Гидротехнические сооружения водохозяйственного назначения

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра 

«Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование»

А. П. Николаев, Р. З. Киселёва 
А. П. Киселёв, Н. А. Гуреева 

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ 

ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Волгоград 

Волгоградский ГАУ

2020

УДК 626 
ББК 38.77 
Г-46

Рецензенты:

кандидат технических наук, заместитель директора ПНИИЭМТ – филиал ФНЦ агроэкологии РАН по науке С.С. Марченко; профессор кафедры «Мелиорация земель и КИВР» ФГБОУ ВО «Волгоградский
ГАУ» С.М. Григоров

Николаев, Анатолий Петрович

Г-46 Гидротехнические сооружения водохозяйственного назначения:
учебное пособие / А. П. Николаев, Р. З. Киселёва, А. П. Киселёв,
Н. А. Гуреева. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2020. – 96 с. 

Для студентов по направлению 20.03.02. «Природообустройство 

и водопользование».

Рекомендовано на заседании методической комиссии эколого
мелиоративного факультета (протокол №10 от 25 июня 2019 г.) 
ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ.

УДК 626 
ББК 38.77 

© ФГБОУ ВО Волгоградский государственный аграрный университет,
2020
© Николаев А. П. Киселева Р. З., 
Киселёв А. П., Гуреева Н. А., 2020

1 ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Запасы пресной воды, необходимой для жизни человека, огра
ничены и ее надо расходовать разумно, особенно если учесть увеличение численности населения.

Отрасль народного хозяйства, в задачи которого входит учет, 

изучение и комплексное использование поверхностных и подземных 
вод, называют водным хозяйством. Водное хозяйство включает:

1. Гидротехнические мелиорации – это инженерные обустройст
ва по осушению земель, обводнению пастбищ и сельскохозяйственному водоснабжению.

2. Гидроэнергетику.
3. Водный транспорт.
4. Водоснабжение и водоотведение (канализация).
5. Использование водных недр (разведение и ловля рыбы).
6. Регулирование рек.
В настоящее время водохозяйственное строительство интенсив
но развивается, чему способствует развитие науки и техники. Наряду 
с созданием бетонных и железобетонных плотин оригинальной конструкции при больших напорах получили интенсивное развитие плотины из грунтовых материалов в разнообразных условиях.

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ 

СООРУЖЕНИЙ

Гидротехническими называются сооружения, предназначенные

для безопасного использования природных водных ресурсов.

К водным ресурсам относят воды рек, озер, морей и грунтовые 

воды. К гидротехническим сооружениям (ГТС) относятся инженерные 
структуры для создания водохранилищ, для регулирования расходов и 
уровней воды в реках, для пропуска льда и др.

Классификация ГТС осуществляется по следующим признакам:
1. По роду водотока или водоема, на котором они построены. 

Различают речные, морские, озерные и прудовые, а так же подземные.

2. По условиям взаимодействия с водотоком и водоёмами, а 

также по характеру выполняемых функций:

а) ГТС водоподпорные (плотины, дамбы, которые перегоражи
вают водоток и воспринимают напор воды);

б) сооружения водопроводящие (каналы, трубопроводы, тунне
ли и др.), служащие для подачи воды к местам потребления;

в) водозаборные сооружения – для забора воды из водотоков и 

водоемов;

г) водосбросные сооружения – для сброса излишков воды и по
лезных «попусков» в нижний бьеф (участок водотока ниже водоподпорного сооружения);

д) регуляционные сооружения (струенаправляющие дамбы, бе
регоукрепительные конструкции) – предназначаются для регулирования взаимодействия потока с руслом, защиты берегов от воздействия 
волн и течений.

3. По целевому назначению ГТС разделяют на сооружения об
щего назначения и специальные. К сооружениям общего назначения 
относятся сооружения, используемые различными отраслями народного хозяйства. К специальным относятся сооружения, предназначенные для нужд одной отрасли водного хозяйства.

4. По условиям использования ГТС разделяются на постоянные 

и временные (на период строительства). Постоянные ГТС разделяются на основные и второстепенные. К основным относятся сооружения, 
разрушение которых приводит к прекращению или уменьшению подачи воды в оросительные системы, к прекращению работы электростанций. К второстепенным относятся те сооружения, разрушение которых не приводит к выше указанным последствиям.

Постоянные ГТС разделяют на 4 класса (1-4). При назначении 

класса учитывают последствия при аварии или нарушении эксплуатации сооружения. В зависимости от материала и вида грунта основания, высоты ГТС и последствий нарушения эксплуатации ГТС их 
класс устанавливается по нормативным таблицам.

1.2 ГИДРОУЗЛЫ И ГИДРОСИСТЕМЫ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Гидроузлом называют группу ГТС, объединенных условиями 

совместной работы и местоположением.

По месту расположения гидроузлы бывают речные, узлы на ка
налах, морские, озерные и прудовые.

Часто гидроузлы имеют комплексное назначение – для нужд не
скольких отраслей народного хозяйства.

Гидроузлы бывают безнапорные (речные гавани) и напорные. 

Напорные гидроузлы подразделяются на низконапорные (Н<10м), 
средненапорные (Н=10-50м) и высоконапорные (Н>50м).

Гидротехническим комплексом или гидросистемой называют 

комплекс ГТС (обычно несколько гидроузлов), имеющих линейные 
участки (участки рек, каналы, туннели) и служащие общим водохозяйственным целям.

1.3 ОСОБЕННОСТИ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ ГТС

Вода оказывает на ГТС механическое, физико-химическое и 

биологическое воздействие.

Механическое воздействие воды проявляется в виде статиче
ских и динамических нагрузок на сооружение и его основание.

Рисунок 1.1 – Напорное движение фильтрационного потока:

1-понур; 2- шпунт; 3- водобой; 4- рисберма 

Динамическим является воздействие на ГТС образующихся во
дохранилище ветровых волн. В районах, подверженных землетрясениям, возникают инерционные сейсмические нагрузки на сооружение.

При фильтрации воды в основании водоподпорного сооружения 

возникает фильтрационное давление Wф, направленное снизу вверх 
(уменьшает сопротивление сдвигу).

Рисунок 1.2 – Безнапорное движение фильтрационного потока:

1- дренажная призма; 2- депрессионная кривая;

3- линия тока фильтрующейся воды

Фильтрационный поток в основании, а так же в теле грунтовой 

плотины может вызывать различные фильтрационные деформации –
фильтрационный выпор грунта в нижнем бьефе, а также контактные 
размывы. Сооружения должно быть запроектировано так, чтобы не 
было фильтрационных деформаций.

Физико-химическое воздействие воды может вызывать корро
зию металлических конструкций, вынос из грунтового основания легко растворимых веществ (гипс, каменная соль).

Биологическое воздействие воды, связанное с жизнедеятельно
стью имеющихся в воде организмов, может привести к гниению деревянных сооружений, зарастанию трубопроводов.

1.4 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГТС

Проектирование осуществляется в одну или две стадии. В одну 

стадию делается рабочий проект со сводным сметным расчетом стоимости. Обычно так проектируют объекты, строить которые будут по 
типовым и повторно применяемым проектам.

В две стадии выполняется проект со сводным сметным расчетом 

стоимости и рабочая документация со сметами. Так проектируют все 
другие объекты строительства, в том числе крупные и сложные.

При проектировании руководствуются действующими нормати
вами (СНИП, ведомственными нормами) а также стандартами на материалы и исследования, каталогами типовых проектов и оборудования. При этом надо учитывать последние достижения науки и техники, прогрессивные инженерные решения, проводить необходимые научные исследования.

В гидромелиоративном строительстве широко используют ти
повые проекты, особенно для небольших сетевых сооружений гидромелиоративных систем. Большую работу проводят по совершенствованию типовых проектов.

Гарантированное обеспечение населения качественной питье
вой водой становится одной из приоритетных задач государственной 
политики. 

Структуры водозабора и водопользования: примерно 80% - из 

поверхностных водоисточников; 12-13% - из подземных; 8% - из морских источников.

К экономически наиболее развитым густонаселенным регионам 

страны приурочено только 10% речного стока. 

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЛЬТРАЦИИ

Движение жидкости в пористой или трещиноватой среде назы
вается фильтрацией.

В ГТС движение фильтрационного потока может быть безна
порным и напорным.

Напорным движением является движение воды в основании 

плотины. В этом случае она оказывает взвешивающее воздействие на 
основание напорного сооружения. Безнапорным движением является 
фильтрация через плотины из грунтовых материалов.

Фильтрационный поток в основании сооружения движется из-за 

разности уровней воды в верхнем бьефе (ВБ) и нижнем бьефе (НБ). 
Водопроницаемость нескальных грунтов в основании сооружения характеризуется коэффициентом k (м/сут), который в фильтрационных 
расчетах принимают постоянным.

2.1 ФЛЮТБЕТ И ЕГО СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ 

Флютбет - напорное ГТС, представляющее собой совокупность 

элементов, воспринимающих напор воды и обеспечивающих его устойчивость. 

Рисунок 2.1 – Составные части флютбета: а- в высоконапорных

и средненапорных сооружениях; б- в сооружениях с низким порогом; 

в- в гидромелиоративных сооружениях на каналах

Флютбет служит для пропуска заданного расхода и фильтрацион
ного потока под ним. В речных высоконапорных и средненапорных сооружениях составными элементами флютбета являются: понур, тело 
плотины, водобой и рисберма, включающая концевой участок (ковш).

В сооружениях малого напора используются: понур, водобой, и 

рисберма с концевой частью.

Понур, тело плотины, водобой принимают водонепроницаемы
ми, а рисберму – водопроницаемой. При необходимости в состав 
флютбета могут входить шпунты.

Поверхность контакта между подошвой флютбета и грунтом 

основания называют подземным контуром. 

Рисунок 2.2 – Эпюра силовых воздействий на подземный контур 

сооружения: а - продольный разрез по водоподпорному сооружению;

б– эпюра фильтрационного давления; 
в – эпюра взвешивающего давления

При движении фильтрационного потока под сооружением от 

верхнего бъефа (ВБ) к нижнему (НБ) возникают фильтрационные силы 
и взвешивающие силы, которые появляются в связи с тем, что флютбет 
погружен в воду. Вертикальная составляющая фильтрационных сил называется – фильтрационным противодавлением. А сила, действующая 

по Архимеду на погруженный в воду флютбет – взвешивающим противодавлением. Обе эти силы направлены вертикально вверх и способствуют всплыванию флютбета. Фильтрационные и взвешивающие противодавления графически изображены в виде эпюр, которые строят на 
горизонтальной проекции флютбета (рис. 2.2). 

2.2 ПРЕДПОСЫЛКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

Под задачей фильтрационного расчета понимаются ответы на 

следующие вопросы:

1. Каков характер фильтрационного потока в основании со
оружения.

2. Определение расхода фильтрационного потока и градиен
тов напора.

3. Определение взвешивающего и фильтрационного противо
давления.

4. Определение размеров флютбета, чтобы обеспечить его ус
тойчивость на всплытие и сдвиг, а также обеспечить устойчивость основания от проявления опасных фильтрационных деформаций.

Ответ на первый вопрос: фильтрационным поток является на
порным, причем расчетный напор равен разности отметок уровней
воды в верхнем и нижнем бьефах. При ответе на остальные вопросы 
принимаются допущения: 

1. Рассматривается плоское движение фильтрационного потока.
2. Грунт основания принимается однородно-изотропным.
3.Движение потока считается установившимся.
4. Коэффициент фильтрации, температура, пористость грунта не 

меняются во времени.

5. Элементы подземного контура сооружения считаются водо
непроницаемыми.

2.3 МЕТОДЫ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

Существующие методы фильтрационных расчетов можно раз
делить на три группы.

Первая группа – гидромеханические, основанные на рассмотре
нии процесса движения фильтрационного потока как задачи математической физики.