Гост 19185-73 гидротехника. основные понятия. термины и определения

Воздействие аэрации на сооружения

При проектирова­нии сооружений, пропускаю­щих поток, с большими скоро­стями, решается ряд вопросов, связанных с аэрацией потока, т. е. захватом воздуха потоком. Захват воздуха происходит че­рез свободную поверхность при ее разрушении турбулент­ными возмущениями, поверхностными водоворотами, возни­кающими, например, при исте­чении воды из-под затвора, в гидравлическом прыжке, при обтекании элементов сооруже­ния, а также свободными стру­ями (рис. 2.5). Захват воздуха через свободную поверхность потока называют самоаэра­цией.

Отрицательное воздействие аэрации на сооружение заклю­чается, например, в «разбуха­нии» потока; которое требует для незамкнутых водопропуск­ных (водосбросных) сооруже­ний увеличения высоты бортов, ограничивающих  поток,  а для замкнутых — высоты водовода; заполнение сечения водовода водовоздушной смесью приводит к падению его пропускной способ­ности, нарушению устойчивости движения.

Воздействия регуляционных сооружений на водный поток

Руслорегулирующие сооружения должны регулировать эрозион­ную деятельность потоков в их руслах, а также изменять режим потока в пределах его русла в направлении, требуемом потребите­лем, и защищать русла от вредных воздействий потока.

Регуляцион­ные сооружения представляют собой дамбы, т. е. стенки из различ­ных материалов, возводимые в руслах, и специальные покрытия, защищающие берега от размыва. Дамбы эти, как правило, не перегораживают всей ширины реки, а возводятся от берегов в попереч­ном, а иногда продольном направлении по отношению к руслу. Иногда они представляют собой «пороги» на дне русла или же ис­кусственные выемки руслового грунта.

Регуляционные сооружения не создают, как правило, подпора но воздействуют на направление и величину скоростей потока, воды, перераспределяя их тем самым воздействуя на формирование русла его глубину, размеры и форму в плане.

Основные задачи гидротехнических сооружений и гидротехники

Для того чтобы использовать водные ресурсы, необходимо строить инженерные сооружения с соответствующим механическим обору­дованием. Такие инженерные сооружения называют гидротехниче­скими, а прикладную науку, занимающуюся общей их теорией, воп­росами проектирования, строительства и эксплуатации, — гидротех­никой. Гидротехникой же называется и соответствующая область техники.

Основная задача гидротехники и гидротехнических сооружений заключается в том, чтобы существующий естественный режим вод­ного объекта — реки, озера, моря, подземных вод — приспособить, изменить, преобразовать для целесообразного и экономичного во­дохозяйственного использования и для защиты окружающей среды от вредного воздействия вод.

Вторая задача гидротехники — создание искусственных водных потоков и водоемов, когда естественных вод недостаточно или они отсутствуют.

Третья задача, специальная — создание установок или сооруже­ний для специальных нужд отдельных видов водного хозяйства, например судоходных шлюзов, зданий гидроэлектростанций, насос­ных станций, рыбоводных систем и т. п.

Силы гидростатического и гидродинамического давления. Кавитация и аэрация

Силы гидростатического давления целесообразно определять, раскладывая их на горизонтальную и вертикальную составляющие. Горизонтальную   составляющую W₁,  W₂ силы    гидростатического давления обычно вычисляют по эпюре горизонтальной составляю­щей давления, представленного в метрах водяного столба (рис. 2.1). Вертикальная составляющая W₃, W₄ равна весу воды в объеме «тела давления», заключенного между напорной поверхностью сооружения и вертикальной плоскостью, проведенной через нижнюю образующую этой поверхности до пересечения со свободной поверхностью воды.

Часть тела давления, заполненная водой, дает силу, направленную вниз, как это показано на рис. 2.1 (тело дав­ления аbс и а’b’с’), незаполненная водой — вверх. Точка приложения сил определяется положением центра тяжести эпюры давления.

Водопроводящие сооружения

Третий вид общих гидротехниче­ских сооружений — водопроводящие, представляют собой искусст­венные русла, выполненные в грунте — каналы, подземные тунне­ли, на поверхности земли — лотки и трубы из различных материа­лов. Сооружения эти транспортируют воду с определенными расходами для самых разнообразных целей: подают воду к турбинам гидроэлектростанций, на орошаемые земли и для обводнения сте­пей, в системы водоснабжения городов, промышленных и других предприятий и отводят воды с осушаемых земель и от других во­допользователей; они используются и в качестве водных путей — судоходных и сплавных и для других разнообразных целей. По су­ществу, это искусственные водные потоки, управляемые теми же законами гидравлики, что и естественные потоки.

К числу водопроводящих сооружений относят и водосбросы, служащие для сброса воды из водоемов, верхних бьефов в нижние через отверстия в плотинах или в обход плотин в береговых соору­жениях.

Воздействия водного потока на ГТС. Механические воздействия водного потока

Механическое дейст­вие воды сказывается в создании давления на поверхности соору­жения статического и динамического, величины которого определя­ют по формулам гидравлики и гидромеханики

Особенно важно значение горизонтальной составляющей гидростатического давления, которая стремится сдвинуть или опрокинуть сооружение

Гидродинамическое давление возникает всюду, где жидкость движется, оно пропорционально, как правило, квадрату скорости движения потока. В частности, оно проявляется и при возникнове­нии ветровых волн на поверхности водоемов (волновое давление) и в случаях землетрясений (сейсмическое давление воды).

Вода оказывает давление не только как жидкость, но и как твердое тело в виде ледяного покрова, появляющегося на водоемах в средних и высоких географических широтах. Давление льда мо­жет быть статическим (при повышении его температуры и невоз­можности свободного расширения) и динамическим — при движе­нии льдин и ледяных полей (при ледоходах).

Взаимодействие волн и сооружений

При расчете устойчивости и прочности гидротехнических сооружений расчетная обеспечен­ность высоты чередующихся волн переменной высоты для соору­жений с вертикальной напорной гранью и для откосов с креплением бетонными плитами -1%, креплением наброской — 2%; для берегоукрепительных сооружений II класса-1%, III и IV клас­са- 2%. Длину волны принимают в пределах  соответ­ственно максимуму волнового давления.

В Iи II зонах волны, подходящие фронтально к стенке верти­кальной или близкой к вертикальной, при глубине непосредствен­но перед сооружением  преобразуются в стоячие волны (волны, не перемещающиеся в пространстве). Если перед стенкой на участке протяженностью не менее , глубина , то на стенку действуют прибойные волны (III зона).

Физико-химические воздействия воды

Сказываются на материа­ле сооружений и водопроницаемом грунте основания. Так, движу­щаяся с большими скоростями вода, особенно, если она влечет с собой донные наносы, истирает поверхности сооружений (камен­ных, бетонных, деревянных), иногда в короткий срок приводя их в негодность; разрушает речное ложе, даже скальное; в случае обра­зования зон вакуума при обтекании сооружения потоком с больши­ми скоростями может возникнуть кавитация, вызывающая особый вид эрозионного разрушения материала в этих зонах.

Металлические части сооружений подвергаются коррозии (ржавлению и окислению), вследствие чего полезная толщина их постепенно уменьшается, например, для обычных сталей общего назначения в среднем на 0,02-0,06 мм в год.

Специальные гидросооружения

Приме­няют в отдельных или нескольких отраслях водного хозяйства (но не во всех, иначе они были бы «общими»). К ним относят: гидроэнергетические сооружения — здания гидроэлектростан­ции, аванкамеры и напорные бассейны, уравнительные башни и шахты;

гидросооружения водного транспорта — судоходные шлюзы, судоподъемники, причальные сооружения, пристани, портовые набе­режные, судоремонтные и судостроительные устройства (эллинги, доки), лесосплавные и лесопропускные сооружения и устройства;

гидромелиоративные сооружения (оросительные, обводнитель­ные, осушительные) — шлюзы-регуляторы, отстойники, оросительная и осушительная сеть, дренажные устройства, коллекторы;

Водоподпорные сооружения (плотины)

Плотины — это сооруже­ния, перегораживающие русло реки и создающие в ней подпор во­ды. Материалом для плотин служат бетон и железобетон, дерево, камень и различные грунты; соответственно плотины называются бетонными, железобетонными, деревянными, каменными и грунто­выми. Наиболее распространенными являются плотины бетонные и из грунтовых материалов — песка, супесей, суглинков, глин, гра­вия, галечника и их смесей, а также рваного камня.

Бетонные плотины делят на гравитационные (массивные), контрфорсные и арочные: гравитационные в поперечном разрезе имеют форму треугольника с шириной основания,   равной около 2/3 высоты, или трапеции; низовая грань прямолинейна или криволинейна   (рис.  1.2, а, б);  в

Гидроузлы и гидросистемы

В зависимости от целей и задач водохозяйственного мероприятия проектируется и строится обычно комплекс различных гидротехнических сооружений, общих и спе­циальных. Такой комплекс гидротехнических сооружений, объе­диненных общей водохозяйственной целью и расположенных тер­риториально в определенном месте, носит название узла гидротех­нических сооружений, или гидроузла (гидротехнического узла).

При наличии в узле водоподпорных сооружений, создающих на­пор в реке или в канале, гидроузел называют напорным (подпор­ным) , в противном случае — безнапорным. По величине создавае­мого напора гидроузлы делят на:

а)  низконапорные, или русловые, в которых нормальный подпор­ный уровень (НПУ), как правило, не выходит за пределы меженно­го русла, или затопляет пойму небольшим слоем и частично; вели­чина напора примерно от 2 до 8-10 м;

б)  среднего напора, или средненапорные, с величиной напора от 8-10 до 30-40м;

в)   высокого напора или высоконапорные, величина напора ко­торых превышает 40 м.

Воздействие льда и речных наносов

Лед может оказывать на сооружения статическое и динамиче­ское давление. Статическое давление обусловлено температурным расширением ледяного покрова перед сооружением, навалом оста­новившегося ледяного поля на сооружение под воздействием тече­ния и ветра и навалом зажорной массы льда (т. е. шуги и мелкобитого льда, скопившихся в русле реки).

Кроме того, на сооружение может действовать направленная вверх или вниз вертикальная сила от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды. Динамическое давление льда обусловлено встречей     с сооружением    движущегося льда.    Равнодействующая сила давления льда прикладывается ниже уровня воды на 0,3 толщины льда.

Основные водопроводящие сооружения

Это искусственные русла, кото­рые устраивают в грунте и из грунта (каналы, туннели) или из бе­тона, железобетона, дерева, металла   (лотки, трубопроводы).

Каналы — это искусственные русла, образуемые в выемках грунтов или в насыпях, или в полувыемках — полунасыпях; попе­речное сечение их обычно трапецеидальное, но бывает и более сложное полигональное. Лотки — это искусственные русла, располагаемые на поверх­ности земли или даже выше, на специальных опорах, и выполня­емые обычно из железобетона, иногда металла, дерева; применя­ются они в тех случаях, когда топографические и геологические ус­ловия не позволяют строить канал в грунте.

Туннели (гидротехнические) — русла замкнутого сечения, устраиваемые в грунте подземными методами работ без вокрыши вышележащей породы; туннели устраивают в тех случаях, когда канал потребовал бы глубокой выемки, больших объемов и слож­ных земляных работ, например при пересечении возвышенностей, гор, при направлении водовода вдоль косогоров, склонных к опол­занию и т. п.

Силы гидродинамического давления

На обтекаемые потоком элементы сооружения действуют силы, слагающиеся из касатель­ных и нормальных напряжений. Касательные напряжения направ­лены в сторону течения и практически ощутимы только при весьма больших скоростях. Нормальные напряжения (давление) обусловлены весом жидкости и изменением направления течения (скоро­сти) при набегании потока на элементы конструкций, при изменении направления течения твердыми границами русла, при встрече с со­оружением волн, свободных струй и др. При срыве вихрей с тела, обтекаемого жидкостью, появляется сила, возбуждающая колеба­ния. При изменении во времени скорости движения жидкости в на­порном водоводе (например, в процессе открытия или закрытия водовода) возникает гидравлический удар.

Силу гидродинамического давления на конструкцию в потоке, например на опору (гаситель, стойка), определяют по формуле

Кавитационные воздействия

Кавитация в водопропускных со­оружениях обусловлена местным падением давления в потоке до критической величины, при которой происходит холодное кипе­ние жидкости. Перемещение образующихся при кипении мельчайших пузырьков, наполненных паром, в область большего давления приводит к конденсации пара, захлопыванию пузырьков и ударам жидкости о твердые границы при захлопывании. В резуль­тате этого происходит разрушение материала, т. е. кавитационная эрозия.

При пропуске воды через водопропускные сооружения с доста­точно большими скоростями наблюдается кавитационная эрозия сливных граней водослива, гасителей энергии в нижнем бьефе и плит водобоя, граней быков водосливных плотин (рис. 2.4,а), оголовков входных и выходных отверстий и быков напорных водо­водов (рис. 2.4, б), участков водоводов за глубинными затворами  (рис. 2.4, в) и др.

Надежность работы сооружений и их оснований

На гидросоору­жение (плотину) действуют многочисленные силы: давления вод­ного потока, фильтрационное противодавление, давление отложив­шихся наносов, сила веса самого сооружения и другие возможные нагрузки. Все эти силы, будучи суммированы, могут быть представ­лены двумя составляющими — горизонтальной Q и вертикаль­ной V.

Эти силы передаются в конечном счете основанию сооружения и изменяют естественное напряженное состояние основания, быв­шее до постройки сооружения, причем в худшую сторону. Так, рас­тут сжимающие и касательные напряжения, могут появиться рас­тягивающие напряжения, а в результате всего развиваются дефор­мации основания и возможные перемещения (сдвиги, наклоны и т. п., в скальных основаниях — трещины).

Это может оказаться недопустимым по условиям эксплуатации сооружения, поэтому для надежного существования и работы сооружения необходимо, что­бы его основание, помимо должной сопротивляемости гидродина­мическим и фильтрационным воздействиям потока и другим нагрузкам, обладало достаточной прочностью или несущей способ­ностью. Для арочных плотин такими свойствами должны обладать и берега, в которые упираются арки.

Основания гидросооружений

Свойства основания и берегов за­висят от геологического строения и имеют исключительно важное значение для надежности гидротехнических сооружений. Особенно важно знание свойств пород, складывающих основа­ние: их прочность, деформативность, степень трещиноватости, во­достойкость, положение и качество подземных вод и пр

Особенно важно знание свойств пород, складывающих основа­ние: их прочность, деформативность, степень трещиноватости, во­достойкость, положение и качество подземных вод и пр. Основаниями сооружений могут быть скальные породы, извер­женные и осадочные, и нескальные — слои песчаные, гравелистые, супесчаные, суглинки, глины и различные их сочетания

Скальные основания допускают строительство на них сооружений почти лю­бых напоров; нескальные, более слабые, позволяют возводить на них только сооружения средних и низких напоров (до 10-30 м), за исключением грунтовых плотин, высота которых может в этих слу­чаях достигать 100 м и более

Основаниями сооружений могут быть скальные породы, извер­женные и осадочные, и нескальные — слои песчаные, гравелистые, супесчаные, суглинки, глины и различные их сочетания. Скальные основания допускают строительство на них сооружений почти лю­бых напоров; нескальные, более слабые, позволяют возводить на них только сооружения средних и низких напоров (до 10-30 м), за исключением грунтовых плотин, высота которых может в этих слу­чаях достигать 100 м и более.

Деление гидротехнических сооружений (гидросооружений) по их воздействиям на водные потоки

Как известно, всякий речной по­ток характеризуется уровнями его водной поверхности (Н), глуби­нами (h) скоростями течения (v) (их величиной и направлением), расходами воды (Q), содержанием наносов (G), грунтами, слагаю­щими ложе (русло) потока. Речные потоки характеризуются еще колебаниями (суточными, месячными, годовыми, многолетними) перечисленных выше гидравлических элементов (уровней, скоростей,расходов воды) и изменениями формы и размеров русла, его пе­ремещениями, называемыми эрозией, т. е. размывающей деятель­ностью потока.

Тесно связанным с режимом речного потока является режим подземных грунтовых вод под руслом, по берегам реки и склонам долины.

В зависимости от характера воздействий на речной поток гидротехнические сооружения делят на:

1) водоподпорные и регуля­ционные (руслорегулирующие), изменяющие режим потока;

2) сооружения, создающие искусственные водные потоки, называемые водопроводящими.

Воздействия фильтрационного потока

Фильтрация воды в ос­новании сооружения и в берегах, описанная выше, вызывает следу­ющие явления:

а) происходит утечка или потери воды из верхнего бьефа (водохранилища);

б) фильтрующаяся вода оказывает дав­ление на подошву сооружения, направленное снизу вверх нормаль­но подошве и называемое фильтрационным давлением (иногда его называют противодавлением). Это давление как бы облегчает со­оружение и уменьшает его сопротивление сдвигающим горизон­тальным силам;

в) фильтрующаяся вода может действовать на породы основания химически, растворяя и вынося в нижний бьеф соли, имеющиеся в породах, постепенно ослабляя основание. Это явление  называется химической суффозией грунта; в несвязных явление 1Н ок и т. п.)( а также в заполнителях трещин скальных грунтах (песоки т.д.) фильтрующая вода может увлекать за собой мелкие и мельчайшие частицы грунта, вынося их в нижний бьеф, что приводит к ослаблению основания; этот процесс носит название механической суффозии и при своем развитии он может привести к разрушению основания и аварии сооружения; при выходе фильтрационного потока в нижний бьеф струи и воды движутся