Большое развитие в нашей стране получили гидрология и теория водохозяйственного проектирования, гидравлика открытых русел и сооружении, теория движения наносов и эрозии русел, теория движения грунтовых вод и фильтрация через сооружения, в их основаниях и в берегах.
Ни одно гидротехническое мероприятие нельзя ни запроектировать, ни осуществить, не учитывая гидрологических условии, режима и эффекта предстоящей работы сооружении Понятно, что в отдаленном прошлом расчета, в современном понимании этого термина, вообще не существовало, место его занимало суждение, основанное на опыте и интуиции Возможность расчета появилась в результате длительного и систематическою изучения рек.
Эти и последующие исследования ряда русских ученых открыли новый этап в истории развития учения о стоке, который стал рассматриваться в связи с влияющими на его формирование физико- географическими условиями водосборного бассейна.
Преобразование и развитие водного хозяйства СССР, начатое по плану ГОЭЛРО и в последующем продолженное во время пятилеток, поставило перед гидрологией ряд сложных задач, к числу которых в первую очередь относились вопросы теории использования и регулирования стока Для проектирования комплексных водохозяйственных мероприятий и отдельных гидротехнических сооружений в различных частях страны необходимо было иметь расчетные характеристики стока по большому числу рек, еще недостаточно изученных или же вовсе не изученных Наряду с этим особое значение приобретала разработка методов предвидения гидрологических условий — прогноза, не ограниченного короткими сроками, а распространяющегося в той или иной степени на весь период эксплуатации проектируемых гидросооружении Возникла необходимость в предвычислении различных характеристик стока, учитывающих возможные в будущем климатические колебания, в оценке влияния на работу сооружении ледо-термических и русловых деформаций, а также изменении, вносимых в естественный режим рек самими сооружениями и различными реконструктивными мероприятиями в бассейнах рек Установление этих основных закономерностей было необходимо для оценки гидрологическою режима при наличии малого количества данных непосредственных наблюдений.
В этот период ясно сказалась теоретическая отсталость гидрологии, как науки, и ее неспособность с позиций только гидрометрического изучения рек удовлетворить многочисленные и разнообразные запросы развивающегося водного хозяйства СССР.
Теоретическая отсталость гидрологии в учении о стоке была преодолена трудами многих исследователей, из которых первое место принадлежит советскому ученому Д И Кочерину В работе «Средний многолетний, годовой и месячный сток в Европейской части СССР», опубликованной в конце 20-х годов, Д И Кочерин писал « мы стоим перед фактом глубокого разрыва гидротехники с гидрологией стока»
Заслуга этого исследователя в том, что он первый перешел от гидравлических представлений процессов руслового стока к широким территориальным обобщениям этого процесса, взятым не изолированно, а в связи с природными условиями и хозяйственной деятельностью человека Д И Кочерин впервые наметил основные черты геофизического распределения нормы стока, годовых и сезонных характеристик его, максимальных и минимальных расходов воды, объемов стока половодий и паводков и пр.
Наряду с изучением распределения среднего многолетнего стока, Д И Кочерин наметил пути для исследования вариации (изменчивости) годового стока, обнаружив закономерности ее изменения в зависимости от размеров и географического положения бассейнов Впервые в масштабе всей Европейской части СССР им был разработан вопрос о внутригодовом распределении стока рек Не менее значительны исследования максимального и минимального стока рек СССР, Д И Кочерин, исходя из географической природы стока, впервые дал основы гидрологического районирования СССР и разработал более совершенные расчетные формулы.
Для исследования вопросов стока Д И Кочерин впервые применил метод водного баланса, который получил дальнейшее развитие в трудах ряда советских ученых и нашел широкое применение в современной практике гидрологических расчетов.
В годы первой пятилетки труды Д И Кочерина зачастую были единственным источником сведений, необходимых для проектированья гидросооружений, строившихся в целях обеспечения водой промышленных предприятий, населенных пунктов и других объектов.
В результате плодотворной деятельности советских ученых были сформулированы новые разделы гидрологии, ранее пли отсутствовавшие или находившиеся в зачаточном состоянии общая теория стока по ряду основных разделов, в частности по формированию водных масс стока под воздействием факторов, механизму их перемещения во времени.
Появляется специальная литература по методике водохозяйственных расчетов, составляется первое систематическое руководство по регулированию стока (М В Потапов Регулирование стока М , 1933, 2-е нзд М , 1940).
Успехи в области создания рациональной методики водохозяйственного расчета, достигнутые советскими исследователями, позволили перейти к построению основных разделов теории регулирования и использования речного стока Советские ученые разработали методику предвычисления стока предстоящего периода работы гидроэлектрической станции и установления оптимального водного режима будущих ГЭС, водохранилищ и комплексных водных систем, которые обслуживают различных водопользователей, и хи, иначе, разработали методику водохозяйственных и водно-энергетических расчетов В этой области советские ученые оста вили далеко позади зарубежных ученых, развив математические методы прогноза такого изменчивого фактора, как речной сток.
Всесторонне разрабатывались советской наукой вопросы динамики русловых потоков, и в настоящее время можно вести расчеты, связанные с размывом берегов и дна, движением наносов и их отложением и составлять прогнозы размыва русел и заиления водохранилищ.
В развитии учения о речном русле большую роль сыграли русские исследователи XIX в В М Лохтин и Н С Лелявскпн В М Лохтин впервые оцепил влияние продольного баланса наносов в потоке и указал на связь этого баланса с деформациями ложа Н С Лелявскии впервые дал объяснение наблюдаемым в природе особенностям строения русел по замеренным поверхностным и донным струям речного потока Новейший этап развития учения о речном русле неразрывно связывается с современными представлениями о турбулентном движении жидкости В свете этих представ тении оказалось возможным математически описать механизм взвешивания потоком твердых частиц, являющийся ключом к пониманию процессов руслообразования.
В связи с климатическими условиями СССР особое значение для проектирования гидротехнических сооружений и систем имеет изучение зимнего режима рек и каналов В этой области советские ученые опередили зарубежную науку Трудами акад Η Н Павловского, проф В Я Альтберга и других советских исследователей создана научно-обоснованная картина зимнего термического и ледового режима водоемов и рек в районе гидроузлов, могущая служить основой для построения методики расчета движения.
* * *
Гидравлика, как одна из основных дисциплин гидротехники, получила большое развитие в трудах ученых нашей страны, особенно в советское время Достаточно указать на таких корифеев науки, как М В Ломоносов, Д И Менделеев, Η Е Жуковский, наши современники — академики С А Чаплыгин, Η Н Павловский, Е А Замарин и др.
Из научных работ, послуживших базой для исследований в области водного хозяйства и гидроэнергетики, рассмотрим крупнейшие работы мирового значения, выполненные Η Е Жуковским π Η Н Павловским в области гидромеханики и гидравлики.
Η Е Жуковский — создатель гидромеханики как обособленной научной дисциплины, ставшей основой развития гидравлики и гидротехники Классические труды Η Н Павловского имеют огромное практическое значение для развития гидротехники и до сих пор служат основным руководством для гидротехников не только в нашей стране, но и за рубежом Достаточно сказать, что в современной советской гидротехнической литературе нет пожалуй, ни одной книги, где не было бы ссылок на те или другие работы Η Е Жуковского и Η Н Павловского.
Крупнейшие искусственные водохранилища мира.
Таблица 24 (окончание)
Труды Η Н Павловского посвящены тем главнейшим областям гидравлики и гидромеханики, на которые в основном опирается все гидротехническое проектирование, а именно напорному движению грунтовых вод под гидротехническими сооружениями, без напорному движению грунтовых вод, движению воды в открытых руслах и гидравлике сооружений «Во всех своих исследованиях, - писал акад С А Чаплыгин,— Η Н Павловский проявлял необычайную ясность мысли и талантливость в умении найти правильную схему, так как без схематизации задачи не был бы возможен ее математический анализ» 2
В области напорного движения грунтовых вод Η Н Павловский явился создателем и основоположником гидромеханической теории напорной фильтрации Он дал точное решение главнейших случаев движения грунтовых вод и наметил обширные пути дальнейшего развития этой практически весьма важной отрасли гидро механики В последующих работах Η Н Павловский на базе своей теории, а также используя предложенный им экспериментальный метод, получивший название «метод ЭГДА», дал, в частности а) метод расчета толщины флютбетов гидротехнических сооружений, б) принципиальное решение вопроса о «фильтрационных силах», действующих в водопроницаемых основаниях сооружений, в) приближенный гидромеханический способ расчета движения грунтовых вод под сооружениями, названный «способом фрагментов» и позволяющий довольно просто решать ряд проектных за дач с достаточной для практики точностью, г) решение вопроса о фильтрации под гидротехническими сооружениями при анизотропных слоистых грунтах, д) гидромеханическое решение фильтрации в основании плотин, образуемых наброской камня в текущую воду.
В области безнапорного движения грунтовых вод советскими учеными разработано стройное и весьма логичное гидравлическое решение ряда практических вопросов неравномерного движения фильтрационных вод (для случаев ламинарного и турбулентного режимов) В частности, работы Η Н Павловского явились основой гидромеханического рассмотрения вопроса о безнапорной фильтрации Кроме того, предложен весьма ценный гидравлический метод фильтрационного расчета земляных плотин, а также гидромеханический способ расчета фильтрации воды из каналов.
В области движения воды в открытых руслах даны рациональная показательная формула для коэффициента Шези, метод расчета равномерного движения воды в руслах с разнородной шероховатостью, способ построения кривых свободной поверхности потока при неравномерном движении оригинальный способ расчета неравномерного движения воды в каналах, графический и графоаналитическим методы построения кривых свободной поверхности в естественных водотоках, расчет водотоков при наличии ледяного покрова.
2 С Чаплыгин Николай Николаевич Павловский «Вестник АН СССР» 1937 № 6, стр 66
По гидравлике сооружении предложено решение в самой общей форме плоской задачи о сопряжении бьефов, даны оригинальный метод расчета маневрирования затворами плотин, расчет быстротоков переменного сечения, «обобщенная формула для водосливов», расчет полузатопленных отверстий и т и.
Трудами Η Н Павловского и его учеников создана советская школа гидравлики, давшая новые, строго научные и в то же время более простые методы расчета неравномерного и неустановившегося движения воды в открытых руслах.
Гидравлика сооружений, позволяющая рассчитывать разнообразные и сложные гидротехнические сооружения, развилась в нашей стране на основе работ многочисленных (более 40) лабораторий, созданных в научно-исследовательских и учебных институтах, проектных и производственных организациях В настоящее время советская гидравлика сооружений занимает первое место в мире по масштабам теоретических и экспериментальных работ, по широте охвата комплексов сооружений и строгости методики исследований Особенно следует отметить исследования и разработку оригинальных конструкций перепадов, быстротоков и сбросов, а также водосливов (безвакуумных и вакуумных), составляющих важный элемент любой гидроэлектростанции.
Исключительных результатов добились советские ученые в разработке теории движения грунтовых вод и фильтрации воды через сооружения и в их основаниях.
Вопросы напорной фильтрации воды под гидросооружениями нашли фундаментальное теоретическое (методом гидромеханики) решение еще в 1922 г в капитальной диссертации Η Н Павловского «Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные приложения» и в последующих его трудах, а затем в работах акад Е А Замарина и других ученых.
Советскими учеными даны также гидромеханические решения для глухих земляных плотин, перемычек и вообще безнапорной фильтрации, в обход сооружений, в берега водохранилищ и из каналов, а также фильтрации в крупнозернистом материале Приступлено к решению трудных задач неустановившейся фильтрации (метод гидравлического интегратора), фильтрации в неоднородных грунтах и в трещиноватых породах.
В результате этих работ изучены сложные явления фильтрации в зоне подпорных гидротехнических сооружений и фильтрации из русел, выработана методика моделирования этих явлений, разработаны методы расчета гидросооружений, найдены рациональные их конструкции для применения в различных инженерно-геологических и гидрологических условиях В этой области наша отечественная наука имеет достижения поистине мирового значения.
Предложенный в 1922 г Η Н Павловским экспериментальный метод расчета грунтового потока, основанный на аналогии электрических и гидродинамических явлений и названный «методом электро-гидродинамических аналогий» (методом ЭГДА)1, нашел самое широкое применение в СССР и за границей Пользуясь методом ЭГДА (ценность которого заключается, в частности, в том, что он может быть применен даже там, где задача не поддается математическому анализу), можно воспроизвести условия фильтрации на модели и с большой точностью (0,1—0,2%) быстро рас считать фильтрата в самых разнообразных условиях основании напорных сооружении при любых формах их фундаментов и в сложнейших дологических условиях.
В частности, для Волховской плотины впервые был применен так называемый поверхностный режим сопряжения бьефов и метод затопления свободно падающей струп.
Необходимо отметить, что вопросы безопасного сброса воды в нижний бьеф исследовались всесторонне, с применением рационального маневрирования затворами плотины и учетом реальных условий борьбы со сбойными течениями в нижних бьефах.
Широкое распространение получила идея устройства наклонного водобоя, который начинается непосредственно от водослива и продолжается до минимальной отметки водобойного колодца.
В связи с начавшимся проектированием сборных гидротехнических конструкций может найти применение конструкция рисбермы с покрытием из бетонных плит, укладываемых подобно черепицам Движение потока вдоль плит с обратными уклонами создает дополнительное гидродинамическое давление, повышающее их устойчивость.
В настоящее время можно предугадать поведение русла после устройства плотины Имеющиеся методы расчета позволяют переходить на конструкции со свободно падающей струей.
Ведущее место занимает СССР и в разработке теории действия волн на гидросооружения и берега водоемов Наши крупные гидроузлы оказываются в своеобразных условиях «морей» — водохранилищ на больших реках, образованных подпорными сооружениями, что определило развитие ранее малоисследованных вопросов волнения в крупных водохранилищах под воздействием ветровой волны, сгонно-нагонных явлений и пр Изучены законы переформирования берегов водохранилищ под воздействием поверхностного стока и ветра.
Все эти проблемы были успешно разрешены при сочетании теоретических разработок, натурных исследований и хорошо организованных экспериментов.
Созданные практические рекомендации обеспечили решение водохозяйственных проблем при проектировании водохранилищ (Рыбинское, Цимлянское, Куйбышевское и др), при расчете защитных покрытий откосов каналов и земляных плотин, воздействии волн на затворы плотин и на режим нижнего бьефа, а также при проектировании оградительных и морских сооружении.
