Общие понятия о гидротехнических сооружениях

Воздействия водоподпорных сооружений на водные потоки

Любой речной поток характеризуется уровнями его водной поверхности, глубинами h, скоростями течения v (их величиной и направлением), расходами воды Q, содержанием наносов G, грунтами, слагающими русло потока. Перечисленные гидравлические элементы (уровни, скорости, расходы воды) изменчивы в течение суток, от месяца к месяцу, от года к году. Речные потоки характеризуются также изменениями формы и размеров русла, называемыми эрозией, т. е. размывающей деятельностью потока. Рассмотрим, как строительство плотины влияет на ряд перечисленных выше гидравлических элементов. На рис. 3.1 схематично показано водоподпорное сооружение (плотина), перегораживающее русло реки и создающее в потоке подпор, т. е. подъем уровня воды со стороны верховой стороны подпорного сооружения. Водное пространство, прилегающее к верховой стороне подпорного сооружения, называется верхним бьефом (ВБ), к низовой стороне — нижним бьефом (НБ).

Рис. 3.1. Схема воздействия подпорного сооружения на речной поток

Подпор будет распространяться вверх по течению, постепенно уменьшаясь, а уровни воды — приближаться к бытовым уровням реки на расстоянии L от плотины.

На всем участке подпора L будет происходить изменение глубин воды h и скоростей течения v (при одном и том же расходе воды Q) вследствие изменения живых сечений потока. При этом средние скорости течения в ВБ по мере приближения к подпорному сооружению уменьшаются (V_x < У₂)> ^а глубины возрастают (ft-, > h₂).

В результате повышения уровня воды в реке происходит затопление территорий. Схематично площадь водной поверхности в подпертом верхнем бьефе очерчена пунктиром на рис. 3.2, а. Подпор воды изменяет не только уровни, скорости течения, глубины в реке, но и режим подземных вод русла и берегов. На поперечном профиле реки и ее долины (рис. 3.2, б) показан уровень воды 1 в реке до постройки плотины. Уровень грунтовых вод (УГВ) занимал положение, очерченное сплошной линией 1, и подземные воды стекали к реке как к дрене. При подпоре до уровня 2 вода верхнего бьефа, фильтруясь в берега, постепенно насыщает грунты и спустя время УГВ займет положение, очерченное пунктирной линией 2. УГВ может так приблизиться к поверхности земли, что на некоторых участках глубина залегания подземных вод h_n может стать слишком малой. Таким образом, вышележащие земли окажутся в так называемой зоне подтопления (заболоченной или непригодной для сельскохозяйственного использования).

Рис. 3.2. Схема затопления территорий

Благодаря подпору частица воды в некоторой точке А водопроницаемого основания, будет испытывать со стороны ВБ большее давление h_B, чем со стороны низовой грани h_H. Частицы воды в основании движутся из ВБ в НБ по некоторым траекториям, в результате чего часть воды из водохранилища уходит в НБ подземным путем (рис. 3.3). Аналогично возникает движение подземных вод по берегам, в обход плотины, вызванное разницей уровней подземных вод в верхнем и нижнем бьефах. Явление, при котором частицы воды движутся в сторону НБ, называется фильтрацией воды.

Рис. 3.3. Схема фильтрации воды в береговых примыканиях плотины (а) и ее основании(б)

Благодаря подпору и изменению скоростей течения в верхнем бьефе изменяется способность потока транспортировать наносы, взвешенные и влекомые по дну. В верхнем бьефе начинают выпадать на дно сначала наиболее крупные наносы, затем более мелкие и, у самого сооружения, мельчайшие частицы наносов (по мере уменьшения скорости течения). Освобожденная от наносов вода, попадающая в нижний бьеф (через специальные отверстия с затворами), снова насыщается ими за счет грунтов русла, вызывая размывы его на некотором участке вниз по течению. Это происходит до тех пор, пока не наступает равновесие между размывающей способностью реки и сопротивлением грунта дна и берегов размыву.