Проектирование и расчеты гидротехнических сооружений

электро

УДК 626/627(075.8)
ББК 38.77я73
Б74

Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Гидравлика и гидравлические машины» учреждения 
образования «Белорусский государственный аграрный технический университет» 
(заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент А.М. Кравцов); заведующий кафедрой «Гидротехнические сооружения и водоснабжение» учреждения образования «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» кандидат технических наук, доцент М.В. Нестеров

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

ISBN 978-985-06-3003-2 
© Богославчик П.М., Круглов Г.Г., 2018
 
© Оформление. УП «Издательство 
 
 
“Вышэйшая школа”», 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гидротехнические сооружения относятся к категории наиболее 
сложных инженерных объектов. Трудность их проектирования, возведения и эксплуатации определяется главным образом тем, что их параметры, компоновки и конструкции теснейшим образом связаны с 
природными условиями, а именно с топографическими, геологическими, гидрологическими характеристиками района строительства. 
Применить принципы типового проектирования к гидротехническим сооружениям достаточно сложно. Как правило, их возведение на 
таких объектах, как гидроэлектростанции (ГЭС), тепловые и атомные 
электростанции (ТЭС и АЭС), судоходные и рыбопропускные гидроузлы, мелиоративные системы, представляет собой исключительно 
сложную и в значительной степени уникальную задачу. Указанные 
особенности требуют от специалиста не только глубоких теоретических знаний, необходимых для создания и эксплуатации гидротехнических сооружений, но и определенных практических навыков по их 
проектированию. Данное учебное пособие является именно практическим пособием. Его основная цель – помочь студентам при их самостоятельной работе, преимущественно при выполнении курсовых и 
дипломных проектов.
Учебное пособие предназначено главным образом для студентов 
дневного и заочного отделений водохозяйственных специальностей: 
«Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов», «Водохозяйственное строительство», «Строительство тепловых и атомных 
электростанций». Оно может быть использовано студентами других 
специальностей, в учебных планах которых имеются дисциплины, 
связанные с изучением гидротехнических сооружений. 
Пособие подготовлено с учетом многолетнего опыта преподавания 
дисциплины «Гидротехнические сооружения» для трех указанных 
выше специальностей в соответствии с учебными планами и программами, а также с учетом специфики каждой из этих специальностей. 
Книга охватывает наиболее сложные разделы дисциплин «Гидротехнические сооружения», «Гидротехнические сооружения ТЭС и 
АЭС» и «Гидрология и гидротехнические сооружения», по которым в 

рамках самостоятельной работы студенты выполняют курсовые проекты, а также соответствующие разделы дипломных проектов. 
Пособие состоит из 14 глав, содержит примеры расчетов, с достаточной полнотой охватывающие основные проблемы, с которыми студенты сталкиваются при выполнении самостоятельной работы. Оно 
может быть полезно также магистрантам и аспирантам, широкому 
кругу специалистов, занятых проектированием гидротехнических сооружений. Достаточно подробно излагаются теоретические основы, но 
лишь в том объеме, который необходим при решении рассматриваемых практических задач. Вследствие этого использование данного пособия предполагает параллельное изучение общих теоретических курсов гидротехнических сооружений, изложенных в соответст вующих 
учебниках. В приложениях дается справочный материал, необходимый 
для расчетов. 
Расчеты, приведенные в пособии, основываются на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплин «Механика жидкости и 
газа», «Сопротивление материалов», «Строительная механика», «Инженерная геология и гидрогеология», «Инженерная гидрология».
Авторы надеются, что данное пособие будет способствовать более 
глубокой, фундаментальной подготовке инженерных кадров для водохозяйственной и энергетической отраслей Республики Беларусь.
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам рукописи пособия – коллективу кафедры «Гидравлика и гидравлические машины» учреждения образования «Белорусский государственный 
аграрный технический университет», возглавляемой кандидатом технических наук, доцентом А.М. Кравцовым, а также заведующему кафедрой «Гидротехнические сооружения и водоснабжение» учреждения образования «Белорусская государственная сельскохозяйственная 
академия» кандидату технических наук, доценту М.В. Нестерову за 
внимательный просмотр рукописи и полезные замечания и предложения, сделанные при ее рецензировании.
Авторы благодарны также доктору технических наук, профессору 
кафедры «Водоснабжение и водоотведение» учреждения образования 
«Белорусский национальный технический университет»  Э.И. Михневичу за предоставленный материал, использованный при написании 
главы 12 «Каналы и сооружения на них».

Глава 1. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ 
И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

1.1. Гидротехника как наука и отрасль техники

Гидротехника (в переводе с древнегреческого – водное мастерство) – 
это наука и отрасль техники. Как наука гидротехника занимается изучением водных ресурсов, их использованием для различных хозяйственных целей и борьбой с разрушительными проявлениями водной стихии. 
Как отрасль техники гидротехника занимается проектированием, строительством и эксплуатацией гидротехнических сооружений.
Как прикладная наука гидротехника базируется на ряде научно-технических дисциплин, основными из которых являются гидравлика и 
гидромеханика, гидрология и гидрометрия, геология и гидрогеология, 
сопротивление материалов и теория упругости, строительная механика, строительные материалы, бетонные, железобетонные и каменные 
конструкции и др.
В связи с неравномерным распределением водных ресурсов как по 
территории земного шара, так и во времени основными задачами гидротехники являются:
 
изменение, преобразование естественного режима водного объекта (реки, озера, подземных вод и др.) для целесообразного использования в экономике, а также с целью защиты окружающей среды от разрушительного воздействия вод;
 
создание искусственных водотоков и водоемов там, где не хватает 
естественных вод или они полностью отсутствуют.
Гидротехника – одна из древнейших отраслей науки и техники, которой человек начал заниматься с момента перехода к оседлому образу 
жизни, так как земледелием в Средиземноморье, Китае, Индии, Египте и на других территориях невозможно было заниматься без использования речных вод. В VIII–VI вв. до н.э. простейшие гидротехнические 
сооружения (каналы, дамбы) строились в Хорезме. За 4400 лет до н.э. в 
Египте создавались каналы для орошения земель в долине Нила, строились земляные плотины. В Вавилоне за 4 тыс. лет до н.э. в городах 

работали водопроводы и артезианские колодцы. В период расцвета 
Римской империи были построены водопровод в Карфагене (частично 
сохранившийся до наших дней), канализация в Риме, началось осушение Понтийских болот. За 2 тыс. лет до н.э. на территории современных Нидерландов строились дамбы для защиты прибрежных территорий от затопления. За 400–500 лет до н.э. возводились первые судоходные сооружения (канал от Нила к Красному морю).
В средние века широко использовались водяные мельницы, строились 
системы водоснабжения городов и замков, судоходные шлюзы и порты, 
велись работы по осушению и орошению земель. В XVII–XVIII вв. с развитием мануфактур связано строительство плотин и гидросиловых 
установок.
Во второй половине XIX в. с изобретением водяных турбин и строительством гидроэлектростанций связан новый подъем гидротехники.
Основные этапы развития гидротехники на территории Беларуси 
связаны:
 
со строительством в XVIII–XIX вв. воднотранспортных каналов –
Огинского (соединившего реки Ясельда и Щара), Августовского (Неман – Бебша), Березинского (Березина – Западная Двина), ДнепроБугского (Припять – Западный Буг); 
 
с началом работ в 1870 г. в Полесье Западной экспедиции по осушению болот под руководством И.И. Жилинского; 
 
со строительством в 40–50-х гг. прошлого столетия межколхозных 
и колхозных гидроэлектростанций (построено 179 ГЭС); 
 
с широкомасштабными работами по созданию осушительно- 
увлажнительных мелиоративных систем (мелиорировано 3 млн га сельскохозяйственных угодий) и прудовых рыбоводных хозяйств.

1.2. Водные ресурсы и водное хозяйство

Водные ресурсы земного шара состоят из океанов, морей, ледников, озер, рек, подземных вод и паров воды в атмосфере. Общий объем 
всех водных ресурсов оценивается в 1,45 млрд км3, из которых более 
90% (≈ 1,35 млрд км3) составляют воды океанов и морей.
Наиболее важную роль в жизнедеятельности людей играет пресная 
вода, основные источники которой – речной сток и подземные воды. 
Средний годовой речной сток земного шара составляет около 
38 150 км3, из которых на долю Европы приходится примерно 2950 км3, 
а на долю Азии – 12 860 км3.
На территории Республики Беларусь находится более 20 тыс. рек и 
ручьев общей протяженностью около 90,6 тыс. км, более 10 тыс. озер, а 
запасы подземных вод оцениваются в 18 км3.

Речной сток неравномерно распределен по территории и во времени. Около 75% годового стока приходится на короткий (1–3 мес.) период паводков, а на длительный меженный период остается 25%. Это обусловливает трудности для эффективного использования речного стока 
в хозяйственной деятельности, требуя его искусственного перераспределения во времени с помощью водохранилищ. В  настоящее время в 
Беларуси создано более 150 водохранилищ и около 1500 прудов.
Группа отраслей хозяйства, осуществляющих изучение природных 
водных ресурсов и их использование в хозяйственной деятельности, 
составляет водное хозяйство страны. Основными отраслями водного 
хозяйства являются:
 
гидроэнергетика – использование речных и морских вод для производства электрической энергии;
 
водный транспорт – использование речных, озерных и морских 
вод для судоходства и лесосплава;
 
инженерная мелиорация – орошение земель и обводнение пастбищ в районах с нехваткой естественных водных ресурсов и осушение 
переувлажненных земель;
 
водоснабжение населения, промышленных, транспортных и других предприятий, очистка и отведение отработанных вод;
 
использование водных недр – лов и разведение рыбы, добыча 
морского зверя, соли, водорослей и полезных ископаемых;
 
охрана водных ресурсов от загрязнения и защита территорий от 
разрушительного воздействия водной стихии.
Все отрасли водного хозяйства в свою очередь подразделяются на 
водопотребителей, которые забирают воду из водоисточников, расходуют ее на свои нужды и практически не возвращают ее в источник 
(орошение, обводнение и водоснабжение), и водопользователей, которые забирают воду из водоисточников и после использования возвращают ее в источник (гидроэнергетика, водный транспорт).
Рациональное ведение водного хозяйства базируется на принципе комплексного использования водных ресурсов. Это означает, что 
при планировании и проектировании водохозяйственных мероприятий необходимо учитывать потребности всех отраслей водного хозяйства, которые экономически эффективны и целесообразны не 
только в настоящее время, но и в будущем. Кроме того, принцип 
комплексного использования водных ресурсов позволяет при создании водохозяйственных объектов, которые требуют значительных 
капитальных вложений, привлекать финансовые средства нескольких отраслей.

1.3. Классификация гидротехнических сооружений

Инженерные сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов в хозяйственных целях, называются гидротехническими. 
Они характеризуются большим разнообразием конструкций, что объясняется их многоцелевым назначением и многообразием природных 
условий, в которых они возводятся. Все многочисленные типы и конструкции гидротехнических сооружений можно классифицировать по 
ряду наиболее общих факторов.
В з а в и с и м о с т и  о т  в о д н о г о  о б ъ е к т а, на котором возводятся гидротехнические сооружения, они подразделяются на речные, озерные и морские, а  в  з а в и с и м о с т и  о т  и х  м е с т о п о л о ж е н и я 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 плотины, водосбросные сооружения, каналы, 
а к специальным – здания гидроэлектростанций, судоходные шлюзы, 
портовые сооружения и т.д.
По ус л о в и я м  и с п о л ь з о в а н и я все гидротехнические сооружения подразделяются на постоянные, которые служат в течение всего 
периода эксплуатации водохозяйственного объекта, и временные, которые используются только в период строительства или ремонта постоянных сооружений. К временным сооружениям относятся перемычки 
и строительные водосбросы.
В з а в и с и м о с т и  о т  х а р а к т е р а  в о з д е й с т в и я на речной 
поток гидротехнические сооружения подразделяются на водоподпорные, водопроводящие и руслорегулирующие.
В о д о п о д п о р н ы м и  с о о р у ж е н и я м и называются сооружения, 
перегораживающие русло реки и создающие подпор, т.е. разность уровней воды перед сооружениями и за ними (рис. 1.1). Основные водоподпорные сооружения – плотины различных конструкций, возводимые из 
различных материалов.
Зона потока выше по течению плотины называется верхним (или 
подпертым) бьефом (ВБ), а ниже плотины – нижним бьефом (НБ). Разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах (Н) называется напором на сооружение. Подпор уровня воды в верхнем бьефе распространяется вверх по течению реки, постепенно уменьшаясь, а уровни воды 
приближаются к бытовым (hб), т.е. к тем уровням, которые были до 
строительства подпорного сооружения. На всем участке подпора глубина речного потока по мере приближения к плотине увеличивается, а 
скорость потока при этом уменьшается. 

Рис. 1.1. Схема подпорного сооружения:
а – продольный разрез по руслу реки; б – поперечное сечение; 1 – плотина; 2 – уровни грунтовых вод после строительства плотины; 3 – уровни грунтовых вод до строительства плотины; УВБ, УНБ – уровни соответственно верхнего и нижнего бьефов

Вследствие повышения уровня воды в верхнем бьефе происходит затопление прибрежных территорий, которые ранее речными водами вообще не 
затапливались или затапливались кратковременно во время паводков.
Подпор воды в реке вызывает существенные изменения режима 
грунтовых вод, которые разгружаются (стекают) в реку. При подъеме 
уровня воды в реке происходит подъем уровня грунтовых вод, которые 
могут настолько приблизиться к поверхности земли, что использование этих территорий по их назначению оказывается невозможным. Такие территории называются подтопленными.
Под действием напора, созданного плотиной, происходит 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.
В связи с уменьшением скорости течения речного потока в верхнем 
бьефе уменьшается и способность его перемещать (транспортировать) 

взвешенные и донные наносы. В результате наносы начинают выпадать на дно реки, вследствие чего происходит заиление верхнего бьефа.
В о д о п р о в о д я щ и е  с о о р у ж е н и я представляют собой искусственные русла, предназначенные для подачи воды от водоисточника к 
водопотребителю или водопользователю. К водопроводящим сооружениям относятся каналы, гидротехнические туннели, лотки (рис. 1.2), 
трубопроводы и др.

Рис. 1.2. Схемы водопроводящих сооружений:
а – канала; б – гидротехнического туннеля; в – лотка

Каналы – это искусственные русла, выполненные в грунте. Они являются самыми распространенными сооружениями для подачи воды к 
гидроэлектростанциям, оросительным системам, населенным пунктам, для отвода воды с заболоченных земель, пропуска судов и т.д. 
Гидротехнические туннели представляют собой водоводы, выполненные под землей без удаления вышерасположенного слоя грунта.
Лотки – это искусственные русла из бетона, железобетона, металла, 
дерева или полимерных материалов. Они могут устанавливаться непосредственно на поверхности земли или над ней на специальных опорах.
Трубопроводы выполняются из бетона, железобетона, металла и полимерных материалов и укладываются либо на поверхности земли на 
специальных опорах, либо в специально отрытую траншею и засыпаются землей.
Функцию водопроводящих сооружений выполняют также и водосбросы, служащие для пропуска воды из верхнего бьефа в нижний.
Р у с л о р е г у л и р у ю щ и е  с о о р у ж е н и я  не создают разности уровней воды в реке, а предназначены для регулирования эрозионных процессов в русле и изменения режима потока с целью наиболее эффективного использования в хозяйственной деятельности или для защиты 
от его разрушающего воздействия.
Руслорегулирующие сооружения представляют собой дамбы или 
струенаправляющие сооружения, возводимые в русле реки с целью из