ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Гидротехнические сооружения на мелиоративных
и гидроэнергетических системах
Глава 3
Гидротехнический расчет
§ 3— 1. ЗАДАЧИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Грунты оснований гидротехнических сооружений в огромном большинстве случаев водопроницаемы; только исключительно плотные, скальные породы и плотные глинистые грунты можно считать практически водонепроницаемыми.
Грунтовая вода, перемещаясь по порам грунта, оказывает давление на части сооружения, лежащие в области ее движения (флютбет, подпорные стены, облицовка откосов и др.). С другой стороны, эти части сооружений, ограничивая области движения, влияют и качественно (на направление скоростей) и количественно (па величины напоров, скоростей и расходов) на поток грунтовых вод.
Изучить условия движения потока грунтовых вод в районе гидротехнического сооружения, изучить влияние форм и размеров сооружения на этот поток — первая задача гидротехнического расчета. Вторая задача расчета заключается в том, чтобы на основе изучения условий движения потока грунтовых вод выбрать такие формы и размеры частей гидротехнического сооружения, соприкасающихся с грунтовым потоком, которые были бы рациональны и экономичны и в то же время создавали для потока условия движения, безопасные в отношении вымыва и выпирания грунта.
Различают два основных вида движения грунтовых вод в районе сооружений: напорное, когда подземное русло потока заключено в жесткие стенки и движение грунтовой воды подобно напорному движению ее в трубах, и свободное, или безнапорное, когда грунтовая вода движется, не будучи заключенной со всех сторон в жесткие стенки; на свободной поверхности воды, располагающейся по так называемой кривой депрессии, давление равно атмосферному.
Изученность этих видов движения грунтовых вод различна. Наиболее подробно изучено напорное движение в пористых сыпучих грунтах, в условиях плоской задачи, т. е. когда движение изучается только в одной плоскости; при этом считается, что в любой плоскости, параллельной рассмотренной, движение будет аналогичным и таким образом нс зависит от третьей координаты. Свободное движение изучено лишь в простейших случаях: движение воды к галереям, дренам, колодцам, но преимуществу тоже в условиях плоской задачи (за исключением колодцев). К решению пространственных задач теория только приступает, дав ответы лишь для отдельных задач 1. Для решения этих задач большую ценность представляют приборы советских ученых (Л. И. Гутенмахера, С. В. Лукьянова и др.).
1 А. Н. Мятиев. Задача о колодцах в горизонте грунтовых вод. «Известия Академии наук СССР» № 3, ΟΤН, М., 1948.
Движение грунтовых вод обычно рассматривают в однородных грунтах, залегающих в основании сооружения, что часто встречается в мелких сооружениях, реже в средних. Крупные сооружения, занимающие большие пространства в плане, почти всегда основываются на разнородных грунтах. Этот случай, имеющий большое практическое значение, изучен пока для схематизированных условий движения.
Учет природных условий залегания грунтов проводится экспериментально на моделях.
Напорное движение грунтовых вод под флютбетом сооружения наблюдается тогда, когда уровень грунтовых вод в районе сооружения стоит не ниже подошвы флютбета. Такое высокое стояние грунтовых вод относительно флютбета наблюдается преимущественно под водозаборными сооружениями, плотинами, под головными регуляторами ветвей и глубоко заложенных распределителей оросительных систем, под осушительными сооружениями.
Вода, просочившись из верхнего бьефа в грунт основания, движется по порам в сторону меньших пьезометрических напоров, т. е. в сторону нижнего бьефа. На участке флютбета поток ограничен сверху флютбетом, снизу подстилающим водонепроницаемым слоем, что создает условия напорного движения.
В расчете флютбетов напорное движение рассматривают как плоское, что, конечно, не всегда отвечает действительности; так, чем шире флютбет, тем движение грунтовых вод под ним ближе к плоскому напорному. Для нешироких флютбетов регуляторов движение грунтовой воды за стенами сооружений, совершающееся как свободное, скажется на движении ее под флютбетом, отклоняя его от условий плоского напорного движения. Для узких оросительных сетевых регуляторов влияние свободного движения за стенами становится преобладающим.
Движение грунтовых вод иод сопрягающими бьефы сооружениями (перепад и др.) совершается большей частью как свободное.
В результате гидротехнического расчета должны быть получены ответы на следующие вопросы:
- каковы контуры потока грунтовых вод в районе сооружения;
- какое давление оказывает поток грунтовых вод па части сооружений;
- каковы должны быть минимальные размеры частей сооружения, устойчиво воспринимающие эти давления;
- каковы скорости и расход фильтрационного потока;
- каково должно быть крепление грунта против суффозии и выпора, если скорости фильтрации и напоры будут превосходить допускаемые величины для неукрепленного грунта.
Существующие многочисленные приемы гидротехнического расчета сооружений могут быть разделены на три группы: первая группа, в которой дается весьма приближенный ответ только па второй вопрос из указанных выше (сюда относится так называемый способ линейной контурной фильтрации и все его разновидности); вторая группа, в которой на основании теории гидродинамики (аналитически, графически или экспериментально на приборах гидроэлектроаналогий ЭГДА) даются ответы на первые четыре вопроса; третья группа — пока еще только экспериментальная, отвечающая на все вопросы расчета.
Наиболее многочисленна вторая группа гидротехнических расчетов, в которой, с известными допущениями, решения получаются аналитически (путем решения уравнений движения потока грунтовых вод), графически (так называемыми сетками движения), номографически, способом упрощения аналитических решений (способ фрагментов, способ упрощения очертания контура флютбета за счет введения виртуальных участков, способ замены очертания флютбета условным по форме, далеким от действительного, но подобранным экспериментально так, что решение по нему довольно близко к решению по действительному контуру флютбета и т. п.).
Мы рассмотрим только несколько наиболее употребительных приемов гидротехнического расчета сооружений. Некоторые из них изложены в трудах Водгео и ВНИИГ 1.
Значение гидротехнического расчета достаточно велико в расчете ГС, однако решающее значение в выборе форм и размеров частей ГС, в том числе и флютбета, в большинстве случаев принадлежит гидравлическому расчету, статическому расчету или условиям общей компоновки сооружения (размещение затворов, подъемников, мостов и др.).
Флютбет, образуя ложе для проходящего через сооружение потока, по условиям своей работы разделяется на три части: понурную, водобойную и сливную (рис. 2—6, 2—7).
Понур укрепляет русло перед сооружением от размыва надземным потоком; в то же время вследствие своей водонепроницаемости он удлиняет путь подземного потока под сооружением и тем самым погашает часть действующего напора, что ведет к облегчению размеров водобойной части флютбета, уменьшает расход и скорости фильтрации. Так как при наличии воды перед сооружением давление ее на понур сверху больше, чем давление ее снизу, то толщина его определяется конструктивными соображениями. Длину понура следует назначать из условий неразмываемости русла перед ним при пропуске воды через отверстия сооружения (из-под затвора и др.) и условий гашения напора фильтрационного потока.
Водобой воспринимает удары падающей воды (в перепадах, в регуляторах при падении воды через шандоры и т. п.), погашает анергию наземного потока и образует безопасные условия для фильтрационного потока. Толщину его находят из расчета устойчивости против выпирающего усилия воды снизу; длину находят из условий погашения энергии наземного потока и создания допустимого уклона для движения фильтрационного потока.
Сливная часть, сокращенно слив или рисберма, обычно укрепляется водопроницаемой одеждой; здесь создаются такие условия, при которых скорости потока плавно переходят от повышенных в конце водобоя к бытовым в конце рисбермы. Сливная часть, усиленная обратными фильтрами, гравелисто-песчаными тюфяками и т. п., защищает лежащий под ней грунт от вымыва подземным потоком и, действуя в качестве водопроницаемой пригрузки, повышает устойчивость грунта против выпирания.
Конструкцию слива определяют из условия устойчивости его к размыву и вымыву (как самого слива, так и грунта под ним) поверхностным (открытым) и фильтрационным потоком; длина и форма рисбермы должны быть достаточны для погашения скорости схода воды с нее в отводное русло до величин, безопасных в отношении размыва.
При значительной разности в ширинах регулятора и отводного русла для выбора длины слива следует руководствоваться гидравлическим расчетом растекания потока.
Зубья, шпунты ставят большей частью для увеличения длины фильтрационного пути, т. е. для уменьшения уклона подземного потока до допускаемых пределов, а также для ограждения и защиты флютбета от разрушения при размывах грунта.
На рисунке 2—7 показан регулятор, понур которого устроен из бетонных плит, водобой — из толстой бетонной кладки и сливная часть — вначале из дырчатых бетонных плит, уложенных на песчано-гравелистом слое (фильтре), и далее из мостовой. Выходной конус и откосы канала укреплены мощением с прокладкой бетонных балок заподлицо с поверхностью откоса и дна; входной конус покрыт мостовой.
По опыту длины частей флютбета мелиоративных ГС принимают в зависимости от глубины воды, в верхнем бьефе над порогом сооружения в следующих пределах.
Меньшие размеры выбирают при ширине по дну низового канала, близкой к ширине регулятора; указания эти весьма приближенны. На выбор длины слива большое влияние оказывает его конструкция и условия выпуска воды в нижний бьеф (подробнее см. в § 22—6).
В речных сооружениях размеры частей флютбета устанавливаются общей компоновкой сооружений, условиями пропуска речного потока при нормальной эксплуатации и в строительный период, условиями строительства сооружений.
1 О гидротехническом расчете см. Водгео. Указания по проектированию подземного контура водонапорных сооружении на нескальных основаниях. М., 1954; Р. Р. Чугаев. Проектирование и расчет подземного контура бетонных плотин, расположенных на нескольких основаниях. ВНИИГ, М.—Л., 1956.
