Гидротехнические сооружения : лабораторный практикум

Допущено
Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия 
для студентов учреждений
высшего образования по специальностям
«Водохозяйственное строительство»,
«Строительство тепловых
 и атомных электростанций» 

 Минск
«Вышэйшая школа»
2019

Г.Г. Круглов
Ю.А. Медведева

Гидротехнические 
сооружения

Лабораторный практикум

УДК 626/627(076.58)
ББК 38.77я73
 
К84

Р е ц е н з е н т ы : кафедра «Энергетика» учреждения образования «Белорусский государственный аграрный технический университет» (доцент кафедры кандидат технических наук, доцент А.М Кравцов); заведующий группой отдела водопроводов и канализации ОАО «Белгорхимпром» кандидат технических наук, доцент А.М. Шейко 

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части 
не может быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3045-2 
© Круглов Г.Г., Медведева Ю.А., 2019
 
© Оформление. УП «Издательство
 
 
“Вышэйшая школа”», 2019 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Практикум включает в себя 13 лабораторных работ по основным 
разделам дисциплин «Гидротехнические сооружения» и «Гидротехнические сооружения и ГЭС» для студентов специальности «Водохозяйственное строительство» (специализации «Гидротехническое строительство» и «Водные пути и порты»), а также специальности «Строительство тепловых и атомных электростанций».
Гидротехнические сооружения – это инженерные сооружения, которые предназначены для использования водных ресурсов в хозяйственных целях или для борьбы с вредным воздействием водной стихии. Основной целью дисциплины «Гидротехнические сооружения» 
является получение студентами необходимых знаний для проектирования и строительства гидротехнических сооружений.
При решении основных задач, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, гидроузлов, используются различные методы 
исследования – теоретический, экспериментальный (лабораторный, натурный), метод аналогии вариантного проектирования и др.
Лабораторные исследования обычно проводят в двух направлениях:
 
в ходе специальных опытов (проверяют те или иные положения 
теории или на основе серии опытов строят теорию);
 
на основе лабораторного моделирования сооружений и конструкций (замеряют искомые величины – скорости течения, деформации, 
давления и т.п.). 
Лабораторные занятия дают ценные результаты и позволяют не 
только надежно обосновать проект конкретного сооружения, но и развить теорию, содействуя, таким образом, прогрессу гидротехнического 
строительства.
Основной задачей лабораторных работ является ознакомление студентов с конструкциями и методами гидравлических, фильтрационных 
и статических расчетов подпорных и водосбросных гидротехнических 
сооружений, с методикой их лабораторных исследований и обработки 
экспериментальных данных.
Практикум призван улучшить подготовку студентов на базе расширения объемов самостоятельной работы по изучению соответствующих 
дисциплин, привить навыки творческой работы в области исследований гидротехнических сооружений. 
Последовательность выполнения лабораторных работ полностью 
соответствует материалу, изучаемому студентами на лекционных занятиях. 

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ

При выполнении лабораторных работ, которые проводятся в специально оснащенной уникальной лаборатории гидротехнических сооружений, необходимо соблюдать требования инструкций по охране труда 
и пожарной безопасности. На первом занятии каждый студент обязан 
ознакомиться с основными инструкциями: «Инструкцией по охране 
труда для студентов и слушателей университета, профессорско-преподавательского состава», «Инструкцией о мерах пожарной безопасности 
в административных зданиях и помещениях», «Инструкцией по оказанию первой медицинской помощи при поражениях электрическим током и других опасных случаях». После этого необходимо зарегистрироваться в журнале регистрации инструктажа. Также студенты должны 
знать и соблюдать правила внутреннего распорядка университета.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Èññëåäîâàíèå ôèëüòðàöèè ÷åðåç îäíîðîäíóþ 
çåìëÿíóþ ïëîòèíó ñ äðåíàæíîé ïðèçìîé, 
ðàñïîëîæåííóþ íà âîäîóïîðå

Цель работы: построить кривую депрессии в теле плотины по опытным данным и сравнить ее с вычисленной по аналитическим зависимостям; определить опытным путем фильтрационный расход через 
тело плотины и сравнить его с вычисленным значением.

Òåîðåòè÷åñêàÿ ÷àñòü

Инженерные сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов в хозяйственных целях, называются гидротехническими. 
Они характеризуются большим разнообразием конструкций, что обусловливается их многоцелевым назначением и многообразием природных условий, в которых они возводятся. Все многочисленные типы гидротехнических сооружений можно классифицировать по следующим 
наиболее общим факторам.
В зависимости от водного объекта, на котором возводятся гидротехнические сооружения, они подразделяются на речные, озерные и морские, а в зависимости от их местоположения относительно поверхности 
земли – на наземные и подземные. В данном курсе будут рассматриваться речные гидротехнические сооружения.
Гидротехнические сооружения, которые используются одновременно несколькими отраслями водного хозяйства, называются общими, а 
сооружения, предназначенные для использования только одной какой-либо отраслью, – специальными. К общим гидротехническим сооружениям относятся, например, плотины, водосбросные сооружения, 
каналы, а к специальным – здания гидроэлектростанций, судоходные 
шлюзы, портовые сооружения др.
В зависимости от характера воздействия на речной поток гидротехнические сооружения подразделяются на водоподпорные, водопроводящие и руслорегулирующие.
Водоподпорными называются сооружения, перегораживающие русло реки и создающие подпор, т.е. разность уровней воды перед и за 
сооружениями. Основными водоподпорными сооружениями являются плотины различных конструкций, возводимые из различных материалов.

Зона потока выше по течению реки называется верхним (или подпертым) бьефом (ВБ), а ниже – нижним бьефом (НБ). Разность уровней 
воды в верхнем и нижнем бьефах называется напором (Н) на сооружение. Подпор уровня воды в верхнем бьефе распространяется вверх по 
течению реки, постепенно уменьшаясь, а уровни воды приближаются к 
бытовым (hб), т.е. тем уровням, которые были до строительства подпорного сооружения. Глубина речного потока увеличивается по мере приближения к плотине, а скорость потока при этом уменьшается.
Вследствие повышения уровней воды в ВБ происходит затопление 
прибрежных территорий, которые ранее не затапливались или затапливались кратковременно во время паводков и половодий.
Под действием напора, созданного плотиной, осуществляется движение воды из верхнего бьефа в нижний через поры грунта основания. 
Это явление называется фильтрацией воды в основании сооружения. 
Помимо фильтрации в основании сооружения созданный напор вызывает и фильтрацию воды в берегах, к которым примыкает подпорное 
сооружение, так называемую обходную фильтрацию, т.е. фильтрацию в 
обход подпорного сооружения.
Водопроводящие сооружения представляют собой искусственные 
русла, предназначенные для подачи воды от водоисточника к водопотребителю (водопользователю). К водопроводящим сооружениям относятся каналы, гидротехнические туннели, лотки и трубопроводы.
Руслорегулирующие сооружения не создают разности уровней воды в 
реке, они предназначены для регулирования потока в русле и на пойме, 
эрозионных процессов в русле, а также для изменения режима потока с 
целью наиболее эффективного его использования в хозяйственной деятельности или для защиты берега от разрушающего воздействия.
Руслорегулирующие сооружения представляют собой дамбы или 
струенаправляющие сооружения, возводимые в русле реки с целью изменения режима движения речного потока для максимально эффективного использования потребителями. К регуляционным сооружениям относятся также береговые одежды, защищающие берег от размыва 
речным потоком.
Все постоянные гидротехнические сооружения в зависимости от их 
высоты и типа грунтов основания, социально-экономической ответственности и последствий возможных аварий подразделяют на классы: 
I, II, III и IV.
Классификация плотин из грунтовых материалов. По материалам, которые используются для возведения тела плотины, различают плотины:
 
земляные – из одного или нескольких маловодопроницаемых мелкозернистых грунтов;
 
каменно-земляные – часть тела плотины из мелкозернистых грунтов, часть – из крупнообломочных;

каменные – из крупнообломочных грунтов с водонепроницаемыми устройствами из негрунтовых материалов.
По способу возведения грунтовые плотины подразделяются:
 
на насыпные – возводимые послойной отсыпкой грунтов насухо с 
последующим механическим уплотнением или путем отсыпки грунта в 
воду;
 
намывные – возводимые средствами гидромеханизации, когда 
разработка грунта в карьере, его транспортировка и укладка в тело плотины осуществляются с помощью воды;
 
полунамывные – возводимые частично отсыпкой грунта насухо, 
частично методом гидромеханизации;
 
взрывонабросные – возводимые направленным взрывом.
По высоте грунтовые плотины делятся:
 
на низкие – напор менее 15 м;
 
средние – 15…50 м;
 
высокие – более 50 м.
По условиям пропуска строительных и эксплуатационных расходов 
воды различают плотины:
 
глухие – перелив воды через их гребень не допускается, а фильтрационный расход через тело плотины мал по сравнению со строительными или эксплуатационными расходами;
 
фильтрующие – фильтрационный расход через тело плотины соизмерим со сбросными расходами;
 
переливные – допускающие перелив воды через гребень и низовой 
откос плотины, которые соответствующим образом закрепляются;
 
с размываемой вставкой – обеспечивающие пропуск расчетных 
паводковых вод через частично размываемый участок плотины.
Земляные плотины по конструктивному признаку подразделяются 
на однородные (без противофильтрационных элементов) и неоднородные 
(с противофильтрационными элементами). В зависимости от местоположения противофильтрационных элементов различают плотины с 
центральным ядром (рис. 1.1, а), когда ось ядра совпадает с осью плотины, с наклонным ядром (рис. 1.1, б) и с экраном, располагающимся непосредственно у верхового откоса плотины (рис. 1.1, в). 
При возведении плотины на водопроницаемом грунте большой 
мощности (Т > 20 м) могут устраиваться плотины с экраном и понуром 
(рис. 1.1, г).
В качестве негрунтовых противофильтрационных устройств могут применяться экраны и диафрагмы, однако в земляных плотинах 
они используются редко, за исключением экранов из полимерных 
пленок, которые в настоящее время достаточно широко распространены. 

Рис. 1.1. Типы земляных плотин:
а – плотина с центральным ядром; б – плотина с наклонным ядром; в – плотина с экраном; г – плотина с экраном и понуром; 1 – центральное ядро; 2 – наклонное ядро; 3 – экран; 4 – понур; 5 – дренажная призма; 6 – обратный фильтр; 7 – крепление верхового откоса; m1 и m2 – соответственно коэффициенты заложения верхового и низового откосов плотины; kт, kя, kэ – соответственно коэффициенты фильтрации грунта тела плотины, ядра и экрана; Т – толщина водопроницаемого слоя

m1

m1

m1

m1

2
m

2
m

2
m

2
m

kя

kя

k т

kт

kт

kэ

kэ

7

7

7

7

1

2

6

6

6

6
4

3

3

5

5

5

5

Т

Водоупор

НПУ

НПУ

НПУ

НПУ

УНБ

УНБ

УНБ

УНБ

а

б

в

г

kт

Фильтрационные расчеты земляных плотин выполняются с целью 
определения положения депрессионной кривой, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока и вычисления фильтрационного расхода. Результаты фильтрационных расчетов используются 
для проверки устойчивости откосов плотины, для определения фильтрационной прочности грунта тела плотины и основания, а также для 
обоснования принятых размеров поперечного профиля плотины, противофильтрационных и дренажных устройств. Кроме того, эти расчеты 
позволяют определить потери воды из водохранилища на фильтрацию, 
что необходимо при проведении водохозяйственных расчетов водохранилищ. 
Для выполнения фильтрационных расчетов разработаны экспериментальные и аналитические методы.
К экспериментальным относятся метод электрогидродинамических 
аналогий (ЭГДА), разработанный академиком Н.Н. Павловским, методы «грунтовой лоток» и «щелевой лоток». Наиболее распространенным 
экспериментальным методом является метод ЭГДА, а наиболее точно 
описывающим реальную картину движения фильтрационного потока 
через тело плотины – метод «грунтовой лоток», который используется 
во всех лабораторных работах по исследованию фильтрации.
Аналитические методы делятся на две группы: гидромеханические 
методы и гидравлические методы.
Гидромеханические методы расчета основаны на решении уравнения 
Лапласа при заданных граничных условиях. Пользуясь этими методами, можно определить все параметры фильтрационного потока в любой точке области фильтрации. Они дают наиболее точные результаты, 
но сложны и неудобны в использовании и разработаны только для наиболее простых расчетных схем. В связи с этим их практическое применение ограничено. 
Наибольшее распространение в проектной практике получили гидравлические методы расчета. Эти методы хотя и менее точны, чем гидромеханические, но значительно проще и дают решения для самых 
разнообразных расчетных схем. Они основаны на законе Дарси с применением формул Дюпюи.
При выводе расчетных зависимостей приняты следующие упрощения и допущения:
 
рассматривается движение грунтовых вод в одной плоскости 
(плоская задача); скорости, перпендикулярные этой плоскости, принимаются равными нулю;
 
грунт тела плотины считается однородным изотропным, т.е. коэффициент фильтрации в любой точке области фильтрации постоянен 
по всем направлениям;

потери напора в креплении верхового откоса не учитываются;
 
при наличии водоупора в основании плотины он считается теоретически водонепроницаемым.
Расчет фильтрации (рис. 1.2) ведется по формуле Дюпюи

 
q
k
h
h
L
т
p
= 1
2
2
2

2

–
, 
(1.1)

где q – удельный расход фильтрации, см3/с на погонной длине 1 см; 
kт – коэффициент фильтрации грунта тела плотины, см/с; h1 – глубина 
воды в верхнем бьефе, см; h2 – глубина воды в нижнем бьефе, см.
Расчетная длина фильтрационного пути

 
Lp = ΔLв + L + ΔLн, 
(1.2)

где L – расстояние от оси ординат до верховой бровки дренажной 
 призмы;

 
ΔLв = 
m
m
h
1

1
1
2
1
+
, 
(1.3)

 
ΔLн = 
′
m h
1
2
3
,  
(1.4)

где m1 – коэффициент заложения верхового откоса плотины; 
′
m1  – коэффициент заложения верхового откоса дренажной призмы.
Ординаты кривой депрессии определяются по формуле

 
hx = 
2
2
q
k
L
x
h
т
c
−
(
)+
,  
(1.5)

где hx и x – текущие координаты кривой депрессии.
Ординаты кривой депрессии в вертикальном сечении, проходящей 
через бровку верхового откоса дренажной призмы, можно найти из 
уравнения

 
hс = 
h
q
k
L
L
1
2
2
−
+
(
)
т
в
Δ
. 
(1.6)