Водосбросные и водозаборные сооружения

 
 
DZǶdzȕȗȊȚȔȕȉ









ǩǵǫǵǸǨǷǵǸǴȂǬǯǩǵǫǵǮǧǨǵǷǴȂǬ
ǸǵǵǷǺǭǬǴǯȆ


ǺȞȌȈȔȏȑ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ 
ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 
2024 
 

УДК 627.83 
ББК 38.774 
 
М79 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры гидротехнических сооружений,  
конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет  
морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова»  
Колосов Михаил Александрович;  
доктор технических наук, профессор, главный специалист  
ООО «Морстройтехнология» (Санкт-Петербург)  
Миронов Михаил Евгеньевич 
 
 
 
 
 
Моргунов, К. П. 
М79  
Водосбросные и водозаборные сооружения : учебник / К. П. Моргунов. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 140 с. : ил., табл.  
 
 
ISBN 978-5-9729-1661-0 
 
Дается определение и приведены характеристики водосбросных и водозаборных 
сооружений гидроузлов: классификация, характер движения потоков через такие сооружения, гашение энергии и сопряжение бьефов. Рассмотрены различные конструкции водосбросных сооружений, вопросы гидравлики таких сооружений, принципы 
размещения в руслах водотоков водозаборных сооружений, а также особенности забора воды из подземных источников. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
«Строительство», «Природообустройство и водопользование». 
 
УДК 627.83 
ББК 38.774 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1661-0 
‹ Моргунов К. П., 2024 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
 
 
 
ǸǵǫǬǷǭǧǴǯǬ
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
............................................................................................................................5 
 
1. ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ 
........................................................................................6 
1.1. Классификация водосбросных сооружений ....................................................................6 
1.1.1. Общие определения 
.....................................................................................................6 
1.1.2. Классификация водосбросов ....................................................................................10 
1.1.3. Расчетные расходы воды для водосбросов .............................................................13 
1.2. Движение воды в водотоке ..............................................................................................17 
1.2.1. Равномерное установившееся безнапорное движение ..........................................17 
1.2.2. Неравномерное движение жидкости в открытых руслах ......................................19 
1.2.3. Гидравлический прыжок 
...........................................................................................21 
1.3. Водосливы – классификация, основные характеристики 
.............................................26 
1.3.1. Водосливы – общие сведения 
...................................................................................26 
1.3.2. Сопряжение бьефов ...................................................................................................37 
1.4. Гидравлический расчет водосбросных сооружений .....................................................42 
1.4.1. Поверхностные водосбросы .....................................................................................42 
1.4.2. Глубинные и донные водосбросы ............................................................................44 
1.4.3. Сифонные водосбросы ..............................................................................................50 
1.5. Режимы сопряжения бьефов и гашение избыточной энергии  
сбросных потоков ....................................................................................................................52 
1.5.1. Режимы сопряжения бьефов 
.....................................................................................52 
1.5.2. Гашение энергии при донном режиме 
.....................................................................55 
1.5.3. Гашение энергии при поверхностных режимах .....................................................60 
1.6. Гашение энергии потока в нижнем бьефе водобойными колодцами  
и водобойными стенками 
........................................................................................................64 
1.6.1. Расчет водобойного колодца ....................................................................................64 
1.6.2. Расчет высоты водобойной стенки ..........................................................................69 
1.6.3. Расчет длины водобойных колодцев .......................................................................71 
1.7. Береговые водосбросы .....................................................................................................73 
1.7.1. Классификация и характеристики ...........................................................................73 
1.7.2. Поверхностные водосбросы .....................................................................................77 
1.7.3. Туннельные и шахтные водосбросы 
........................................................................91 
3 

2. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ....................................................................................101 
2.1. Классификация водозаборных сооружений 
.................................................................101 
2.2. Бесплотинные водозаборы 
.............................................................................................102 
2.2.1. Принципы размещения и конструкции .................................................................102 
2.2.2. Гидравлические расчеты бесплотинных водозаборов 
...........................................107 
2.3. Плотинные водозаборы 
..................................................................................................113 
2.3.1. Виды и состав плотинных водозаборов ................................................................113 
2.3.2. Гидравлические расчеты плотинных водозаборов 
...............................................117 
2.4. Забор воды из подземных источников .........................................................................124 
2.4.1. Водозаборные скважины ........................................................................................125 
2.4.2. Шахтные колодцы ...................................................................................................127 
2.4.3. Горизонтальные водозаборы ..................................................................................130 
2.4.4. Кяризы ......................................................................................................................134 
2.4.5. Каптаж родников .....................................................................................................135 
 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
..................................................................139 
 
 
4 

 
 
 
 
 
ǶǷǬǫǯǸDzǵǩǯǬ
 
Водосбросные сооружения широко применяются в различных отраслях 
гидротехники: гидроэнергетике, мелиорации, водном транспорте, водоснабжении населенных мест. 
Водозаборные сооружения являются одним из важнейших типов гидротехнических сооружений, предназначенных для обеспечения водоснабжения 
как в промышленных и хозяйственно-бытовых целях, так и в целях мелиорации сельскохозяйственных угодий. 
В учебнике приведена классификация водосбросных сооружений, принципы определения их пропускной способности, основные конструктивные решения и основы гидравлических расчетов таких сооружений. 
Рассмотрены принципы размещения водозаборных сооружений на водотоках, конструкции бесплотинных и плотинных водозаборов, гидравлика водных потоков. 
Рассмотрены также принципы и конструктивные решения при заборе 
воды из подземных источников. 
Представленный в издании материал рекомендуется для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Строительство», 
«Природообустройство и водопользование». 
 
 
 
 
5 

 
 
 
 
ǩǵǫǵǸǨǷǵǸǴȂǬǸǵǵǷǺǭǬǴǯȆ
 
DZȒȇȘȘȏțȏȑȇȝȏȦȉȕȋȕȘȈȗȕȘȔȢȜȘȕȕȗȚȍȌȔȏȐ
 
ǵȈȠȏȌȕȖȗȌȋȌȒȌȔȏȦ 
 
Объекты, построенные людьми в процессе их деятельности для обеспечения различных потребностей, принято подразделять на здания и сооружения. 
К зданиям относятся объекты, предназначенные для пребывания людей – для 
работы, проживания, учебы, отдыха и т. д. Сооружения – это объекты, выполняющие техническую функцию. 
Инженерными сооружениями приято называть сооружения хозяйственного назначения, создаваемые для решения определенных технических задач, 
обладающие необходимой прочностью, устойчивостью и рентабельностью в 
экономическом отношении. По функциональному назначению одним из классов инженерных сооружений являются гидротехнические сооружения. 
В соответствии с ГОСТ 19185-73 «Гидротехника. Основные понятия, термины и определения» [1] гидротехническое сооружение – сооружение для использования водных ресурсов, а также для борьбы с вредным воздействием 
вод. 
Более подробные определения термина «гидротехнические сооружения» 
приводятся ещё в некоторых нормативных документах Российской Федерации. 
Так в СП 58.13330.2019 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» [2] приведена следующая формулировка: 
«Сооружения, подвергающиеся воздействию водной среды, предназначенные для использования и охраны водных ресурсов, предотвращения вредного воздействия вод, в том числе загрязненных жидкими отходами, включая: 
плотины, здания гидроэлектростанций (ГЭС), гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) и приливных электростанций (ПЭС); водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, 
судоходные шлюзы, судоподъемники, доки; сооружения, предназначенные 
для защиты от наводнений; сооружения, предназначенные для защиты от разрушений берегов морей и озер, берегов и дна рек и водохранилищ; устройства 
защиты от размывов на каналах; струенаправляющие и оградительные сооружения; сооружения (дамбы), ограждающие золо- и шлакоотвалы и хранилища 
жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций; набережные, пирсы, причальные сооружения портов; сооружения морских нефтегазопромыслов, системы гидротранспорта отходов и стоков, подачи осветленной воды, сооружения систем технического водоснабжения, за исключением 
6 

объектов централизованных систем горячего водоснабжения, холодного водоснабжения и (или) водоотведения». 
Формальный перечень гидротехнических сооружений приведен также, 
например, в Федеральном законе Российской Федерации № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» [3]. Согласно этому Закону: 
«Гидротехнические сооружения – плотины, здания гидроэлектростанций, 
водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, каналы, 
насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений, разрушений берегов и дна водохранилищ, рек; сооружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов 
промышленных и сельскохозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения негативного воздействия вод и жидких отходов». 
Гидротехнические сооружения (ГТС) относятся к категории наиболее 
сложных инженерных объектов. Они характеризуются разнообразием конструкций, что объясняется их многоцелевым назначением и многообразием 
природных условий, в которых они возводятся. 
Существует несколько классификаций гидротехнических сооружений. 
По роду водного объекта, на котором возводятся, гидротехнические сооружения подразделяют на морские, речные, озёрные, прудовые; различают 
также наземные и подземные гидросооружения. 
По условиям воздействия на речной поток и характеру выполняемых 
функций различают водоподпорные, водопроводящие, водозаборные и руслорегулирующие сооружения. 
Водоподпорными называют сооружения, служащие для создания напора 
или разности уровней воды перед сооружением и за ним: плотины, поднимающие уровень воды, накапливаемой выше по течению; дамбы (или валы), отгораживающие прибрежную территорию и предотвращающие её затопление 
при паводках и половодье на реках, при приливах и штормах на морях и озёрах. 
Водопроводящие сооружения представляют собой искусственные русла, 
предназначенные для подачи воды от водоисточника к потребителю или пользователю, служащие для переброски воды в заданные пункты: каналы, гидротехнические туннели, лотки, трубопроводы; такие сооружения как каналы, изза природных условий их расположения, необходимости пересечения путей 
сообщения и обеспечения безопасности эксплуатации, требуют устройства 
других гидротехнических сооружений, объединяемых в особую группу сооружений на каналах (акведуки, дюкеры, мосты, паромные переправы, заградительные ворота, водосбросы, шугосбросы и др.). 
Водозаборные сооружения служат для забора воды из водотоков и водоёмов и направления её в водовод; они предназначены для обеспечения бесперебойного снабжения потребителей водой и, кроме того, защищают водопроводящие сооружения от попадания льда, шуги, наносов. 
7 

Руслорегулирующие (или выправительные) сооружения предназначены 
для изменения и улучшения естественных условий протекания водотоков 
(струенаправляющие) и защиты русел и берегов рек от размывов, регулирования эрозионных процессов и отложения наносов в русле (берегоукрепительные), воздействия льда (ледонаправляющие и ледозадерживающие сооружения). 
В зависимости от отраслей водного хозяйства, в которых используются 
ГТС, сооружения бывают общими и специальными: общие применяются почти 
для всех видов использования вод, специальные возводятся для какой-то одной отрасли водного хозяйства. К общим гидротехническим сооружениям относятся водоподпорные, водопроводящие, водосбросные и регуляционные сооружения, предназначенные для обеспечения требуемого подпора и ёмкости 
водохранилища, пропуска предполагаемого расхода и т. п.  
По условиям использования гидротехнические сооружения разделяются 
на постоянные, которые служат в течение всего периода эксплуатации водохозяйственного объекта, и временные, которые используются только в период 
строительства или ремонта постоянных сооружений. 
Постоянные гидротехнические сооружения, в свою очередь, подразделя- 
ют на основные и второстепенные. 
К основным относятся гидротехнические сооружения, повреждение или 
разрушение которых приводит к нарушению или прекращению выполнения 
той функции, для которой они предназначены. 
К второстепенным следует относить гидротехнические сооружения, разрушение или повреждение которых не влечет за собой полного прекращения 
выполнения основных функций, а приводит лишь к ухудшению качества их 
выполнения. 
В зависимости от высоты сооружения и типа грунтов основания, от 
назначения и условий эксплуатации, от максимального напора на водоподпорное сооружение, от последствий возможных гидродинамических 
аварий гидротехнические сооружения в России подразделяются на четыре 
класса [4]: 
x I класс – гидротехнические сооружения чрезвычайно высокой опасности; 
x II класс – гидротехнические сооружения высокой опасности; 
x III класс – гидротехнические сооружения средней опасности; 
x IV класс – гидротехнические сооружения низкой опасности. 
Критерии классификации гидротехнических сооружений устанавливаются Правительством Российской Федерации. 
Помимо указанных классификаций гидротехнические сооружения водохозяйственного комплекса Российской Федерации различают также: 
x по формам собственности; 
x по ведомственной принадлежности; 
x по техническому состоянию. 
8 

В результате строительства на водном объекте гидротехнического сооружения водоток условно делится на две части: область потока перед водоподпорным сооружением (выше по течению) называется верхним бьефом, область 
после сооружения (ниже по течению) – нижним бьефом. 
Особенностью работы гидротехнических сооружений является то, что в 
процессе строительства и эксплуатации эти сооружения подвергаются воздействию движущейся или покоящейся воды, перемещающихся и отложившихся 
наносов. Речные ГТС, изменяя режим водного потока, в свою очередь, испытывают на себе механическое, фильтрационное, физико-химическое и биологическое воздействия водного потока. 
Зачастую при осуществлении водохозяйственных мероприятий возникает 
необходимость для выполнения нескольких функций совместить в одном производственном комплексе общие и специальные гидротехнические сооружения 
(например, водосброс и здание гидроэлектростанции). Такие объединённые общей целью и располагаемые в одном месте сооружения составляют комплексы, 
называемые узлами гидротехнических сооружений или гидроузлами.  
Гидроузлы также имеют свою классификацию. 
Если в составе гидроузла имеются подпорные сооружения, создающие 
разность уровней верхнего и нижнего бьефов, гидроузлы называются напорными (подпорными), при отсутствии подпорных сооружений – безнапорными. 
В зависимости от величины создаваемого напора гидроузлы подразделяются на: 
x низконапорные или русловые, в которых уровни воды, как правило, 
не выходят за пределы меженного русла реки и пойма затапливается 
частично слоем воды небольшой глубины; напор в этом случае составляет от 2 до 12 м; 
x средненапорные с напором от 12 до 60 м; 
x высоконапорные, когда величина напора превышает 60 м. 
В соответствии с водохозяйственным назначением гидроузлы бывают: 
x гидроэнергетические – предназначенные для выработки электроэнергии; 
x воднотранспортные – обеспечивающие судоходство или лесосплав 
по реке; 
x водозаборные – основным назначением которых является подача 
воды потребителям и пользователям; 
x водохранилищные или регулирующие сток – обеспечивающие защиту территорий в нижнем бьефе от затоплений во время паводков; 
x рекреационные – предназначенные для отдыха, туризма, проведения 
спортивных мероприятий; 
x комплексного назначения – выполняющие одновременно несколько 
функций. 
Несколько гидроузлов, объединенных общей водохозяйственной целью, 
могут образовывать водохозяйственные системы или гидросистемы. 
9 

DZȒȇȘȘȏțȏȑȇȝȏȦȉȕȋȕȘȈȗȕȘȕȉ 
 
Водопропускными называют сооружения, обеспечивающие пропуск воды 
через гидроузел для различных целей. К водопропускным сооружениям речных гидроузлов относятся водосбросные сооружения, а также каналы систем 
орошения и водоснабжения, водоводы различного назначения (в том числе водоводы ГЭС и насосных станций), судоходные шлюзы и т. д. Настоящий курс 
посвящен изучению водосбросных сооружений. 
По функциональному назначению различают: 
x водосбросы – сооружения для сброса из водохранилищ верхнего 
бьефа излишков воды в период прохождения паводков во избежание 
переполнения водохранилища или перелива воды через гребень плотины; 
x водовыпуски (хозяйственные водоспуски) – сооружения для полезных 
попусков воды из водохранилища в русло реки или канала; 
x водоспуски – сооружения для частичного или полного опорожнения 
водохранилища в целях трансформации паводка, осмотра и ремонта 
сооружений, промывки верхнего бьефа от наносов. 
Довольно часто водосбросные сооружения имеют двоякое назначение, 
например, для сброса лишних вод из верхнего бьефа и одновременно для полезных попусков воды в нижний бьеф. При больших паводках хозяйственный 
водоспуск можно использовать для дополнительного сброса воды из верхнего 
бьефа. Поэтому зачастую водовыпуски и водоспуски конструктивно не отличаются друг от друга. 
По частоте использования в зависимости от повторяемости пропускаемых паводков водосбросы бывают: 
x основные, предназначенные для сброса часто повторяющихся расходов; 
x резервные (вспомогательные), предусматриваемые в дополнение к 
основным водосбросам для пропуска катастрофических паводков 
редкой повторяемости. 
Резервные водосбросы включаются в работу только в чрезвычайных 
условиях повышения уровня воды в верхнем бьефе и являются аварийными. 
Существуют два типа резервных водосбросов – с размываемыми вставками 
(типа «предохранительный клапан») и пойменные (пониженные участки 
поймы с фиксированным порогом). 
По характеру использования водосбросов в процессе строительства и 
эксплуатации гидроузлов их подразделяют на: 
x постоянные (эксплуатационные); 
x временные (строительные); 
x строительно-эксплуатационные. 
Строительные водосбросы используются только в период строительства, 
ремонта и реконструкции сооружений гидроузла для пропуска воды и льда. Их 
10