ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Введение
Глава 1
Краткий исторический обзор развития советской гидротехники
§ 1-1. ГИДРОТЕХНИКА И ЕЕ ЗАДАЧИ
1. Гидротехника — наука об использовании водных ресурсов (рек, озер, морей, подземных вод) для различных хозяйственных целен, о борьбе с вредным воздействием воды (поверхностной и грунтовой) на природные и хозяйственные условия районов (размывы, затопления, заболачивания) и о гидросооружениях, применяемых для этих целей.
Основными задачами гидротехники являются: использование энергии воды (гидроэнергетика); использование речных, озерных и морских вод для судоходства и лесосплава; орошение и обводнение земель; отвод избыточных вод с территорий (осушение); водоснабжение и канализация населенных пунктов и промышленных предприятий; борьба с разрушительным действием воды (наводнениями, смывами и размывами плодородных почв); использование воды для рыбного хозяйства; создание водных преград (противопожарные водоемы, временное затопление местности и пр. для оборонных целей).
В условиях социалистического планового хозяйства необходимо проведение комплекса водохозяйственных мероприятии, который дает возможность использовать водные ресурсы одновременно для целей энергетики, ирригации, улучшения судоходства и пр.
Гидротехника характеризуется большим разнообразием сооружений и конструкций, применяемых для решения столь обширных и сложных задач.
Гидротехнические сооружения по условиям работы отличаются от других инженерных сооружений сложностью комплекса действующих на них сил: гидростатического и гидродинамического давлений (воды, наносов, льда).
Гидродинамическое давление возникает при движении воды, действии ветровых волн, гидравлическом ударе и в сейсмических районах в результате землетрясений.
Гидродинамическое давление создается также водой, фильтрующейся через сооружение и его основание. Течение воды с большими скоростями, особенно при наличии наносов, истирает каменные и бетонные поверхности сооружений, вызывает размывы оснований. При больших скоростях потока в сооружениях, работающих в условиях вакуума, вследствие возникновения кавитационной эрозии происходит разрушение бетона. В свою очередь, гидросооружения оказывают резкое воздействие на режим рек, на движение грунтовых вод, на устойчивость и прочность русла.
Гидротехника разрабатывает методы расчета, проектирования, конструирования, возведения и эксплуатации гидросооружений, а также регулирования речного стока и способы защиты территорий от вредного воздействия потоков.
Гидросооружения теснейшим образом связаны с топографическими, геологическими и гидрологическими условиями местности. Правильно запроектированное и построенное гидросооружение должно быть «вписано» в местность так, чтобы изменения природных процессов, которые могут быть вызваны гидросооружением, протекали бы без нарушения его устойчивости.
Глубокое и тщательное изучение и анализ местных условий на основе специальных изысканий и исследований является основным требованием гидротехники, обеспечивающим правильный выбор типов гидросооружений и их необходимую устойчивость при минимальных строительных затратах.
Гидротехника как прикладная наука опирается на гидравлику, гидромеханику, гидрологию, строительную механику и механику грунтов, инженерную геологию и др.
Гидротехника использует положения и выводы математической физики в области управления водным потоком. С этой точки зрения гидротехнику следует рассматривать как теоретическую и экспериментальную науку.
Теория гидротехники, построенная па принципах математики и механики, требует выявления ряда физических характеристик (констант) изучаемых объектов путем постановки экспериментальных исследований (лабораторных или натурных, т. е. полевых). Требования строительства и производства при недостаточном развитии некоторых частей физики и математики заставляют искать решения ряда гидротехнических задач (главным образом в области взаимодействия вязкого потока и русла, в условиях пространственных течений) путем специальных экспериментальных исследований.
Получающиеся в результате таких исследований эмпирические зависимости могут иметь две формы выражения: в первой не соблюдаются и во второй соблюдаются условия однородности размерности обеих частей уравнения. Очевидно, что первая форма эмпирической зависимости имеет ограниченные рамки для своего практического использования (в условиях, аналогичных условиям эксперимента) и поэтому большого значения для развития пауки не имеет.
Вторая форма, в которую входят константы — физические характеристики или их функциональные связи в виде простых однородных, одноразмерных зависимостей, имеет структуру гипотезы. Если действительность повседневно подтверждает такую гипотезу и выводы из нее, она становится законом. Блестящим примером такой гипотезы, ныне ставшей законом (принципом) является зависимость Дарси, найденная им для потока грунтовых вод.
Надо признать, что оба пути развития гидротехнической науки, и чисто теоретический и чисто экспериментальный, еще недостаточно уделяют внимания физической стороне изучаемых явлений. Происходит это, как указывалось выше, отчасти из-за отсутствия разработанных методов решения общих дифференциальных уравнении движения (Л. Эйлера, Шварца-Кристофеля) в заданных действительных пограничных условиях, а также из-за слабой изученности физической стороны явления. В последнем случае решение гидротехнических задач обычно направляется по пути теоретической механики, как более простому, хотя и менее точному.
