняют быки в отношении затворов, мостов и подъемных ме-

ханизмов. Поэтому очертание верха устоя (на виде сбоку) оказы-

вается примерно таким же, как и очертание верха быка. Раздель-

ный устой должен также предохранять соседнее сооружение от

подмыва водой, сбрасываемой через плотину, а сопрягающий

устой - обеспечивать надежное противофильтрационное сопряже-

ние водосливной плотины с берегом и грунтовой плотиной и за-

щищать их от подмыва в НБ и ВБ.

Сопрягающие устои состоят из верховой, продольной и низовой

стенок (открылок) и поперечной шпоры-завесы (см. рис.3.26, а,

позиции 1, 3, 4). Верховые стенки формируют поток на подходе к

водосливу и имеют различную форму в плане (см. рис. 3.26, б). В

вертикальной плоскости их выполняют обычно постоянной высо-

ты (высокими) или «ныряющими». Для низкопороговых водо-

сбросных плотин верховые стенки сопрягающих устоев выпол-

няют прямолинейными (располагая их под углом α<25°) или кри-

волинейными, чтобы обеспечить плавный подход потока к край-

ним пролетам водосброса. При устройстве «ныряющих» стенок

необходимо усиливать крепление на откосах грунтовых плотин,

они менее благоприятны с точки зрения обходной фильтрации.

Низовые сопрягающие стенки делают либо в одной плоскости с

продольными, либо с расширением в плане на угол а=6-10°.

Продольную часть устоя обычно объединяют с береговым проле-

том плотины в одну конструкцию (см. рис. 3.26, д). На плотных

гравелисто-песчаных основаниях продольный устой может быть

отделен от плотины деформационным швом (см. рис. 3.26, г).

Часть грунтовой плотины или берега, примыкающую к устою, вы-

полняют с уширенной в плане площадкой для обеспечения произ-

водства ремонтных работ, выезда транспорта и кранов, размеще-

ния хранилища для шандор. Длина этой площадки по фронту пло-

тины равна 1,5-2,5 длины водосливного пролета. Верховые и низо-

вые стенки сопрягающих устоев выполняют в виде подпорных

стенок массивных, уголко- вых, контрфорсных и иногда ячеи-

97

стых (с днищем и без днища) (см. рис. 3.26, е, ж, з, и). Стенки и их

фундаментные плиты разрезают деформационными швами на сек-

ции длиной 20-30 м. Для обеспечения надежного контакта тыло-

вой гранью устоя и грунтом обратной засыпки предусматривают

шпоры-завесы, выполняемые из шпунта или бетона ( рис. 3.26, в).

Раздельные устои (между водосливной плотиной и зданием ГЭС)

включают в себя смежные полубыки 6 плотины и ГЭС, а также ни-

зовой 7 и верховой 8 участки (см. рис. 3.26, а). Длина низового

участка раздельного устоя может быть ограничена длиной водо-

боя и горизонтальной части рисбермы. Полная длина раздельного

устоя устанавливается по результатам модельных гидравлических

исследований и может составить 300-1500 м. При раз-мещении на

устое опор ЛЭП и другого оборудования его ширина может до-

стигнуть (0,17-0,20)В, где В - ширина потока на подходе к зданию

ГЭС. Для улучшения условий обтекания лобовая грань устоя

очерчивается по круговой или эллиптической кривой.

На рис. 3.27 приведен пример устоя, сопрягающего бетонную пло-

тину с земляной. В верховой части устоя устроена обратная стен-

ка; в низовой – откосный открылок. Верховой откос плотины

«вдвинут» в первый пролет бетонной плотины. Центр О1 должен

лежать за пределами подошвы низового откоса земляной плотины.

При проектировании этого устоя следует решить вопрос о сопря-

жении земляной плотины с бетонной и противофильтрационных

устройств земляной плотины с бетонным устоем. В ряде случаев

глинистый понур 10 бетонной плотины приходится располагать

под конусом 11 верхового откоса земляной плотины.

На рис. 3.28 показан пример, когда водосливный фронт бетонной

плотины расположен примерно по линии уреза воды верхового от-

коса земляной плотины. Дорога на гребне земляной плотины име-

ет два небольших поворот, но иногда эту дорогу проектируют

прямолинейной и бычки плотины выдвигают в ВБ.

Уширенный гребень земляной плотины в месте примыкания ее к

бетонной иногда используют для хранения ремонтных загражде-

ний (шандор) водосливных отверстий бетонной плотины.

В проекте устоя учитывают следующие гидравлические условия:

1) боковое сжатие потока и потери напора при истечении через от-

верстия плотины должны быть минимальными; 2) удельный рас-

ход q должен распределяться по ширине водосливного фронта

98

возможно равномернее; 3) плавающие тела (лед и т. п.) должны

свободно пропускаться через отверстия плотины.

Рис. 3.27. Устой, сопрягающий бетонную плотину с земляной

(план, безмасштабная схема):

А–А - ось земляной плотины; Б–Б - ось транзитного моста плотины; 1 -

обратная стенка; 2 - шпунтовый ряд под плотиной; 3 - продольная стенка

устоя с горизонтальным гребнем; 4 - шахта (вход в потерну); 5 - откос-

ный открылок; 6 - откосный открылок с горизонтальным гребнем; 7 -

транзитный мост; 8 - бык; 9 - потерна; 10 - понур; 11 - конус земляной

плотины, «вдвинутый» в пролет; bо - ширина по верху земляной плотины;

b м- ширина моста; b- ширина отверстия плотины; Уг. пов.- угол поворота;

НК - начало кривой оси плоти- ны; r - радиусы; hНБ - глубина НБ

99

Рис. 3.28. Примеры компоновки сопрягающих устоев и открылок: а - открылки, параллельные потоку; б - открылки под углом к потоку; 1, 4

- верховой и низовой открылки; 2 - шпора; 3 - устой; 5 - дренаж за усто-

ем; 6 - раздельная дамба; 7 - низовой раздельный устой между плотиной

и зданием ГЭС (8); 9 - бетонная плотина; 10 - откос земляной плотины; А-

ныряющий верховой открылок; Б - высокий верховой открылок (вариант)

Учитывая вышесказанное, следует стремиться к тому, чтобы при

подходе к отверстиям плотины не возникали водоворотные зоны и

обеспечивалось плавное обтекание стенок устоев и быков.

100

3.7.2. Расчет фильтрации в обход устоя и общей

фильтрационной прочности засыпки пазухи устоя

Расчет безнапорной фильтрации в обход устоя при заданных от-

метках уровней ВБ и НБ и отметки дна русла выполняют с целью:

1) построить кривую депрессии в обход устоя, что необходимо для

расчета устойчивости устоя; 2) определить средний пьезометриче-

ский уклон фильтрации в береге, контролирующий общую филь-

трационную прочность грунта засыпки пазухи устоя.

В этом расчете фильтрации принимают условия плановой филь-

трации, в которой живые сечения потока представляют собой ци-

линдрические поверхности с вертикальными образующими.

На рис. 3.29, б входным живым сечением являются поверхность

откоса и дно ВБ, выходным - поверхность низового откоса и дно

НБ. Линия 1'-2-3-4-5-6', обходящая устой, - кривая депрессии (в

плане). Развернем подземный контур устоя в прямую линию и по-

кажем вертикальное сечение, проведенное по этой линии (рис.

3.29, а). В сечении 1-1 имеем картину, показанную на рис. 3.30, б.

Чтобы определить давление грунтовой воды на стенку устоя, тре-

буется построить кривую депрессии 1'-2-3-4-5-6'.

Рис. 3.29. Схема расчета фильтрации в обход берегового устоя: 1'-2-3-4-5-6' - кривая депрессии в обход устоя; 7 - водосливная плотина; 8

- кривая депрессии; 9 -гребень водослива;---линия тока;—гидроизогипсы

101

Рис. 3.30. Кривая депрессии 1'-6' в обход устоя (а) и профиль про-

дольной стенки (б) с действующими на нее нагрузками

В расчете фильтрации по Форхгеймеру принимаем: 1) живые се-

чения - цилиндрические с вертикальными образующими; 2) водо-

упор - горизонтальный; 3) участок высачивания в НБ исключен.

Далее используем понятие воображаемого флютбета (см. рис.

3.29, б) с тем же подземным контуром 1-2-3-4-5-6, что и заданный

устой, и характеризуемый значением T=∞. Напор Z на воображае-

мом флютбете принимаем равным напору на сооружении; 2) для

воображаемого флютбета по методу ЭГДА строим линии равного

напора и линии тока; 3) найденные таким образом линии равного

напора могут быть приняты за гидроизогипсы.

Пользуясь простыми зависимостями Форхгеймера и исходя из

найденного наименования линий равного напора, можно найти ис-

комое наименование совпадающей с ней гидроизогипсы.

Развивая данный способ расчета, можно получить следующую

формулу для расчета глубины h фильтрационного потока сразу за

продольной стенкой устоя в любой точке т (рис. 3.30, а):

h = [(h1+ h2) hf + h22]

1/2 (3.3)

где h1 и h2 - глубины в ВБ и НБ; hf для точки m определяют из рассмотре-

ния воображаемого флютбета как потерю напора от точки m до НБ; зна-

чение hf для флютбета можно найти по методу коэффициентов сопротив-

ления (раздел 5.4 пособия).

По формуле (3.3) строим кривую депрессии 1-2-3-4-5-6 вокруг

устоя. Рассчитывают основание воображаемого флютбета на филь-

трационную прочность. Если это основание достаточно прочное,

то засыпка пазухи устоя тоже имеет фильтрационную прочность.

3.7.3. К расчету устойчивости и прочности берегового устоя

Бетонные устои рассчитывают как подпорные стенки на давление

грунта обратной засыпки и грунтовых вод (эксплуатационный и

102

строительный расчетные случаи). В обоих расчетных случаях рас-

сматривают 1 погонный метр продольной стенки устоя (рис. 3.30,

6) в сечении, где работа устоя оказывается самой тяжелой. В низ-

копороговой водосбросной плотине (раздел 3.1) самое опасное се-

чение продольной стенки расположено сразу за линией затворов,

где уровень воды в пролете плотины достаточно низкий.

На продольную стенку устоя действуют следующие силы (рис.

3.30, 6): 1) давление Р1 грунтовой воды; 2) давление Р2 взве-

шенного грунта ниже уровня грунтовой воды; 3) давление Р3 сухо-

го грунта выше уровня грунтовой воды; 4) давление Р4 воды со

стороны отверстия плотины, определяемое для самого низкого

уровня воды); 5) противодавление W на подошву устоя; 6) собст-

венный вес G 1 погонного метра бетонной стенки.

Откосные открылки устоев рассчитывают аналогично, стенки, об-

разующие косые плоскости, - как лежачие подпорные стенки. В

месте примыкания обратной стенки к продольной стенке сечение

обратной стенки назначают таким же, как сечение продольной

стенки. В конце обратной стенки, где она врезана в грунт, ее сече-

ние назначают минимальным допустимым по конструктивным со-

ображениям (толщина стенки равна 0,5-1,0 м). Если продольная

стенка короткая и она жестко соединена с обратными стенками, то

весь устой рассчитывают на сдвиг, как одно сооружение.

При нескальном основании часто допускают небольшой сдвиг

устоя на бетонную плотину (на ширину деформационного шва) с

учетом реакции отпора плотины. Ширина подпорной стенки устоя

по низу принимают обычно равной (0,5-0,65)Н, где Н - высота

стенки (значение 0,5 относится к сухому грунта; 0,6 – к мокрому).

3.8. Расчеты устойчивости и прочности водосливных плотин

3.8.1. Основные положения расчета устойчивости плотин

Потеря устойчивости бетонной плотины на нескальном основании

может происходить по контакту подошвы плотины и основания -

плоский сдвиг и по заглубленной поверхности в основании.

Исследованиями было установлено, что если контактные нормаль-

ные напряжения не превосходят критического значения σкр, то

происходит плоский сдвиг; в противном случае - заглубленный.

На рис. 3.31, а показана фундаментная плита плотины (штамп), на

которую действуют вертикальная сила P от собственного веса

103

плотины, вызывающая появление средних нормальных напряже-

ний σ, и горизонтальная сила Q от давления ВБ, вызывающая по-

явление касательных напряжений τ в основании плотины, связан-

ных в предельном состоянии при образовании поверхности сдвига

с нормальными напряжениями законом Кулона (рис. 3.31, б).

Рис. 3.31. Схема сдвига фундамента плотины как штампа: а – силы, действующие на штамп; б – схема кривой сдвига в основании

До тех пор пока σ≤σкр (рис. 3.31, б), максимальные касательные

напряжения будут подчиняться закону Кулона. Когда нормальные

напряжения станут превышать σкр, касательные напряжения

начнут снижаться по сравнению с касательными напряжениями по

закону Кулона, так как по краям штампа начнут развиваться зоны

предельного равновесия (на рис. 3.31, а, - пунктир). Развитие зон

предельного равновесия под действием вертикальной силы будет

нарастать, и при σ=σкр штамп потеряет устойчивость. Зоны пре-

дельного равновесия под штампом сомкнутся, его несущая спо-

собность исчезнет и горизонтальную силу приложить не удастся.

Таким образом, расчет устойчивости бетонной плотины разбива-

ется на два этапа: а) определение критических нормальных напря-

жений; б) выбор метода расчета в зависимости от действительных

нормальных напряжений по отношению к критическим.

Критическое нормальное напряжение σкр приближенно можно

определить по формуле:

σкр = 2,5γвзв tgφ B + 2c(1 + tgφ) (3.4)

где γвзв - плотность взвешенного в воде грунта; В - ширина подошвы пло-

тины; φ, с - параметры прочности грунта основания на сдвиг.

Если σмакс в основании плотины окажется меньше, чем σкр, как это

часто бывает, то в расчете можно принять плоский сдвиг.

104

Ниже рассмотрены более точные условия возникновения плоского

или смешанного (заглубленного) сдвига по СНиП 2.02.02-85.

3.8.2. Расчет устойчивости плотины на плоский сдвиг

Расчет устойчивости плотин (СНиП 2.02.02-85) по схеме плоско-

го сдвига производят для оснований из песчаных, крупнообло-

мочных, твердых и полутвердых глинистых грунтов при условии:

Nb

N

max.

1

0 (3.5)

а для оснований из пластичных, туго- и мягкопластичных глини-

стых грунтов при выполнении, кроме (3.5), следующих условий:

tg tgc

m

1 1

1045 , ; (3.6)

ck e t

a hw

0 0

0

2

14

( ). (3.7)

В формулах (3.5) – (3.7):

max - максимальное нормальное напряжение в угловой точке под по-

дошвой плотины (с низовой стороны); b - размер стороны (ширина) пря-

моугольной подошвы плотины, параллельной сдвигающей силе (без уче-

та длины анкерного понура); 1 - удельный вес грунта основания, прини-

маемый ниже уровня воды с учетом ее взвешивания; N0 - число модели-

рования для плотных песков равно 1, для остальных грунтов - 3. Для всех

грунтов оснований плотин I и II классов N0,обычно уточняют по резуль-

татам экспериментальных исследований методом сдвига штампов в кот-

лованах плотин; tg1 - расчетный коэффициент сдвига, tg 1 = tg 1 +

с1/m , где tg 1 и с1 - расчетный угол внутреннего трения и сцепления;

m - среднее нормальное напряжение по подошве плотины; c0

- коэф-

фициент степени консолидации; k - коэффициент фильтрации; е - коэф-

фициент пористости грунта; t0 - время возведения плотины; а - коэффи-

циент уплотнения грунта; w - плотность воды;

h0 - расчетная толщина консолидируемого слоя, для плотины с шири-

ной подошвы b, на части которой bd расположен дренаж, принята равной:

а) для однослойного основания:

при водоупоре, залегающем на глубине h1 (h1 Нc; где Нc – глу-

105

бина сжимаемого слоя основания, определяемая из условия равен-

ства на его нижней границе вертикальных напряжений от веса

плотины половине вертикальных от собственного веса грунта с

учетом фильтрационного и взвешивающего давления воды ниже

уровня грунтовых вод),

h hb bd

0 1 2

; (3.8)

при залегании в основании дренирующего слоя на глубине h1 (h1

Нc)

hh b bd

0

1

2 2

; (3. 9)

б) для двухслойного основания с толщинами слоев h1 и h2:

при наличии водоупора и при k1 k2 (h1 + h2 Нc)

;2

210

dbbhhh

(3.10)

при наличии дренирующего слоя на глубине h1 + h2 (h1 + h2 Нc)

.22

210

dbbhhh

(3.11)

При расчете устойчивости плотины по схеме плоского сдвига за

расчетную поверхность сдвига следует принимать:

- при плоской подошве плотины – плоскость ее опирания на осно-

вание с обязательной проверкой устойчивости по горизонтальной

плоскости сдвига, проходящей через верховой край подошвы;

- при наличии в подошве плотины верхового и низового зубьев:

при глубине заложения верхового зуба, равной или большей низо-

вого, – плоскость, проходящую через подошву зубьев, а также го-

ризонтальную плоскость, проходящую по подошве верхового зуба;

при глубине заложения низового зуба более глубины заложения

верхового зуба – горизонтальную плоскость, проходящую по по-

дошве верхового зуба (при этом все силы следует относить к ука-

занной плоскости, за исключением пассивного давления грунта со

стороны НБ, которое определяют по всей глубине низового зуба).

При расчете устойчивости плотины по схеме плоского сдвига (без

поворота) при горизонтальной плоскости сдвига R = Rpl и F в

условии 2.1 (глава 2) следует определять по формулам:

106

R Ptg E A c Rpl c p tw g g 1 1

'

, ; (3.12)

F T E Thw a hw tw , , (3.13)

где Rpl - расчетное значение предельного сопротивления при плоском

сдвиге; Р - сумма вертикальных составляющих расчетных нагрузок

(включая противодавление); tgI ,с1 - характеристики грунта по расчет-

ной поверхности сдвига; c' - коэффициент условий работы, учитываю-

щий зависимость реактивного давления грунта с низовой стороны плоти-

ны от ее горизонтального смещения при потере устойчивости, принима-

емый при отсутствии результатов экспериментальных исследований c' =

0,7; E p tw, ,Ea hw, - соответственно расчетные горизонтальные силы пассив-

ного давления грунта с низовой стороны плотины и активного давления

грунта с верховой стороны, определяемые по СНиП II–55–79; при опре-

делении E p tw, ,Ea hw, ниже уровня воды учитывают ее фильтрационное и

взвешивающее действие на грунт; Аg - площадь горизонтальной проекции

подошвы плотины, в пределах которой учитывается сцепление; Rg - гори-

зонтальная составляющая силы сопротивления бетонных и свайных сте-

нок-завес; F - расчетная сдвигающая сила; T Thw tw, , - суммы горизонталь-

ных расчетных значений активных сил, действующих соответственно с

ВБ и НБ, за исключением активного давления грунта.

Различные варианты плоского сдвига показаны на рис. 3.32, а, б, в,

г. Выбор варианта определяется особенностями конструкции пло-

тины и геологией основания. Например, наличие слабой про-

слойки в основании приводит к расчетной схеме на рис. 3.32, г.

Рис. 3.32. Схемы расположения расчетных поверхностей плоского

сдвига в нескальном основании бетонных водосливных плотин: а, в, г - горизонтальные поверхности сдвига; б - наклонная поверхность

107

Коэффициент надежности n в этих случаях можно оценить по

условию прочности на сдвиг Кулона в виде:

n = γlcR /cN =[(V – Wвзв – Wф) tgφ + Eп +cF]γlc /c∑Q , (3.14)

где γlc - коэффициент сочетаний нагрузок и c – коэффициент условий работы

(раздел 2.2.4); R - удерживающие силы; N - сдвигающие силы; V - сумма

сил собственного веса и пригрузки воды (в том числе анкерный понур);

Wвзв и Wф - соответственно взвешивающее и фильтрационное давление на

подошву плотины и анкерный понур; Еп - пассивное давление грунта с

НБ; F - площадь подошвы плотины и анкерного понура; ∑Q - сумма

сдвигающих сил (гидростатическое давление воды с ВБ и НБ, активное

давление Еа грунта с ВБ между соседними деформационными швами); с -

сцепление грунта основания.

В случае наклонной плоскости скольжения все сдвигающие и

удерживающие силы проектируют на плоскость скольжения.

Расчеты по формуле (3.14) обычно выполняют для секции (между

швами 1-1 и 2-2 плотины), определяя все силы на секцию.

3.8.3. Расчет устойчивости плотины на смешанный сдвиг

Расчет устойчивости плотины по схеме смешанного сдвига следует

производить для плотин на однородных основаниях во всех случа-

ях, если не соблюдаются условия (3.5), (3.6) и (3.7). При этом со-

противление основания сдвигу следует принимать равным сумме

сопротивлений на участках плоского сдвига и сдвига с выпором

(см. рис. 3.33). Сила предельного сопротивления при расчете

устойчивости плотины по схеме смешанного сдвига Rcom при по-

ступательной форме сдвига определяется по формуле

R tg c b l blcom m I I ( ) ,lim 2 1 (3.15)

где m , tgI ·и с1 - то же, что в формуле (3.6); b1,b2 - расчетные значения

ширины участков подошвы плотины, на которых происходят сдвиг с вы-

пором и плоский сдвиг; lim - предельное касательное напряжение на

участке сдвига с выпором, определяемое согласно нижеприведенным

указаниям; l - размер стороны прямоугольной подошвы плотины, пер-

пендикулярной сдвигающей силе.

Для определения силы предельного сопротивления на участке

сдвига с выпором Ru применяют метод теории предельного равно-

весия. В случае смешанного сдвига определяется только часть си-

108

лы предельного сопротивления, отвечающая участку сдвига с вы-

пором и равная limb l1 согласно вышеприведенным требованиям.

Величины b1 определяют в зависимости от max (с низовой сторо-

ны) по рис. 3.34. При эксцентриситете еp нормальной силы Р в

сторону НБ в формуле (3.15) вместо b, b1 и b2 принимают b, b1

и

b2 (где b'=b–2еp,

b b

b

b1 1 ), эксцентриситет в ВБ не учитывается.

Рис. 3.33. Схема к расчету несущей способности основания и

устойчивости бетонной плотины при смешанном сдвиге: а-б- зона плоского сдвига; б-в- зона сдвига с выпором; в-г-д- зона выпора

Рис. 3.34. Графики для определения ширины участка подошвы

плотины b1, на котором происходит сдвиг с выпором грунта:

а - для грунтов с коэффициентом сдвига tgI >0,45; б - то же, при

tgI<0,45; flr – среднее нормальное напряжение в подошве плотины,

при котором происходит разрушение основания от одной вертикальной

нагрузки ( flr определяется ниже по рис. 3.35, б; сr IN b 0 ).

По этому методу профиль поверхности скольжения, ограничива-

ющей область предельного состояния грунта основания, принима-

ется в виде двух прямых АВ и DC, соединенных между собой кри-

волинейной вставкой, описываемой уравнением логарифмической

спирали (рис. 3.35, а). Связь между углом наклона к вертикали

равнодействующей внешних сил, равной силе предельного сопро-

109

тивления сдвигу Ru, и ориентировкой треугольника предельного

равновесия определяется углом по формуле:

).sin

sin(arccos

2

1 ©©

I

I

(3.16)

Рис. 3.35. К расчету несущей способности основания и устойчиво-

сти плотины на участке глубинного сдвига: а – расчетная схема; б – график несущей способности основания; I,

II,III – зоны призмы обрушения

При определении Ru сцепление грунта по своему действию прини-

мается тождественным приложению внешней равномерно распре-

деленной нагрузки в виде нормального напряжения nc

tg

I

I

, где

tg I и сI приведены в формулах (3.5)-(3.7). Значение lim для за-

данных значений b b cm I I I1 1,( ), , , ,' (то же, что в формуле 3.15)

определяется следующим образом.

Строится график несущей способности основания lim ( ) f для

всей ширины b или расчетной ширины b ' подошвы плотины

110

(рис. 3.35, б). Построение графика производится по ряду величин

' (от ' =0 до I ©) и соответствующим значениям .

По найденному значению находятся все данные, необходимые

для определения размеров призмы выпора ABCDA. Линия АВ про-

водится по углу , линия ЕВ – по углу 90о I .

Линию ЕС строят по углу 45°- φ1/2 между ней и горизонтальной

поверхностью основания. Профиль ограничивающей поверхности

скольжения для промежуточной зоны II строят по уравнению ло-

гарифмической спирали. Радиус r EC находят по формуле:

r r eotg I

, (3.17)

где r EB0 ;

452

о I.

Линия CD проводится через точку С под углом 45°- φ1/2 к гори-

зонтальной поверхности ED.

После определения очертания призмы обрушения находятся веса

P P P1 2 3, , (с учетом взвешивающего действия воды) отдельных ее

зон I, II, III (при наличии сцепления к силе Р3) прибавляется

нагрузка nED , соответствующая приложенному к поверхности

нормальному напряжению, а при наличии пригрузки интенсивно-

стью q – нагрузка qED и сила Ru по формуле

RP

u

I

1 1cos sin( )

cos( )sin( ),'

(3.18)

где

arctg

Q P P

Ptg Q P P P tg

2 3

1 1 2 3( ); (3.19)

QP

tg tg o I

3

21 45

2

( ) ; (3.20)

arctg

r r

r I

0

0

cos

sin. (3.21)

В случаях, для которых в табл. 3.4 даны коэффициенты несущей

способности N N Nc q , , и коэффициента К, позволяющего

определить длину участка ED на схеме (ED=Кb), Ru определяют:

111

R b N bc N bqNu I I c q 2 , (3.22)

где I Ic b, , – то же, что в формулах (3.5)-(3.7); q – интенсивность рав-

номерной нагрузки на участке ED призмы выпора.

По найденным значениям Ru определяются и lim , используе-

мые для построения графика (см. рис. 3.34, б), по формулам:

R

b bn

u

( )cos ;'

' (3.23)

.sin)(

'

©lim bb

Ru (3.24)

Коэффициенты несущей способности и коэффициент К. Таблица3.4

I Коэффициенты При δ΄ (в долях от φ1)

0 0,1 φ1 0,3 φ1 0,5 φ1 0,7 φ1 0,9 φ1

8° N 0,4089 0,3984 0,3598 0,3037 0,2340 0,1485

Nс 14,643 14,399 13,855 13,218 12,440 11,356

N q 2,0580 2,0237 1,9473 1,8577 1,7484 1,5960

K 1,4346 1,3500 1,1685 0,9649 0,7253 0,4001

10° N 0,5968 0,5742 0,5070 0,4184 0,3145 0,1929

Nс 14,016 13,715 13,052 12,288 11,374 10,133

N q 2,4714 2,4184 2,3014 2,1667 2,0056 1,7866

K 1,5721 1,4760 1,2709 1,0428 0,7775 0,4238

12° N 0,8407 0,8001 0,6914 0,5578 0,4084 0,2417

Nс 13,989 13,617 12,807 11,891 10,818 9,3988

N q 2,9735 2,8945 2,7223 2,5276 2,2995 1,9978

K 1,7244 1,6151 1,3830 1,1273 0,8333 0,4486

14° N 1,1584 1,0903 0,9227 0,7274 0,5182 0,2951

Nс 14,381 13,921 12,930 11,831 10,571 8,9502

N q 3,5857 3,4708 3,2240 2,9500 2,6357 2,2316

K 1,8936 1,7691 1,5061 1,2190 0,8933 0,4747

16° N 1,5732 1,4660 1,2136 0,9340 0,6465 0,3537

Nс 15,118 14,547 13,335 12,016 10,536 8,6856

N q 4,3351 4,1713 3,8236 3,4458 3,0210 2,4905

K 2,0821 1,9400 1,6415 1,3189 0,9577 0,5023

18° N 2,1179 1,9527 1,5809 1,1867 0,7971 0,4181

Nс 16,182 15,471 13,985 12,398 10,660 8,5492

N q 5,2577 5,0269 4,5440 4,0285 3,4635 2,7778

K 2,2930 2,1304 1,7910 1,4281 1,0270 0,5314

112

Продолжение табл. 3.4

I Коэффи-

циенты При ' (в долях от I )

0 0,1I 0,3I 0,5I 0,7I 0,9I

20° N 2,8368 2,5872 2,0465 1,4965 0,9740 0,4889

Nс 17,583 16,697 14,870 12,959 10,915 8,5081

N q 6,3996 6,0772 5,4122 4,7169 3,9728 3,0967

K 2,5297 2,3432 1,9566 1,5475 1,1019 0,5621

22° N 3,7915 3,4188 2,6395 1,8779 1,1826 0,5669

Nс 19,358 18,250 15,998 13,693 11,287 8,5420

N q 7,8211 7,3733 6,4634 5,5323 4,5602 3,4512

K 2,7966 2,5821 2,1405 1,6787 1,1829 0,5947

24° N 5,0700 4,5173 3,3998 2,3499 1,4293 0,6530

Nс 21,570 20,178 17,392 14,605 11,769 8,6381

N q 9,6036 8,9836 7,7435 6,5026 5,2401 3,8459

K 3,0989 2,8514 2,3457 1,8232 1,2707 0,6292

28° N 9,1494 7,9429 5,6548 3,6709 2,0720 0,8541

Nс 27,684 25,465 21,141 17,029 13,069 8,9870

N q 14,720 13,535 11,241 9,0545 6,9490 4,7785

K 3,8366 3,5035 2,8341 2,1600 1,4705 0,7051

32° N 16,922 14,264 9,5362 5,7696 2,9966 1,1034

Nс 37,092 33,435 26,616 20,454 14,868 9,5222

N q 23,178 20,893 16,632 12,781 9,2906 5,9502

K 4,8143 4,3581 3,4583 2,5784 1,7099 0,7917

36° N 32,530 26,507 16,492 9,2122 4,3588 1,4170

Nс 51,963 45,776 34,706 25,281 17,290 10,240

N q 37,754 33,258 25,215 18,367 12,562 7,4400

K 6,1443 5,5062 4,2738 3,1074 2,0011 0,8915

40° N 66,014 51,714 29,605 15,093 6,4272 1,8186

Nс 76,506 65,611 47,007 32,200 20,552 11,159

N q 64,196 55,054 39,444 27,019 17,245 9,3633

K 8,0121 7,0952 5,3673 3,7916 2,3617 1,0080

45° N 177,62 131,12 66,272 29,516 10,783 2,5025

Nс 134,88 111,08 73,119 45,728 26,385 12,652

N q 134,88 111,08 73,119 45,729 26,385 12,652

K 11,614 10,101 7,3504 4,9747 2,9514 1,1848

113

3.8.4. Расчеты прочности водосливных бетонных плотин

3.8.4.1. Расчет контактных напряжений в подошве плотины

Расчеты прочности этих плотин, их оснований и отдельных эле-

ментов производят для наиболее неблагоприятных расчетных

случаев эксплуатационного и строительного периодов с учетом

последовательности возведения и нагружения плотины. Наиболее

эффективным для решения данных задач является метод конеч-

ных элементов (МКЭ), позволяющий учесть множество факторов,

отражающих свойства грунтовых оснований. В инженерных рас-

четах часто используют более доступные приближенные методы.

Расчет нормальных контактных напряжений производят по фор-

мулам внецентренного сжатия и методу "экспериментальных

эпюр" (эпюр, полученных по модельным исследованиям) для не-

связных грунтов с относительной плотностью /D≤0,5; для связных

или несвязных грунтов с относительной плотностью /D>0,5 - по

формулам внецентренного сжатия и по методу теории упругости.

При раздельном возведении быков, устоев и фундаментной плиты

плотины на песчаном основании эпюра контактных напряжений

определяется суммированием контактных напряжений для строи-

тельного периода под каждым элементом сооружения и напряже-

ний, полученных в результате приложения дополнительных

нагрузок эксплуатационного периода после омоноличивания со-

оружения. В случае глинистых оснований напряжения определя-

ют аналогично, но с учетом их перераспределения во времени

вследствие консолидации глинистого основания.

При расчете нормальных контактных напряжений методом сопро-

тивления материалов напряжения, МПа, в угловых точках фунда-

ментной плиты секции плотины определяют по формуле:

,,,, i

y

y

i

x

x

DCBAW

M

W

M

A

N (3.23)

где N – нормальная сила (с учетом противодавления), МН; А – площадь

подошвы секции плотины, м2; Мx, My – изгибающие моменты относи-

тельно главных осей инерции подошвы плотины, МНм; Wx, Wy - момен-

ты сопротивления подошвы плотины для соответствующих угловых то-

чек А, В, С и D относительно главных осей инерции, м3.

114

При предварительном проектировании вместо секции плотины до-

пускается рассматривать 1 погонный метр ее длины (задача плос-

кой деформации) и проводить расчет нормальных контактных

напряжений по формуле внецентренного сжатия:

σ = - N/F ± M/W , (3.24) где N – сумма вертикальных сил; F – площадь подошвы плотины (F = 1b,

где b - ширина подошвы плотины); M – сумма моментов всех сил относи-

тельно центра тяжести подошвы (ее середины, если она плоская); W –

момент сопротивления подошвы, W = 1b2/6).

Схемы нагрузок, действующих на водосливную плотину (на при-

мере Волгоградской ГЭС) в нормальном эксплуатационном и экс-

тремальном (паводковом) случаях, показаны на рис. 3.36 (а, б).

Рис. 3.36. Схемы нагрузок на водосливную плотину (Волгоград-

ской ГЭС) в нормальном эксплуатационном (а) и экстремальном

115

паводковом (б) случаях расчетов устойчивости и прочности: 1 - эпюра взвешивания; 2 и 3 - эпюры фильтрационного давления на от-

метках -7,65 и -9,0 м; 4 - эпюра напряжений в основании (цифры в тс/м2)

В расчетах прочности секции плотины часто используют обе эпю-

ры контактных напряжений, полученные по формуле внецентрен-

ного сжатия и методу "экспериментальных эпюр" или теории

упругости как для балки на упругом основании. При этом может

быть получена большая разница результатов (см. рис. 3.37, а).

Обычно если изгибающие моменты, вычисленные по каждой из

указанных эпюр, имеют разные знаки, то расчет прочности ведет-

ся по обоим моментам, но с уменьшением каждого из них на 10 %

суммы их абсолютных значений. При одинаковых знаках изгиба-

ющих моментов расчет ведется по большему значению с умень-

шением его на 10 % разности моментов. Такой подход объясняет-

ся тем, что действительные контактные напряжения в натурных

условиях отличаются от напряжений, полученных элементарным

методом и методом теории упругости, хотя ближе они к первым.

Предварительные расчеты прочности плотин I-II классов и плотин

III-IV классов во всех случаях допускается производить прибли-

женно, рассматривая их работу раздельно в поперечном (вдоль по-

тока) и в продольном (поперек потока) направлениях в соответ-

ствии с требованиями пп. 6.52-6.53 СНиП 2.06.06-85 [3].

3.8.4.2. Расчеты общей прочности бетонных плотин

Расчеты общей прочности секций плотин I и II классов проводят,

как для пространственных конструкций, совместно с упругим ос-

нованием методами строительной механики или теории упругости.

Однако наиболее точное решение можно получить только с помо-

щью МКЭ, используемого в современных программах.

Расчеты прочности плотин III и IV классов, а также предвари-

тельные расчеты плотин I и II классов выполняют упрощенными

методами строительной механики. При этом раздельно рассмат-

ривают работу секции в поперечном (вдоль потока) и продольном

(поперек потока) направлениях.

Расчет общей прочности плотины в поперечном направлении сле-

дует производить:

- водосливной плотины – как ребристой конструкции, ребрами

жесткости которой являются быки и полубыки;

116

- двухъярусной плотины и плотины с глубинными водосбросами -

как конструкции коробчатого вида.

В расчетное сечение вводят только часть быков и полубыков по

высоте. Можно ограничивать расчетную высоту быков и полубы-

ков наклонными плоскостями, проходящими под углом 45° к гори-

зонтали через крайние точки фундаментной плиты (рис. 3.37, а, б).

Аналогично ограничивают высоту расчетного сечения водослива.

В зависимости от особенностей конструкции секции плотины мо-

гут быть предложены различные расчетные схемы и приближен-

ные методы их расчета. В качестве примера рассмотрим расчет

фундаментной плиты для двухпролетной секции. Секция плотины

(рис. 3.37) рассматривается как абсолютно жесткое тело по отно-

шению к грунту основания. Кроме общего изгиба, в фун-

даментной плите возникает местный изгиб на площадях S1 и S2.

Рис. 3.37. Расчет прочности плотины в поперечном направлении: а - поперечный разрез секции; б - продольный разрез секции; в - эпюры

напряжений в сечении Б-Б при общем I, местном II и суммарном III из-

гибах; г - горизонтальное сечение 0-0; 1 - эпюра контактных напряжений

по теории упругости; 2 - то же по формуле внецентренного сжатия

117

Расчет фундаментной плиты на местный изгиб можно выполнить

как для плит, опертых по трем сторонам и имеющих свободный

край со стороны ВБ и НБ. В качестве действующих нагрузок учи-

тывают: собственный вес, реакцию основания, пригрузку воды,

фильтрационное и взвешивающие давления снизу.

Один из методов решения этой задачи - метод перекрестных ба-

лок. Плита условно делится на продольные балки, жестко заде-

ланные в промежуточный бык и свободно опертые в примыканиях

к полубыкам (см. рис. 3.37, г). При этом выполняется равенство

прогибов продольных балок с прогибами центральной поперечной

консоли I-I в точках их пересечения. По данным расчета строят

эпюры суммарных напряжений, складывающиеся из напряжений

при изгибе секции как единой конструкции и местном изгибе.

Расчет общей прочности секции плотины в продольном направле-

нии следует производить:

- водосливной плотины - как балки на упругом основании;

- двухъярусной плотины и плотины с глубинными водосбросами -

как рамной конструкции на упругом основании.

3.8.4.3. Расчет прочности анкерного железобетонного понура

Устройство анкерного понура позволяет повысить устойчивость

плотины и выравнивать эпюру контактных напряжений под пло-

тиной. Обычно анкерные понуры (см. раздел 5.3) применяют при

строительстве плотины на глинистом основании, так как низкий

коэффициент трения бетона по этому основанию приводит к необ-

ходимости строительства плотины распластанного профиля и ее

удорожанию. Анкерный понур включает в работу на трение раз-

ницу между пригрузкой воды Wпр понура и фильтрационным дав-

лением Wф под ним, которая тем больше, чем больше длина пону-

ра l и заглубление S входного стального шпунта или бетонной

стенки-завесы (см. рис. 3.38). Схема расчета устойчивости секции

плотины с анкерным понуром и его конструкция даны на рис. 3.37.

Усилие cдвига, воспринимаемое 1 погонным метром ширины сек-

ции анкерного понура (см. рис. 3.38), определяется по формуле:

Ra = (Wпр – Wф)tgφ + cl . (3.25)

Сила Ra входит в числитель формулы (3.14), что повышает коэф-

фициент надежности плотины на плоский сдвиг.

118

Анкерный понур применяли также при строительстве плотин на

илисто-песчаном основании, что позволило уменьшить объем бе-

тона в плотине благодаря устройству полостей и выравнивать

эпюру контактных напряжений (см. рис. 3.36 и 3.1, е, ж).

Распределение полной горизонтальной сдвигающей силы между

анкерным понуром и плотиной независимо от вида грунта основа-

ния следует определять с учетом упругой деформации грунта в их

основании и растяжения арматуры понура по методу коэффициен-

та сдвига и упругого слоя конечной глубины.

Метод коэффициента сдвига применим для определения усилия,

воспринимаемого анкерным понуром, в случаях, когда на протя-

жении всей длины понура отсутствует состояние предельного рав-

новесия, т.е. соблюдается условие:

тах < lim = Риа tg + c, (3.26) где тах - наибольшее касательное напряжение под понуром, МПа; lim -

касательное напряжение под понуром при предельном состоянии, МПа;

Риа - вертикальное давление на понур, МПа; , с - расчетные значения уг-

ла внутреннего трения, град, и сцепления грунта основания, МПа.

Рис. 3.38. Схема к расчету сил, действующих на анкерный понур: A - анкерный понур; B - плотина; D - дренаж; S - шпунт; G - вес понура

В расчетах допускается принимать тах = 0,8 lim.

По методу коэффициента сдвига горизонтальную силу, МН, вос-

принимаемую секцией понура, в зависимости от характера распре-

деления площади сечения арматуры по длине понура следует

определять по следующим формулам при распределении:

119

по треугольнику: ,

)2(

)2(1

1

0,1

a

a

x

x

ua

lI

lI

K

Kb

QQ

(3.27)

по прямоугольнику: Qua = ,

)(1,1

a

x

xlcth

K

Kb

Q

(3.28)

по трапеции: Qua = Qua + (Qua - Qua)Asl / As

i (3.29)

где Q – полная сдвигающая сила, действующая на секцию плотины, МН;

Kx, K1,x – коэффициенты постели при сдвиге для грунтов основания соот-

ветственно понура и плотины, МН/м3; lа, b – соответственно длина пону-

ра и ширина подошвы плотины, м; I0, I1 – бесселевы функции чисто мни-

мого аргумента; Asl , As

i – площадь сечения арматуры соответственно в

конце и в начале (в месте примыкания к плотине) понура, м2;

– величина, характеризующая упругость понура и его основания:

,i

ss

dax

AE

bK (3.30)

где Еs – модуль упругости арматуры, МПа, (по СНиП II-56-77);

bda - ширина расчетного участка понура (длина секции плотины).

Коэффициент постели при сдвиге, МН/м3, определяется как:

Кх = Кy v

v

1

1, (3.31)

где Ку - коэффициент постели при сжатии, МН/м3; v - коэффициент Пуас-

сона грунта; - коэффициент, зависящий от отношения стороны подош-

вы фундамента (понура или плотины) в направлении действия сдвигаю-

щей силы (la или b) к длине секции плотины la, ( табл. 3.5).

Таблица 3.5 Отношение сторон фундамента Коэффициент

0,10 0,73

0,20 0,68

0,50 0,59

1,0 0,50

2,0 0,41

3,0 0,37

5,0 0,32

10 0,27

Горизонтальную силу, воспринимаемой понуром, учитывают в расчете

устойчивости плотины на сдвиг (силы предельного сопротивления).

120

Глава 4. Крепление НБ водосливных бетонных плотин

4.1. Общие вопросы проектирования крепления НБ

Креплением НБ называют специальные конструктивные эле-

менты водосбросных сооружений (плотин, открытых и закрытых

водосбросов, водосбросных зданий ГЭС и др.), которые предохра-

няют дно водотока от его механического разрушения в зоне гаше-

ния избыточной кинетической энергии потока и обеспечивают

безопасное сопряжение бьефов с помощью специальных гасителей

энергии потока. При их проектировании решаются следующие

взаимосвязанные задачи: расчет параметров гидравлического ре-

жима сопряжения бьефов, прогноз параметров взаимодействия по-

тока с отдельными частями крепления НБ для оценки их устойчи-

вости и прочности, прогноз общих и местных деформаций (размы-

вов) речного дна в НБ водосбросов.

Гидравлические режимы сопряжения бьефов. Строительство

гидроузла вызывает необходимость учета двух основных факто-

ров: значительного сужения водосбросного фронта гидроузла по

сравнению с бытовым руслом реки и наличия огромной избыточ-

ной кинетической энергии потока, пропускаемого через отверстия

водосбросов плотины.

В современном гидротехническом строительстве применяют

следующие основные схемы гашения избыточной энергии потока:

∙ одной из форм гидравлического прыжка (рис. 4.1, а, б);

∙ отбросом или свободным падением потока, энергия которого

гасится в толще НБ или в воронке размыва (рис. 4.1, в, г);

∙ соударением струй в водяной или воздушной среде;

∙ гасителями непосредственно на водосливной грани плотин и

водосбросов (рис. 4.1, д) и на начальном участке крепления НБ;

∙ комбинацией двух-трех перечисленных схем гашения.

Каждой из перечисленных схем гашения соответствует опреде-

ленный режим сопряжения бьефов. При гашении одной из форм

гидравлического прыжка возможны два режима, различающихся

относительным расположением в вертикальной плоскости тран-

зитной части потока: донный - при устойчивом нахождении тран-

зитной струи у дна и поверхностный, когда транзитная струя рас-

полагается на поверхности потока или вблизи нее.

121

Рис. 4.1. Схемы гашения избыточной энергии потока:

а - донным гидравлическим прыжком; б - одной из форм поверхностного

гидравлического прыжка; в, г - отбросом струи; д - на водосливе с пир-

сами в шахматном порядке; 1, 2 - эпюры скоростей (без и с гасителем)

Крепления НБ, плавно сопрягающие водосливные оголовки бе-

тонных плотин с дном НБ, в зависимости от сбрасываемого расхо-

да и параметров до и после участка сопряжения могут работать

при четырех режимах: трех донных (соответственно с отогнанным,

предельным или затопленным прыжком) и поверхностным.

При устройстве носка-уступа водослива в зависимости от его

высоты, уровня НБ, сбрасываемого расхода и параметров потока

до и после участка сопряжения в НБ возможны донные и поверх-

ностные режимы. Их последовательная смена проходит через че-

тыре «критических режима».

К наиболее распространенным схемам гашения относится со-

пряжение бьефов при донном режиме. Его недостатки: значитель-

ные донные скорости, медленно затухающие по длине, приводя-

122

щие к размывам; вращение в вальце прыжка плавающих тел

(включая лед), могущих повредить поверхности сооружения. При-

менение поверхностного режима сопряжения позволяет заметно

облегчить крепление НБ и создать благоприятные условия для

сброса льда. Этот режим рационален в тех случаях, когда он может

быть создан без значительного заглубления отметок крепления и

подошвы плотины. К недостаткам этого режима, значительно

ограничивающих его применение, относятся: неустойчивость гра-

ниц существования его различных форм, невозможность его со-

здания при малой высоте носка-уступа, неизбежность сильных ко-

лебаний уровня НБ и необходимость больших глубин НБ.

Если глубина НБ значительно меньше второй сопряженной

глубины (или меньше глубины, определяющей нижнюю границу

поверхностного режима) и одновременно концевая часть водо-

сбросного сооружения располагается на скальном основании с вы-

сокой устойчивостью против размыва, целесообразно применять

схему сопряжения с отбросом струи с носка-трамплина (см. рис.

4.1, в, г). При гашении энергии потока по этой схеме постепенный

подъем уровня НБ до отметок носка-трамплина приводит к воз-

никновению одного из видов поверхностного режима. Основное

достоинство этой схемы - устойчивый и гидравлически ясный ре-

жим сопряжения. К ее недостаткам относятся: нестабильный ха-

рактер течения в НБ в начале эксплуатации; необходимость

устройства ямы размыва заранее до ее полного формирования; до-

статочно высокая неравномерность распределения удельных рас-

ходов по ширине НБ; сложность размещения носка-трамплина на

низовой грани плотины (особенно, если это арочная плотина);

опасность нарушения устойчивости крутых береговых склонов

вследствие образования глубокой воронки размыва (особенно в

каньонах); трудности эксплуатации трансформаторов ГЭС вслед-

ствие разбрызгивания потока и образования водяной пыли.

Интенсификация процесса гашения и улучшение режима со-

пряжения бьефов с благоприятным перераспределением скоростей

достигаются специальными конструктивными мерами: примене-

нием гасителей энергии и расщепителей потока, пирсов-гасителей,

искусственной шероховатости на водосливных гранях, устрой-

ством энергогасящих диффузоров, камер гашения и устройств для

соударений струй внутри транзитной части водосбросного со-

123

оружения; увеличением ширины сечения потока и уменьшением

удельных расходов в начале участка сопряжения и др.

Для выбора схемы сопряжения бьефов можно использовать

рис. 4.2, на котором даны области применения главных схем со-

пряжения бьефов с учетом мощности сбрасываемого потока N

(МВт) и относительной ширины створа L/h, где L и h - длина пло-

тины по гребню и ее высота. Мощность N= 0,0098QHр, где Q -

расчетный расход водосброса, м3/с; Нр - перепад между уровнями

ВБ и НБ при пропуске максимального паводка, м.

Рис. 4.2. Области применения основных схем сопряжения бьефов:

I - гашение отбросом струи в НБ; II - гашение в колодце од-

ной из форм прыжка

Особенности плановой картины движения потока в НБ. Как

правило, движение сбрасываемого потока в НБ сопровождается

его резким расширением в плане. Параметры этого расширения

обусловлены очертанием берегов и расположением водосбросного

сооружения относительно русла реки. Резкое расширение сопро-

вождается отрывом потока от стенок сооружения и возникновени-

ем водоворотных зон (см. рис. 4.3), что приводит к разделению по-

тока на транзитную часть, в которой перемещается основная масса

воды, и нетранзитную - водовороты. Движение транзитной части

возможно в двух формах: в виде плавно расширяющегося в плане

потока, соответствующего его режиму, в виде «сбойного» течения,

124

характеризуемого постоянным изменением направления (сбойно-

стью) почти не расширяющегося потока. Границы транзитной ча-

сти и параметры водоворотов устанавливают специальным гид-

равлическим расчетом. Возникновение сбойности ухудшает усло-

вия сопряжения бьефов и создает неблагоприятную картину тече-

ния потока. Различают следующие две формы сбойных течений

(рис. 4.3, б): в виде резкого изменения направления потока после

выхода его в широкий НБ (b/B≤ 0,8) и в виде сжатия потока, вызы-

ваемого боковым натеканием воды из окружающих водоворотов.

Рис. 4.3. Cхемы течения потока в симметричном НБ при сбросе

паводка через все отверстия водосбросной плотины: а - симметричное растекание транзитного потока; б - сбойное течение;

1 - границы транзитного потока; 2 - водоворотная зона

4.2. Общие сведения о креплении НБ водосбросных

бетонных плотин

В НБ при пропуске воды через плотину возникает высокоско-

ростной поток, который, обладая повышенной кинетической энер-

гией, имеет большую размывающую способность.

В случае даже низкопороговой плотины на нескальном основа-

нии, не защищенном каким-либо креплением, непосредственно за

плотиной может образоваться глубокая воронка размыва глуби-

ной, достигающей (2-3)Н, где Н - напор на пороге водослива. При

высокопороговой плотине глубина размыва дна русла и берегов

возрастает, что может вызвать подмыв и разрушение плотины.

Поэтому русло НБ сразу за плотиной покрывают специальным

бетонным креплением, часто с его углублением. Чтобы снизить

стоимость работ по креплению и углублению русла за плотиной, в

пределах НБ часто устраивают различные гасители энергии, с по-

мощью которых снижают кинетическую энергию потока и его

125

размывающую способность.

При проектировании крепления НБ водосбросных бетонных

плотин на нескальном основании используют различные методы

расчета и лабораторные гидравлические исследования, позволяю-

щие установить оптимальные формы и размеры крепления НБ.

При проектировании крепления НБ следует учитывать влияние

следующих условий сброса воды в НБ.

1. Условия сброса воды в НБ. Сброс паводка в НБ производят

при определенных правилах открытия затворов, перекрывающих

водосливные и донные отверстия водосбросной бетонной плоти-

ны, что должно предотвратить образование в НБ сбойных течений

и водоворотных зон.

Из курса «Гидравлики» известно, что условия сопряжения бье-

фов сильно зависят от уровня НБ, который, в свою очередь, зави-

сит от расходов воды, пропускаемой не только через водосброс-

ную плотину, но и через водосбросы и турбины здания ГЭС и до-

полнительные водосбросные сооружения гидроузла. Таким обра-

зом, условия сопряжения бьефов зависят от условий работ ГЭС и

других водосбросов.

Поэтому водосливной фронт плотины рассчитывают на основ-

ной расчетный паводковый расход Qрасч (раздел 2.3), а НБ непо-

средственно за плотиной рассчитывают на этот расход, но с уче-

том повышения уровня НБ вследствие сброса остальной (меньшей

части паводка) через отдельно расположенные здание ГЭС и до-

полнительные водосбросы.

На сброс воды в НБ влияет также тип затворов водосбросной

плотины: стационарные (быстро действующие) или подвижные

(медленно действующие) и их подъемно-опускные механизмы. В

СНиП 33-01-2003 [1] введено новое положение пропуска расчет-

ного паводка при количестве водосбросных отверстий более ше-

сти, когда из расчета исключают одно отверстие из-за возможного

отказа открытия затвора.

2. Пространственные условия движения воды в НБ. НБ

имеет большую ширину, чем водосливной фронт плотины. В связи

с этим в НБ возникают пространственные условия движения воды:

растекание потока в плане или его сбойность. При сбойности воз-

никает местный рост удельного расхода воды, что сильно повыша-

ет размывающую способность потока. Пространственные условия

126

приводят к появлению в НБ косых волн и косых гидравлических

прыжков, которые нельзя рассчитать заранее.

3. Деформация русла НБ. В ряде случаев оказывается эконо-

мически рационально не доводить при строительстве русло НБ до

его окончательного проектного очертания (например, не устраи-

вать ковш в конце крепления). Предполагается, что окончательную

форму русло получит за счет размыва его потоком при начальной

эксплуатации плотины. При таком проектировании крепления НБ

следует достоверно прогнозировать деформации (размывы) русла

во времени, что очень трудно. В настоящее время перечисленные

выше факторы не могут быть полностью учтены расчетами и по-

этому при проектировании крепления НБ получают предваритель-

ное решение, которое для сооружения I класса необходимо прове-

рить исследованием гидравлической модели плотины.

В отношении размыва грунта в НБ различают: 1) опасный

местный размыв дна НБ за плотиной, когда воронка размыва до-

статочно глубока и близко расположена к плотине, в связи с чем

последняя может оказаться подмытой и разрушиться; 2) безопас-

ный местный размыв за плотиной, когда воронка размыва после ее

стабилизации приобретает размеры, при которых можно не опа-

саться разрушения плотины. В практике проектирования плотин

часто идут на небольшой безопасный размыв в НБ.

4.3. Основные элементы крепления НБ

В водосбросных гравитационных бетонных плотинах на не-

скальном основании, как правило, устраивают только гладкое со-

пряжение водослива с дном НБ (донный режим сопряжения бье-

фов). В НБ этих плотин всегда устраивают крепление дна русла на

определенную длину. Как правило, это крепление состоит из двух

частей: 1) водобоя, представляющего собой армированную бетон-

ную плиту примерно такой длины, чтобы в пределах ее мог поме-

ститься затопленный гидравлический прыжок за плотиной; 2)

рисбермы, располагаемой за водобоем в пределах послепрыжково-

го участка и выполняемой из бетонных плит, каменной наброски и

т.п. В конце рисбермы часто сооружают концевое устройство в

виде ковша или другого устройства (см. рис. 4.4).

Как было отмечено, водобой и рисберма (см. рис. 4.4) отлича-

ются друг от друга конструктивно, но иногда крепление НБ под-

127

разделяют на водобой и рисберму условно, когда между ними нет

конструктивного различия.

В низкопороговых водосбросных плотинах устраивают донные

отверстия с порогом, расположенным на уровне дна русла. В этих

плотинах остается только его фундамент, который конструктивно

объединяют с водобоем и получают бетонную плиту, называемую

флютбетом (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Главные элементы водосливной плотины и крепления НБ: 1 - понур; 2 - плотина; 3 - водобой; 4 - рисберма; 5 - концевое устройство

рисбермы; 6 - воронка размыва; 7 - послепрыжковый участок; 8 - затоп-

ленный прыжок; 9 - эпюра гидродинамического давления на водобой и

рисберму; 10 - эпюра противодавления на водобой; D0 - дефицит давле-

ния

Рис. 4.5. Главные элементы водосбросной плотины в виде

флютбета: 1 - понур; 2 - затвор; 3 - бык; 4 - флютбет; 5 - рисберма; 6 - шпунт

В водосбросной плотине, запроектированной согласно рис. 4.4,

за концевым устройством рисбермы обычно образуется воронка

размыва глубиной hp=f(L), причем с уменьшением длины крепле-

ния L значение hp возрастает (см. рис. 4.6). Теоретически при L→∞

получим hp=0. Пренебрегая небольшой величиной hp, можно вве-

сти понятие предельной длины крепления Lnpед. Опыт проектирова-

ния и строительства водосбросных плотин показывает, что устрой-

ство крепления длиной L<Lnpед обычно дает заметный экономиче-

128

ский эффект, так как при этом необходимо только сооружать кон-

цевое устройство на определенную глубину, немного большую

глубины воронки размыва, отвечающей данной длине L. Поэтому

оптимальную длину крепления L определяют технико-экономичес-

ким сравнением стоимости креплений разной длины с учетом того,

что короткие крепления требуют глубоких концевых устройств.

Рис. 4.6. Зависимость глубины воронки размыва hр от длины

крепления НБ L: 1 - крепление НБ (водобой и рисберма); 2 - концевая часть рисбермы

Таким образом, крепление НБ следует рассматривать как

устройство, позволяющее удалить воронку размыва от плотины и

снизить ее глубину.

4.4. Проектирование крепления НБ

Кроме предотвращения размывов в НБ крепление должно так-

же отвечать следующим требованиям: 1) не разрушаться потоком

воды; 2) не разрушаться льдом и плавающими телами; 3) не нару-

шать режим движения воды в НБ так, чтобы при этом возникали

какие-либо затруднения в период, например, судоходства. Глав-

ным требованием является первое из трех указанных. Второе тре-

бование часто не учитывают, поскольку лед редко сбрасывают в

НБ. В части третьего требования отметим, что режим движения

воды в НБ рассматривают с учетом не только крепления, но в ос-

новном и влияния на него компоновки гидроузла в целом.

При проектировании крепления НБ решают две задачи: 1) гид-

равлическая - определение геометрии главных элементов крепле-

ния и нагрузок от потока воды на эти элементы; 2) конструктивная

129

- разработка конструкции крепления, обеспечивающей его устой-

чивость и прочность.

В креплении НБ используют два типа гасителей энергии воды:

простые гасители, поддающиеся гидравлическому расчету (водо-

бойные стенки и колодцы), и специальные гасители, не поддаю-

щиеся расчету.

При рассмотрении вопросов сопряжения бьефов различают два

типа сопряжения падающего потока с НБ: с помощью отогнанного

и затопленного гидравлических прыжков.

Крепление НБ при затопленном прыжке получается более эко-

номичным. При появлении отогнанного прыжка за каким-либо от-

крытым пролетом плотины отметка уровня воды на водобое за

этим пролетом резко снижается по сравнению с отметкой уровня

воды за соседними закрытыми пролетами плотины (где нет ото-

гнанного прыжка), а также по сравнению с отметкой уровня воды

НБ на рисберме. Вследствие такого местного снижения уровня во-

ды водобойная плита за открытым пролетом начинает испытывать

в этом месте большое противодавление, поэтому ее толщина по

расчету на всплывание оказывается значительной. Кроме того,

длина крепления при наличии отогнанного прыжка получается

большой. Поэтому крепление НБ проектируют так, чтобы обеспе-

чить получение затопленного гидравлического прыжка при всех

комбинациях открытия и закрытия затворов водосбросных отвер-

стий (правил маневрирования затворами).

При донном режиме сопряжения бьефов в качестве основных

следует принимать согласно СНиП 2.06.06-85 [3] следующие типы

гасителей энергии:

– сплошная водобойная стенка;

– водобойный колодец;

– водобойная стенка с расположенным ниже ее неглубоким во-

добойным колодцем;

– прорезная водобойная стенка;

– гаситель в виде нескольких рядов шашек или пирсов;

– комбинированные из разных типов указанных гасителей.

Допускается применение других типов гасителей при надлежа-

щем технико-экономическом и экспериментальном обосновании.

4.5. Гасители энергии простого типа

130

Водобойные колодцы и стенки устраивают непосредственно за

плотиной с целью получить затопленный гидравлический прыжок

при сопряжении падающей струи с НБ. Их выполняют обычно из

железобетона. При проектировании их конструкции следует избе-

гать острых углов, так как они легко могут разрушиться потоком.

Если поток несет крупные камни в виде донных наносов, то эти

камни могут заполнить колодец, образованный водобойным усту-

пом или водобойной стенкой, вследствие чего гидравлический ре-

жим работы колодца нарушится. 1. Водобойный колодец может иметь различную конструкцию

(рис. 4.7). Устраивая уступ аb наклонным для уменьшения износа его бетона, приходится увеличивать глубину колодца d, чтобы со-хранить эффект гашения потока.

Рис. 4.7. Варианты конструкции водобойного колодца:

1 - дренаж; 2 откос выемки; 3 - дренажное отверстие; 4 - подпорная стен-

ка; 5 - отвод воды из дренажа, 6 - комбинированный водобойный колодец

2. Водобойная стенка. В этом случае (рис. 4.8 и 4.9) высота

плотины в НБ не увеличивается. Недостатки водобойной стенки:

а) в НБ за этой стенкой может появиться отогнанный прыжок, по-

этому возникнет необходимость устраивать вторую водобойную

стенку (меньшей высоты), а иногда и третью водобойную стенку;

Рис. 4.8. Конструкция и форма водобойной стенки:

1 - дренаж; 2 - откос выемки; 3 - отверстия для выпуска воды из колодца

б) длина крепления за водобойной стенкой будет несколько боль-

131

ше, чем за водобойным уступом; в) водобойная стенка иногда мо-

жет затруднить пропуск строительного расхода. Очертание стенки

может быть различное (рис. 4.8). Иногда водобойные стенки де-

лают криволинейными в плане для растекания потока за стенкой,

что улучшает условия сопряжения бьефов

Однако это приводит к заглублению глубины низового и верхо-

вого зуба плотины, т.е. к росту высоты (C’H>CH) и объема бетона

плотины. Таким образом, удешевив за счет устройства водобойно-

го колодца крепление НБ, одновременно получим удорожание те-

ла плотины, т.е. эта задача может решаться экономически.

Рис. 4.9. Крепление НБ - гладкий водобой со стенкой и рисберма

с ковшом: 1 - водобой; 2 - водобойная стенка; 3 - рисберма; 4 - концевое устройство

рисбермы

3. Комбинированный водобойный колодец (см. рис. 4.7, 6).

Высоту водобойной стенки с назначают такой, чтобы за ней полу-

чилось минимально допустимое затопление прыжка, глубину d

назначают из условия, чтобы при глубине водобойного колодца

(c+d) непосредственно за плотиной получилось минимально допу-

стимое затопление прыжка. При этом не обязательно ставить вто-

рую водобойную стенку, так как не увеличивается высота плоти-

ны. Существуют и другие комбинации колодцев и стенок, напри-

мер, сначала делают водобойную стенку, а за ней колодец.

4. Заключительные замечания. В случае полного открытия,

например, только одного отверстия плотины удельные расходы в

НБ против этого отверстия возрастут. Устраивая за плотиной об-

щий водобойный колодец, обслуживающий все отверстия плоти-

ны, получают такую картину, когда поток, поступающий в коло-

дец из одного открытого отверстия, распределится затем в колодце

на некоторой большей ширине, чем ширина одного отверстия, при

132

этом удельные расходы в НБ (за колодцем) соответственно

уменьшатся и, следовательно, условия работы крепления НБ

улучшатся. Глубина такого общего колодца в некоторых случаях

может оказаться большей, чем глубина отдельных колодцев.

4.6. Специальные гасители энергии

Выбор типа гасителей, их расположение на водобое необходи-

мо определять на основании технико-экономического сравнения

вариантов с учетом допустимых глубин на водобое, условий воз-

никновения кавитации и сбойности течения, а также размывающей

способности потока ниже гасителей.

Конструкция гасителя наряду с гашением энергии должна

обеспечивать устойчивость потока и исключать опасность возник-

новения сбойных течений. В НБ малопролетных (шириной пролета

до 15 м) водосливных плотин целесообразно применение специ-

альных противосбойных гасителей.

Специальные гасители устраивают обычно в пределах водобоя

в виде железобетонных преград (выступов) разной формы и раз-

мера (рис. 4.10). Поток, обтекая эти преграды (выступы), расщеп-

ляется на отдельные струи, которые соударяются и кинетическая

энергия потока снижается. При проектировании этих гасителей

необходимо учитывать следующие три важных фактора:

Рис. 4.10. Крепление НБ в виде водобоя с гасителями и стенкой

и рисбермы: 1 - водобой; 2 - водобойная стенка; 3 - рисберма; 4 - концевое устройство

рисбермы; 5 - расщепитель потока; 6 - гаситель энергии

1. На рис. 4.11 показаны два различных гидравлических прыж-

ка: обычный прыжок (рис. 4.11, а), в его пределах нет гасителя в

виде бетонного выступа, прыжок, в пределах которого имеется

этот выступ 1 (рис. 4.11, 6). На схеме рис. 4.11, б гаситель испыты-

вает со стороны потока горизонтальное давление, направленное в

сторону НБ; в свою очередь, поток со стороны гасителя испыты-

133

вает реакцию R. Именно наличием этой реакции прыжок по этой

схеме отличается от прыжка на схеме рис. 4.11, а.

Выражая уравнением гидравлики количество движения сече-

ний 1-1 и 2-2, найдем при заданной первой сопряженной глубине

hc=h′ (одинаковой для схемы рис. 4.11, а, б) отвечающие этой глу-

бине вторые сопряженные глубины: а) h″без гас - для схемы без га-

сителя; б) h″гас - для схемы с гасителем. Сопоставляя найденные

глубины h″без гас и h″гас видим, что гаситель энергии 1 резко снижа-

ет вторую сопряженную глубину h" (за счет реакции R). Обозна-

чим через h2 гас и h2 без гас соответствующие затопляющие глубины,

т. е. глубины НБ, при которых имеем затопленный прыжок с за-

данной степенью затопления: A1=(1,02-1,1)=h2/h". Гаситель, сни-

жая вторую сопряженную глубину, уменьшает на столько же за-

топляющую глубину (обычно получают отношение: h2 гас/h2 без гас

=0,7-0,8). Принимая гасители и уменьшая за счет их реактивного

действия затопляющую глубину, можно поднять отметку поверх-

ности дна, на котором имеется гаситель, т.е. поднять дно, сохранив

нужную степень затопления прыжка.

Рис. 4.11. Сопряжение бьефов (при hc=const) без и со специаль-

ными гасителями:

a - без гасителей; б - с гасителями; 1 - специальный гаситель

2. При обтекании гасителей в потоке образуются водоворотные

области, повышающие пульсацию скоростей. В потоке резко воз-

растают турбулентные касательные напряжения, что сильно по-

вышает потери напора или диссипацию энергии потока в НБ.

3. Гасители энергии, воздействуя на поток, снижают волнение

свободной поверхности в НБ, уменьшают сбойность течения и

134

способствуют интенсивному растеканию потока в плане, т.е.

уменьшают удельные расходы, поступающие в русло НБ.

Согласно Д. И. Кумину различают тройную роль гасителей: 1)

реактивную, выражающуюся в уменьшении затопляющей глуби-

ны и поднятии поверхности водобоя, т.е. в уменьшении высоты

плотины в НБ; 2) диссипативную, выражающуюся в гашении из-

быточной кинетической энергии на относительно небольшой

длине или расстоянии от плотины. Благодаря этому можно укоро-

тить длину крепления НБ, сохраняя глубину воронки размыва за

ним, или, сохраняя длину крепления НБ, уменьшить глубину во-

ронки размыва за креплением, т.е. уменьшить глубину концевого

устройства; 3) регулирующую, выражающуюся в успокоении пото-

ка в НБ и снижении удельных расходов воды в русле НБ.

Иногда устраивают специальные гасители энергии в виде ис-

кусственной шероховатости, создаваемой за прыжком на рисбер-

ме (рис. 4.12). С помощью этой шероховатости дополнительно

можно: а) уменьшить придонные скорости и снизить размываю-

щую способность потока; б) добиться более интенсивного затуха-

ния пульсации на послепрыжковом участке и снизить размы-

вающую способность потока. Искусственная шероховатость на

рисберме утяжеляет ее работу (снижает ее прочность).

Рис. 4.12. Крепление НБ - водобой и рисберма с искусственной

шероховатостью: 1 - водобой; 2 - ребра шероховатости; 3 - рисберма; 4 - концевая часть 3

С помощью этой шероховатости дополнительно можно:

а) уменьшить придонные скорости и снизить размывающую спо-

собность потока; б) добиться более интенсивного затухания пуль-

сации на послепрыжковом участке и снизить размывающую спо-

собность потока. Искусственная шероховатость на рисберме утя-

желяет ее работу (снижает ее прочность). В настоящее время ра-

циональную форму и надежные размеры специальных гасителей

энергии можно установить только путем лабораторных испыта-

ний конкретного водосброса. Неправильно принятые специальные

135

гасители энергии сильно ухудшают условия сопряжения бьефов.

Общим недостатком специальных гасителей энергии является

то, что на их гранях при скоростях потока свыше 15-17 м/с возни-

кают вакуум и кавитация, и с течением времени эти гасители раз-

рушаются вследствие кавитационной эрозии бетона. Кроме того,

специальные гасители энергии могут иногда повреждаться плава-

ющими телами (льдом, мусором).

Таким образом, можно различать следующую классификацию

специальных гасителей:

1 - реактивные гасители, уменьшающие затопляющую глуби-

ну, диссипативные и регулирующие гасители, служащие для со-

кращения длины крепления НБ и успокоения потока;

2 - сосредоточенные гасители, расположенные вблизи сжатого

сечения, где скорости потока велики, и удаленные гасители в виде

искусственной шероховатости;

3 - сплошные гасители в виде сплошных водобойных стенок и

водобойных порогов и прорезные гасители - более удобные при

пропуске строительных расходов воды; при этих гасителях вре-

менный порог для пропуска этих расходов, можно располагать на

более низком уровне.

Водобойным порогом называют водобойную стенку небольшой

высоты, перед которой не образуется затопленный прыжок, как

перед стенкой нормальной высоты; струя перескакивает через по-

рог, за ним возникает затопленный прыжок на небольшом рассто-

янии от плотины.

Кроме простых гасителей применяют много специальных.

В настоящее время в качестве специальных гасителей наиболее

часто используют: а) пирсы и шашки; б) зубья; в) растекатели;

г) носки-расщепители; встречаются и другие их комбинации.

1. Пирсы и шашки представляют собой ряд железобетонных

выступов с формой, показанной на рис. 4.13. Если высота высту-

пов больше их длины и ширины, то их называют пирсами, в про-

тивном случае - шашками.

Пирсы и шашки в плане располагают в шахматном порядке:

пирсы - на водобое, их первый ряд располагают на расстоянии

(1-1,5)hс от сжатого сечения струи, шашки применяют в качестве

искусственной шероховатости и располагают за прыжком на

рисберме. Принимают следующие размеры пирсов (см. рис. 4.13):

136

с=(0,75-1,0)hс; b=(0,5-1,0)с; a=(2-3)с, где hс - глубина сжатого сече-

ния струи у подошвы плотины.

Рис. 4.13. Типы пирсов и шашек:

а, б - разрез и план; в-д - вертикальные сечения; е-з – планы

2. Зубья (из железобетона) имеют разную форму (рис. 4.14, а,

б). На рис. 4.14, в показан зубчатый порог Ребока, которым иногда

заканчивают крепление НБ. Поток расщепляется зубьями на ряд

струй, и из-за разной высоты зубьев образуются два яруса струй

(стрелки на рис. 4.14, в). Под струями создаются условия движения

воды, при которых ее размывающая способность снижается.

Рис. 4.14. Примеры зубчатых порогов

3. Носок-расщепитель Д. И. Кумина. Лабораторные исследо-

вания показали, что сосредоточенные пирсы 1 дают в ряде случаев

большое фонтанирование струи, что ухудшает условия сопряже-

ния бьефов за гасителями (рис. 4.15, а). От фонтанирования можно

избавиться, если устроить носок-расщепитель 2 (см. рис. 4.15, 6).

137

Рис. 4.15. Пирсы: а - без носка-расщепителя; б - с носком-расщепителем; в план

4. Растекатели (рис. 4.16; 4.17, д, ж) препятствуют сбойности

потока и уменьшают удельные расходы. Их устанавливают в нача-

ле водобоя, в зоне сжатого сечения под углом α=0-15° к оси пото-

ка. Высота растекателей примерно равна сжатой глубине потока.

Рис. 4.16. Пример расстановки растекателей в плане (а,б), их про-

дольный разрез и план (в); 1, 2 - правобережные и средние пролеты

138

Рис. 4.17. Расщепители, гасители, шашки, пирсы, растекатели,

концевые пороги: а – расщепители; б – шашки; в – пирсы; г – гаситель Гидропроекта; д –

гаситель-растекатель Кумина; е – гаситель Образовского; ж – растекате-

ли; з – сплошная водобойная стенка: с=0,l2hкр(8T0hкр+2)1/2

; и – прорезная

стенка; к – зубчатый порог Ребока: с= (0,15-0,2)q(p)1/2

, где p – разность

отметок входного порога и дна водобоя; л – зигзагообразный и криволи-

нейный пороги; м – порог с клиновидными прорезями; н – порог Шокли-

ча. На позициях д, е размеры указаны в долях от hкр.

139

Длина стенок равна (2,5-3)b, где b - шаг стенок в свету. Угол α

для крайних и средних пролетов разный. При такой веерной рас-

становке стенок исчезают водовороты у берегов и сжимается с бо-

ков транзитная струя, выходящая из отверстий плотины.

Расщепители потока улучшают работу гасителей, уменьшают

удельные расходы струи в месте падения ее на основание, увели-

чивают эффективную глубину потока на водобое (см. рис. 4.17, а).

Обычно их устанавливают параллельно направлению потока и

симметрично относительно его оси. При сходящихся и расходя-

щихся боковых стенках водосброса расщепители можно устраи-

вать веерообразно. На рис. 4.18 даны рациональные сочетания

носка-расщепителя с пирсами, их размеры в % от критической

глубины потока, hкр=(αq2/g)

1/3 получены Д. И. Куминым в опытах.

Рис.4.18. Рациональные сочетания носка-расщепителя с пирсами

140

Вертикальные, ступенчатые, наклонные или зубчатые стенки,

располагаемые в конце водобойной плиты и иногда на рисберме,

называются концевыми порогами (см. рис. 4.17, з-н). Они предна-

значены для образования путем отклонения донных струй за водо-

боем длинных плоских вальцов, взаимодействующих с транзит-

ным потоком и способствующих дополнительной диссипации

энергии, предохранения незащищенного дна за рисбермой от раз-

мыва, выравнивания удельных расходов по ширине рисбермы.

Кроме гасителей для обеспечения равномерного распределения

потока по ширине водобоя или изменения его направления приме-

няют растекатели (см. рис. 4.17, д, ж), которые ставят под углом

до 150 к оси потока. Общие недостатки всех растекателей, гасите-

лей и расщепителей - быстрый износ углов из-за повреждений их

плавающими предметами (льдинами, бревнами, наносами), кави-

тационная эрозия ребер и плоскостей.

При скоростях потока на водобое более 15-17 м/с на многих га-

сителях возникают кавитация, что приводит к их эрозии и разру-

шению. В этих условиях переходят на безэрозионные конструкции

гасителей и расщепителей с хорошо обтекаемыми формами.

4.7. Конструкция, условия работы и расчет толщины водобоя

1. Конструкция. Водобой, как правило, выполняют в виде го-

ризонтальной, редко наклонной бетонной плиты (обычно слабо

армированной).

Длину водобоя lвод без гасителей энергии на нем принимают

равной:

lвод = (1,0–1,25)lпр ≈ (14–15)hкр (4.1)

Длину водобоя lвод с гасителями энергии принимают равной:

lвод.гас = (0,75–0,85)lпр ≈ (7–10)h", (4.2)

где lпр – наибольшая длина затопленного гидравлического прыжка;

lпр=6(h2 – h′)≈6,9(h" – h′), (4.3)

где h′ и h", hкр и h2 – соответственно, первая и вторая сопряженные

глубины потока, критическая глубина и глубина потока на рисберме.

Если глубина на рисберме h2 недостаточна для затопления гид-

равлического прыжка, то лучше установить на водобое гасители

энергии, что позволит на 7-25% снизить глубину, затопляющую

141

прыжок, и на 20-25% сократить длину водобоя или пойти на до-

полнительное заглубление всего водобоя, что обычно дороже.

В пространственных условиях (3D) растекания потока в НБ во-

досливной плотины, когда открыты не все отверстия, затопляющая

прыжок глубина h23D

снижается по сравнению с плоской (2D) за-

дачей, h22D

. Это следует учитывать при определении отметки по-

верхности водобоя из условия затопления прыжка с использовани-

ем данных табл. 4.1. Таблица 4.1

Снижение глубины затопляющей прыжок в одно- и двухмерной задачах

B/b 1,0 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0

h23D

/ h22D

1,0 0,88 0,83 0,79 0,72 0,66 0,62

Примечание:

B - полная ширина водобоя; b - ширина потока в сжатом сечении

Поверхность водобоя выполняют обычно немного ниже сосед-

ней круговой поверхности водослива, образуя небольшой уступ,

который по мере осадки низового зуба плотины, большей осадки

водобоя, постепенно исчезает. Обычно горизонтальный водобой

устраивают на одном уровне с рисбермой. В начале водобоя

устраивают зуб на глубину, равную глубине низового зуба плоти-

ны, а конце водобоя также устраивают небольшой зуб для преду-

преждения неблагоприятных последствий осадки рисбермы. По-

верхностный слой водобоя толщиной более 0,5 м выполняют из

особо прочного бетона иногда с добавкой микросилики, что силь-

но повышает абразивную и кавитационную стойкость бетона. По-

верхность водобой должна быть ровной без наплывов бетона.

Толщина защитного слоя верхней горизонтальной арматуры не

менее 20 см.

Примерную толщину d водобойной плиты определяют в виде:

d = 0,15vс(hс)1/2

, (4.4) где vс и hс - скорость (м/с) и глубина (м) потока в сжатом сечении.

Окончательно толщину d водобойной плиты устанавливают рас-

четом ее устойчивости и прочности с учетом всех воздействий, из-

ложенным ниже. Толщину водобойной плиты принимают посто-

янной или переменной уменьшая ее по течению (см. рис. 4.19, а-в).

Плиту водобоя отрезают деформационным швом от плотины

142

(см. рис. 4.19 а, б, в) и разрезают вдоль течения этими швами (рис.

4.19, г) с шагом, равным длине секций плотины или расстоянию

между осями быков, но не более 20 м. В продольных швах между

плитами устраивают уплотнения для предотвращения выноса

грунта из основания водобоя.

Под плитами водобоя устраивают плоский дренаж, защищен-

ный 1-2 слоями обратного фильтра. В дренаж поступает вода,

фильтрующая из ВБ под подошвой плотины, если в подошве не

предусмотрен дренаж с откачкой воды в НБ.

Рис. 4.19. Конструкции водобоя: 1 - плотина; 2 - водобой; 3 - пирсы; 4 - дренажные скважины; 5 - рисбер-

ма; 6 - плоский дренаж; 7 - обратный фильтр; 8 - дренаж для отвода воды

в потерну; 9 - отвод воды из дренажа; 10 - ось быка; 11 - шов; 12 - зуб

Вода отводится в НБ через дренажные скважины из пористого

бетона и иногда в горизонтальном направлении (в область водо-

проницаемой рисбермы). Можно устраивать закрытые дренажные

колодцы с выводом фильтрационной воды в сопрягающих устоях,

раздельных стенках, быках. Выпуски дренажа следует размещать в

зонах пониженного давления, ниже минимального УНБ.

Дренаж также разгружает водобойную плиту от избыточного

фильтрационного давления снизу. При устройстве дренажных

скважин (колодцев) в плитах водобоя гидродинамическая нагрузка

на его поверхность возрастает примерно на 20%, что увеличивает

устойчивость водобойной плиты на всплытие и сдвиг. Площадь

дренажных колодцев должна составлять не менее 1,5% площади

водобоя. Размер сечения дренажных колодцем от 0,25х0,25 до

1,0х1,0 м или диаметром 0,3-1,0 м зависит от толщины водобоя и

шага колодцев в плане. Колодцы располагают в шахматном поряд-

143

ке через 5-10 м в ряду и с шагом рядов не менее 5,0 м. Первый ряд

колодцев располагают от начала водобоя не ближе 0,25 его длины

(lвод), остальные два-три ряда с шагом (0,3-0,2)lвод. Не помещают

дренажные колодцы перед гасителями во избежание передачи

гидродинамической нагрузки через отверстие на подошву плиты.

В отдельных случаях под водобоем рационально устраивать

продольные зубья (см. рис. 4.19, г), расположенные по осям быков.

Эти зубья разбивают дренажный слой водобоя на отдельные друг

от друга участки, отвечающие определенному пролету плотины.

2. Условия работы водобойной плиты. В процессе эксплуата-

ции при полном открытии одного отверстия плотины создаются

следующие условия:

а) в пределах водобойной плиты ниже рассматриваемого от-

крытого отверстия возникает затопленный гидравлический пры-

жок, при котором гасится до 60-70% избыточной кинематической

энергии потока, причем глубины потока в начале водобоя полу-

чаются немного сниженные (см. рис. 4.4). Вместе с тем в дренаже

под плитой устанавливается давление, соответствующее глубине

воды НБ, которое несколько больше, чем давление воды сверху. В

результате водобойная плита при сбросе через отверстие плотины

расчетного расхода оказывается подверженной снизу дефициту

давления Do (заштрихованная эпюра на рис. 4.4), которому проти-

водействует вес водобойной плиты. Сила Do вызывает также изги-

бающие моменты в поперечных сечениях плиты и растягивающие

напряжения в подошве плиты (в продольном направлении);

б) в связи с интенсивной пульсацией гидродинамического

давления потока на поверхности водобоя его плита и плиты

рисбермы дополнительно подвержены знакопеременной нагрузке.

Эта нагрузка вызывает изгибающие моменты в поперечных и про-

дольных вертикальных сечениях водобоя и растягивающие напря-

жения попеременно на его верхней и нижней поверхностях. Пуль-

сация гидродинамического давления на водобое может вызвать

разжижение песчаного грунта в его основании;

в) при наличии на водобое специальных гасителей энергии

(пирсов) водобой подвергается действию горизонтальной сдви-

гающей силы гидродинамического давления, приложенного к пир-

сам. Поэтому вес водобоя должен быть достаточным, чтобы про-

144

тивостоять как вертикальной пульсирующей силе Do, так и указан-

ной горизонтальной сдвигающей силе.

В строительный период водобой подвержен действию соб-

ственного веса и реакции грунта основания, причем реактивные

напряжения основания в зависимости от очередности возведения

плотины и водобоя могут распределяться по-разному, что может

вызвать растягивающие напряжения в подошве водобоя, а в от-

дельных случаях и на его поверхности.

Из сказанного следует, что армировать водобой приходится

двойной сеткой: верхней и нижней. Обычно нужна нижняя сетка,

ее рабочую арматуру устанавливают вдоль водобойной плиты.

3. Определение толщины водобоя по дефициту давления. В

условиях донного режима сопряжения бьефов на плиты водобоя и

рисбермы действуют значительные вертикальные гидродинами-

ческие нагрузки. Осредненная во времени вертикальная нагрузка

при снятии фильтрационного давления на плиту от ВБ до водобоя

разгрузочным дренажем определяется дефицитом давления для

верхней плоскости плиты. Дефицит давления образуется в резуль-

тате того, что при пропуске через плотину воды свободная по-

верхность в пределах водобоя устанавливается ниже, чем за водо-

боем. Дефицит давления - это разность между отметками НБ и

пьезометрическим напором в верхней плоскости плиты. В услови-

ях плоской задачи осредненная нагрузка зависит от продольной

эпюры дефицита давления, а пространственной - от продольной и

поперечной эпюр дефицита давления для различных сечений плит.

При отсутствии на водобое гасителей фактическая эпюра де-

фицита давления может быть заменена трапецией (рис. 4.20, а),

большая и меньшая стороны которой определяют из формул:

hд(max) = 0,85 [1 – 0,55(h/h2 – 1)1/3

] [E0/hкр – 2]1/2

, (4.5)

hд(min) /hкр = 0,15 (4.6)

где hд(max) и hд(min) - ординаты эпюры дефицита давления; hкр - крити-

ческая глубина потока; h – максимальная глубина НБ; h2 - вторая со-

пряженная глубина гидравлического прыжка; E0 - удельная энергия в

сжатом сечении струи на водосливе, определенная относительно дна

водобоя с учетом максимального уровня ВБ (НПУ или ФПУ).

Длина эпюры дефицита давления принимается равной длине

водобойной плиты lвод при отсутствии в ней дренажных колодцев,

145

а при их наличии – равной расстоянию от сжатого сечения потока

(начала водобоя) до второго ряда колодцев, l0.

Рис. 4.20. Схема расчета дефицита давления на водобой: а – обобщенная эпюра дефицита давления на гладком водобое; б – та

же эпюра при наличии сплошной или прорезной водобойной стенки

При наличии на водобое концевого порога в виде сплошной

или прорезной стенки, отстоящей от сжатого сечения на рас-

стоянии 3h2, параметры дефицита давления находят по обоб-

щенной эпюре (рис. 4.20, б). Максимальная ордината эпюры:

hд(max) = n1/ hкр , (4.7)

где n1 - коэффициент, зависящий от отношения E0/hкр:

E0/hкр 4 4 – б 7 – 15

n1 0,2 – 0,5 0,6 – 0.9 1,0 – 1,3.

Минимальная ордината эпюры при h/h2 = 1:

hд(max) = h2 – h2(пор) ; (4.8)

при h/h2 = 1,1 (затопление прыжка):

hд(max) = h2 – 1,1h2(пор) , (4.9)

где h2(пор) – вторая сопряженная глубина при наличии на водобое

концевого порога типа сплошной или прорезной водобойной стенки;

h2 – вторая сопряженная глубина при гладком водобое.

Ордината эпюры в начале водобойной плиты (x=0):

hд(0) = h – (h1 + hц) (4.10)

где h – максимальная глубина НБ; h1 – первая сопряженная глубина

гидравлического прыжка; hц – пьезометрический напор, соответствую-

щий центробежному давлению в начале водобоя; при установке здесь

носков-расщепителей потока, при гладком водобое можно принять hц≈0.

146

Таким образом, при расчете толщины водобоя учитывают

нагрузку от собственного веса плиты (взвешенной в воде), филь-

трационное давление на ее подошву, пульсационную нагрузку на

поверхность и подошву плиты, гидродинамическую и пульсаци-

онную нагрузки на гасители и нагрузку от дефицита давления.

Схема упрощенного расчета нагрузок на водобой дана на рис.

4.21. На подошву водобоя действует полное взвешивающее давле-

ние в виде эпюры abcd'd, где d'd=h – глубина воды за водобоем;

d'c – толщина водобоя. Сверху на водобой действует пригрузка во-

ды в виде эпюры aa'c'd'd. Разность давлений, действующих сверху

и снизу, выражена эпюрами b'bcd' и а'b'с'. Первая отвечает эффек-

тивному взвешивающему давлению (за вычетом пригрузки воды и

веса водобоя), а вторая – упрощенной (треугольной) эпюре дефи-

цита давления. Ордината а'b' эпюры дефицита давления принята

равной 0,7(h2 – h); длина b'с' при отсутствии на водобое дренаж-

ных колодцев принимается равной длине водобоя, а при их на-

личии – расстоянию от сжатого сечения до второго ряда колодцев.

Рис. 4.21. Схема к расчету нагрузок на плиту водобоя

Фильтрационное давление (при установке шпонок в деформа-

ционном шве между плотиной и водобоем) определяют по тре-

угольной эпюре (не показана на рис. 4.21) высотой 0,05(T – h), где

T и h – превышение максимальных уровней ВБ и НБ над подошвой

водобоя. Длина фильтрационной эпюры принимают равной длине

водобоя при отсутствии дренажных колодцев и при их наличии -

расстоянию от сжатого сечения потока до второго ряда колодцев.

147

Гидродинамическую нагрузку на гасители и их число можно

определить по формулам (2.7) и (4.25) в учебнике «Гидротехниче-

ские сооружения (часть 1)» одноименной кафедры МГСУ [7], где

С -коэффициент лобового сопротивления гасителей, зависящий от

их формы, расположения на водобое и степени затопления.

Например, при расположении ряда призматических гасителей вы-

сотой 1,2hc на расстоянии от сжатого сечения 0,25lпрыхка С=0,5-0,6,

на расстоянии 0,6lпрыжка С=0,2 (при расчете нагрузки на гасители по

скорости потока в сжатом сечении).

Пульсационная нагрузка может быть выражена в долях ско-

ростного напора в сжатом сечении или в долях критической глу-

бины. В зависимости от пространственных условий НБ, степени

затопления прыжка, наличия или отсутствия дренажных отверстий

в водобое среднее пульсационное давление р' может достигать зна-

чений p'/hкp =0,1–0,13. Устройство дренажных колодцев увеличи-

вает пульсационную нагрузку на плиту водобоя примерно на 20%.

Горизонтальная составляющая пульсационной нагрузки на гасите-

ли составляет 30–50 % средней гидродинамической нагрузки.

Если водобой по длине разрезан постоянными швами на 2-3

плиты, то каждую из них и, прежде всего, низовую (ближнюю к

плотине) следует рассчитать на устойчивость против всплытия под

действием нагрузки от дефицита давления и пульсации давления.

Условия устойчивости плиты водобоя против опрокидывания и

сдвига выражаются формулами:

kопр = ∑Mуд / ∑Mопр; kсдв = ∑Туд / ∑Qсдв , (4.11)

где kопр и kсдв – коэффициенты надежности, которые должны быть не

меньше их нормативных значений с учетом класса плотины (1,25-1,1);

∑Mуд и ∑Mопр – моменты соответственно от удерживающих и опрокиды-

вающих сил относительно низового конца подошвы водобоя; Т – силы

сопротивления сдвигу водобоя.

Плита водобоя может сдвинуться по материалу обратного

фильтра или грунту основания. В первом случае удерживающей

силой будет сила трения бетона по материалу фильтра (коэффици-

ент трения 0,5), во втором – сила внутреннего трения в грунте и

сцепления; Qсдв – сумма горизонтальных сдвигающих сил (гидро-

динамическая осредненная и пульсационная нагрузки на гасители

или водобойную стенку). Разностью сил давления воды на верхо-

вой и низовой торцы плиты водобоя можно пренебречь.

148

Ниже приведен способ расчета минимальной постоянной тол-

щины железобетонной плиты водобоя. Такая плита воспринимает

растягивающие напряжения, работая как одно жесткое тело. Для

обеспечения нормальных условий работы такой плиты необходи-

мо, чтобы вертикальное нормальное напряжение σу в верховой

точке подошвы плиты, передающееся на грунт, было сжимающим

(плита в этой точке не должна отрываться от грунта).

Используя расчетную схему на рис. 4.21 и метод внецентренно-

го сжатия, получим, что толщина d плиты, обеспечивающая в вер-

ховой точке ее подошвы нормальное напряжение σу=0, равна:

d = (2,0 – l0/lвод)γв / (γб(взв) hд(max)) (4.12)

где lвод – длина плиты водобоя; l0 - расстояние от сжатого сечения

(начала водобоя) до второго ряда колодцев; hд(max) - максимальная орди-

ната эпюры дефицита давления; γв – плотность воды (1,0 т/м3); γб(взв) –

плотность взвешенного в воде бетона (2,4 т/м3).

Принимая hд(max)=0,7(h2 – h) получаем зависимость для опреде-

ления минимально допустимой толщины армированной плиты d:

d = 0,5(2 – l0/lвод ) (h2 – hc) ≈ 0,4(2 – l0/lвод)h2 (4.13)

При отсутствии в плите дренажных отверстий (когда l0=lвод) ми-

нимально допустимая толщина плиты водобоя d≈0,4 h2.

По конструктивно-строительным причинам толщину плиты d

можно принимать несколько большую, чем дает формула (4.13).

Расчет прочности плиты водобоя производят по методу внецен-

тренного сжатия с учетом напряжений, передающихся на грунт,

реактивных напряжений в грунте и эпюры дефицита давления.

Расчет рабочей продольной и поперечной арматуры плиты произ-

водят по эпюрам изгибающих моментов и перерезывающих сил.

4. 8. Рисберма

Длина и профиль рисбермы, конструкция переходного крепле-

ния от рисбермы к незакрепленному руслу должны определяться

на основе технико-экономического сопоставления вариантов, с

учетом обеспечения неразмывающих скоростей потока в начале

незакрепленного русла.

Конструкция рисбермы. Рисберму устраивают в пределах по-

слепрыжкового участка. По ее длине размывающая способность

потока постепенно снижается за счет гашения до 30-40% избыточ-

149

ной кинетической энергии потока и снижения придонных скоро-

стей, поэтому конструкция рисбермы по течению должна посте-

пенно облегчаться. Поверхность рисбермы обычно делают гладкой

или с небольшой шероховатостью.

Предварительно длину рисбермы принимают: lрсб =(1,0–2,0)lвод.

Общая длина крепления НБ (водобой + рисберма) равна:

lкр = lвод+ lрсб = 9(h" – h′) = 6(h" – h′) + 8hкр , (4.14)

где h′, h" и hкр – первая, вторая сопряженные и критическая глубины.

В процессе эксплуатации плотины конец рисбермы претерпева-

ет некоторые деформации в связи с вымывом грунта основания из-

под рисбермы. Поэтому конец рисбермы часто проектируют гиб-

ким, чтобы он мог без нарушения своей защитной роли деформи-

роваться вслед за деформацией поверхности дна НБ.

Рисберма состоит из трех частей: жесткой, гибкой и концевого

устройства. Жесткую часть рисбермы выполняют из крупных мо-

нолитных железобетонных плит, гибкую – из небольших монолит-

ных или сборных железобетонных плит на щебенистой подготов-

ке, шарнирно связанных между собой арматурой, из каменной

наброски, габионов и ряжей, заполненных камнем (рис. 4.22), фа-

шинных тюфяков и т.п.

Железобетонные плиты. Толщину d плит принимают: в нача-

ле жесткого участка рисбермы до 1–3 м и в конце ее 0,5–1,0 м. Из-

менение толщины плит по длине рисбермы осуществляется усту-

пами. Плиты делают квадратными или прямоугольными в плане

длиной l=10–20 м в начале рисбермы и l=5–10 м в ее конце. Учи-

тывая работу плиты как балки на двух опорах (при подмыве ее по-

током), толщина плит d ≥(1/8–1/10)l.

Рис. 4.22. Конструкция гибкого участка рисбермы: а – железобетонные плиты с шарнирными связями; б – отдельные желе-

зобетонные плиты; в – ряж с камнем и наброска камня между сваями

150

Плиты рисбермы бетонируют на месте с неуплотненными шва-

ми между ними, продольные швы между плитами устраивают в

перевязку. Если плиты в плане прямоугольные, то они должны

располагаться длинной стороной вдоль течения. Под плитами

укладывают 2-3 слоя обратного фильтра толщиной 0,4–0,6 м, что-

бы исключить деформации основания при выходе фильтрационно-

го потока из-под водобоя. В плитах устраивают дренажные сква-

жины диаметром 0,15–0,25 м с шагом до 5 м. В рисберме из сбор-

ных плит дренажные скважины можно не устраивать.

Для усиления гашения энергии на рисберме ее плиты делают

разной толщины и получают на поверхности рисбермы выступы

(рис. 4.23). Искусственную шероховатость на поверхности

рисбермы получают с помощью шашек. Однако это ухудшает

условия устойчивости плит и вследствие возможной кавитации -

условия работы бетона плит. При неравномерной осадке плиты из-

за вымыва из-под нее грунта плита II может быть сдвинута или

опрокинута (рис. 4.24, а), а за плитой I образуется зона сниженно-

го давления 1 и устойчивость плит нарушается (рис. 4.24, б).

Рис. 4.23. Пример выполнения рисбермы Рис. 4.24. Возможные

плитами разной толщины (размеры в м): случаи разрушения

1 - бетон; 2 - бетонная подготовка 0,1 м; 3 - щебень плит рисбермы 0,3 м; 4 - гравий 0,25 м; 5 - крупный песок 0,25 м

В связи с пульсацией гидродинамического давления эпюра

мгновенного гидродинамического давления на поверхность плит

рисбермы получается в виде площади, ограниченной сверху вол-

нистой линией, показанной пунктиром на рис. 4.4. Снизу на плиты

рисбермы действует постоянное взвешивающее давление, эпюра

которого ограничена сверху горизонтальной линией, проведенной

на уровне НБ. Складывая две эти эпюры давления, получаем, что

плиты рисбермы в связи с пульсацией гидродинамического давле-

ния подвержены в этот момент времени знакопеременной нерав-

151

номерной нагрузке. Если размер плиты в плане небольшой, то в

этот момент по всей площади такой плиты может действовать

только отрицательная мгновенная нагрузка, при этом толщина

плиты должна назначаться достаточно большой, чтобы вес плиты

мог противостоять этой нагрузке. Если размер плиты в плане

большой, то на такую плиту на различных ее участках будут дей-

ствовать как положительные, так и отрицательные пульсационные

нагрузки, поэтому толщину плиты можно назначать меньшей, чем

в предыдущем случае. Однако при дальнейшем увеличении разме-

ров плиты в плане получают в поперечных и продольных верти-

кальных ее сечениях большие изгибающие моменты от пульсаци-

онного давления, при этом толщина плит и содержание в них ар-

матуры возрастают, т.е. можно получить оптимальные размеры

плит, соответствующие наиболее экономичному решению.

Из сказанного следует, что плиты рисбермы, имеющие относи-

тельно большие размеры, следует армировать, как правило, двумя

сетками - верхней и нижней. Условия работы бетона плит в начале

рисбермы несколько легче, чем условия работы бетона водобоя.

Плиты – надежное крепление и их применяют для жесткого и гиб-

кого участков рисбермы.

Каменную наброску для крепления гибкого участка рисбермы

используют при скоростях потока 2,5-4 м/с. В верхних слоях

наброски укладывают более крупные камни. Применяют обычно

два виды каменной наброски: а) обычная наброска камня с его

разравниванием по слою обратного фильтра, б) наброска между

бетонными сваями (диаметром 20-25 см), забитыми в песчаный

грунт и расположенными в шахматном порядке с шагом 1-2 м.

Габионное крепление представляет каркасы из вязанной прово-

лочной сетки, заполненные камнем. Размеры габионов разные.

При выполнении крепления из габионов их связывают друг с дру-

гом проволокой. Современные габионные крепления - экономич-

ное и надежное крепление для гибкого участка рисбермы.

Ряжи железобетонные, загруженные камнем, являются более

надежным креплением, чем ряжи деревянные, и их иногда приме-

няют на гибких участках рисберм.

4. 9. Концевое устройство рисбермы

Для получения экономичного решения рисберму часто выпол-

няют короче расчетной длины, допуская за ней небольшой размыв.

152

При проектировании этой рисбермы в ее конце выполняют верти-

кальный зуб (шпору), предохранительный ковш, переходное де-

формируемое крепление или их сочетания (рис. 4.25 и 4.28).

Рис. 4.25. Схемы концевых устройств рисбермы:

1 - рисберма; 2 - ковш; 3 - бетонный зуб; 4 и 5 - крупный и мелкий камень

1. Устройство ковша. Определяют глубину возможной ворон-

ки размыва за принятой укороченной рисбермой (см. рис. 4.6) по

методу Б.И. Студеничникова, обоснованного обширными экспе-

риментальными данными. Вначале определяют среднюю неразмы-

вающую скорость V0 для несвязного неоднородного грунта (d10/

d50=0,2-0,3) при глубине потока на рисберме:

V0 = 1,15 (g)0,5

(hd)0,25

(1,1/α)0,5

, (4.15)

где α – коэффициент кинетической энергии потока (в первом приближе-

нии α ≈1,1-1,2); d= d50 – средний диаметр грунта, м.

Определяют для донного режима сопряжения бьефов глубину

потока hр в воронке размыва в несвязных грунтах по зависимости:

hр = kр {χq/[1,15(g)0,5

(d50)0,25

]}0,8

, (4.16)

где kр =(α/1,1)0,4

- коэффициент размывающий способности потока, за-

висит от коэффициента кинетической энергии потока α и условий схода

потока с рисбермы (рис. 4.26); χ - коэффициент неравномерности распре-

деления удельного расхода, равный отношению максимального удельно-

го расхода в данном сечении к среднему: χ=qmax/q≈1,1-1,3.

Коэффициент kр принимают kр=1,1 для рисбермы с ковшом и с

откосом m=3-4 и уступом с вертикальной стенкой kр=1,7.

В связных грунтах глубину потока hр в воронке размыва (ков-

ше) определяют по зависимости (4.7) с заменой d50 на эквивалент-

153

ный диаметр dэ (в м) глинистых агрегатов (комков), образующихся

при размыве (табл. 4.2). На расчетную глубину размыва в конце

рисбермы делают выемку грунта - создают ковш, причем его вер-

ховой откос и дно покрывают переходным деформируемым креп-

лением из монолитных или сборных шарнирно связанных железо-

бетонных плит на щебенистой подготовке (см. рис. 4.22, а).

Рис. 4.26. Зависимость коэффициента kр от относительной дли-

ны крепления l1/hкр и бурности потока hкр/hс

Эквивалентный диаметр dэ агрегатов связных грунтов. Табл. 4.2 Связные

грунты

Содержание ча-

стиц %, крупно-

стью, мм

Эквивалентный диаметр dэ, мм, для

глинистых грунтов с различным коэф-

фициентом плотности

0,005 0.005-

0,05

рыхлые

ε >1,2

средне-

плотные

ε=1,2-0,6

плот-

ные,

ε=0,6-

0,3

очень

плот-

ные,

ε=0,3-

0,2

Глины 30 – 50 50 – 70 0,15 2 10 50

Тяжелые

суглинки

20 – 30 70 – 80 0,15 3 10 50

Тощие

суглинки

10 – 20 80 – 90 0,15 3 10 50

Лессо-

вые су-

глинки

– – 0,05 1,5 5 20

154

Заложение верхового откоса принимают в среднем m=4-5, ни-

зового откоса - т=2 с проверкой его устойчивости в строительный

период. Низовой откос ковша при эксплуатации постепенно раз-

мывается (уполаживается). Заложение верхового откоса назначают

с учетом гидравлических условий растекания потока и размещения

на нем наклонного участка рисбермы или деформируемого креп-

ления. Для концевых участков рисберм водосливных плотин III-IV

классов можно принимать деформируемое крепление каменной

наброски, габионных, фашинных креплений или тюфяков с приг-

рузкой их камнем (гравием) и в виде сочетания этих креплений.

Глубину ковша можно уменьшить путем отсыпки в него камня.

Толщину слоя камня принимают с учетом того, чтобы при глубине

ковша меньше расчетной глубины размыва камень, сползая в зоны

размыва, прекратит дальнейший размыв. Обычно толщина отсып-

ки камня составляет 1-4 м. Диаметр камня подбирают по скорости

у подошвы верхового откоса ковша Vк с учетом коэффициента

турбулентности потока kт по формуле:

Vк = kтV0 = kт q/hр = (1,5-3,0) q/hр , (4.17) где kт -коэффициент турбулентности потока, возрастает с ростом

hк/hр, h2/h1 и сокращением длины рисбермы, определяется по рис. 4.27 (в

среднем kт=1,5-3,0); hр - глубина потока в воронке по формуле (4.7);

q - удельный расход в конце рисбермы; hк - глубина ковша от дна реки;

h2 - глубина воды в конце рисбермы; h1=hс - сжатая глубина на водосливе

Рис. 4.27. График для определения коэффициента kт турбу-

лентности потока

155

2. Устройство зуба (шпоры). Зуб в конце рисбермы (в виде бе-

тонного зуба, траншейной или шпунтовой стенки) принимают на

всю глубину воронки размыва (см. рис. 4.25, б).

Рис. 4.28. Примеры крепления НБ бетонных водосливных плотин

на нескальном основании: а, в, г – основание – песок; б – основание – валунный суглинок; 1 - гаси-

тель; 2 - дренажные колодцы 0,4х0,4 м с шагом 5,0 м; 3 - дренажные ко-

лодцы d=0,25 м; 4 - плиты 10х10х1 м; 5 - плиты 10х10х0,8 м; 6 - каменная

наброска d≥15-30 см; 7 - гравий; 8 - камень d=1-10 см; 9 - плоский шпунт;

10 - плиты 15х10х1,2 м; 11 - плиты 10х10х1,6 м; 12 - плиты 20х20х2,2 м;

13 - бетонная подготовка; 14 - обратный фильтр толщиной 0,4 м; 15 -

дренажные колодцы 0,2х0,2 м; 16 - плиты 5х5х1,5 м; 17 - фашинный тю-

фяк; 18 - обратный фильтр толщиной 1,0 м; 19 - камень d=50 см; 20 - ка-

мень d=20-40 см; 21 - зуб из ячеистого стального шпунта; 22 - 3 слоя об-

ратного фильтра толщиной 1,0 м; 23 - перфорированный шпунт; 24 - про-

дольные бревна d=18 см; 25 - насадочные брусья 20х22 см; 26 - брус

18х22 см; 27 - брус 22х18 см; 28 - сухая кладка камня 0,5 м; 29 - каменная

наброска 0,6 м; 30 - слой гальки 0,3 м; 31 - слой гравия 0,2 м

Иногда устраивают зуб не на всю глубину размыва с участком

деформируемого крепления за ней. Чтобы уменьшить глубину во-

ронки размыва, за зубом устраивают «склад» каменной наброски.

При размыве русла он сползает и прикрывает внутренний откос и

дно воронки от размыва.

156

На рис. 4.28 показан ряд возможных примеров крепления НБ во-

досбросных плотин на нескальном основании включая водобой,

рисберму и ее концевое устройство.

В приложении 1 приведены примеры креплений НБ бетонных

водосбросных плотин на нескальных основаниях, построенных в

составе 14 гидроузлов на Волге и Каме.

4.10. Крепление НБ и берегов в пределах водобоя и рисбермы

В пределах рисбермы и иногда водобоя можно допустить не-

большое растекание потока в плане с тем, чтобы уменьшить

удельные расходы воды в НБ. Расширять русло в пределах креп-

ления НБ не следует более чем под углом β (рис. 4.29) при tg

β=1/8–1/10, при большем значении угла β произойдет отрыв пото-

ка от боковых стенок. Большего растекания потока можно добить-

ся путем устройства растекателей и водобойных порогов. Замет-

ный эффект благодаря растеканию потока можно получить при

относительно узком водосливном фронте, когда, принимая указан-

ный угол β на длине водобоя и рисбермы получают большое рас-

ширение потока. При широком водосливном фронте относитель-

ное расширение потока на длине водобоя и рисбермы наблюдается

небольшое (только на толщину быков). Упомянутые растекатели

служат и для борьбы со сбойностью течения воды. С этой целью

иногда на длину водобоя или его часть удлиняют быки плотины.

Чтобы иметь в НБ затопленный прыжок, принимают отметку

поверхности водобоя ниже отметки дна русла. В результате креп-

ление НБ (рис. 4.30, а) располагается на одном уровне. При боль-

ших удельных расходах крепление устраивают в две ступени (рис.

4.30, 6). При этом образуется ковш, откос которого АВ называют

предохранительным откосом.

Рис. 4.29. Схема расширения Рис. 4.30. Варианты высотного

крепления НБ в плане расположения крепления НБ: 1 - водобой; 2 - рисберма; 3 - откос; 4 -ковш

157

В пределах водобоя и рисбермы осуществляют также крепле-

ние нескальных берегов. Высота ограждающей подпорной стенки

(рис. 4.31, а) принимают такой, чтобы при высоких уровнях воды

НБ не произошло размыва каменной мостовой. В пределах

рисбермы берега покрывают тем же креплением, из которого вы-

полнена рисберма. Иногда крепление берегов делают облегченной

конструкции (рис. 4.31, 6). Если к водосливной плотине примыка-

ет глухая грунтовая или бетонная плотина или здание ГЭС, то во-

прос о креплении берегов НБ решается иначе (раздел 3.7).

Рис. 4.31. Крепление нескальных берегов в пределах водобоя: 1 – подпорная бетонная стенка; 2 – водобой; 3 – строительный откос

Различные проекты крепления НБ водосбросных бетонных пло-

тин, построенных на Волге, Каме, Дону и других реках, эффектив-

ность их работы и их современное состояние подробно рассмотре-

ны в приложении 1.