Деление гидротехнических сооружений (гидросооружений) по их воздействиям на водные потоки

Как известно, всякий речной по­ток характеризуется уровнями его водной поверхности (Н), глуби­нами (h) скоростями течения (v) (их величиной и направлением), расходами воды (Q), содержанием наносов (G), грунтами, слагаю­щими ложе (русло) потока. Речные потоки характеризуются еще колебаниями (суточными, месячными, годовыми, многолетними) перечисленных выше гидравлических элементов (уровней, скоростей,расходов воды) и изменениями формы и размеров русла, его пе­ремещениями, называемыми эрозией, т. е. размывающей деятель­ностью потока.

Тесно связанным с режимом речного потока является режим подземных грунтовых вод под руслом, по берегам реки и склонам долины.

В зависимости от характера воздействий на речной поток гидротехнические сооружения делят на:

1) водоподпорные и регуля­ционные (руслорегулирующие), изменяющие режим потока;

2) сооружения, создающие искусственные водные потоки, называемые водопроводящими.

Воздействия водоподпорных сооружений на водный поток. Наи­более распространенным видом водоподпорных сооружений явля­ется плотина (или другое сооружение), перегораживающее русло (рис. 1.1) и создающая в потоке подпор, т. е. разность уровней вод­ной поверхности у сооружения (рис. 1.1, а). В этом случае зона по­тока выше (по течению) сооружения называется верхним бьефом (или подпертым бьефом)  сокращенно ВБ, а ниже его - нижним бьефом (НБ). Подпор, т. е. подъем уровня воды в сечении 1-1, распространяется вверх по течению, постепенно уменьшаясь, а уро­вни воды приближаются к бытовым уровням в реке и на известном расстоянии от сооружения подпор исчезает, или, как говорят, «вы­клинивается» полностью (сечение 5-5 на рис. 1.1, а, в). На всем участке подпора Lпроисходит изменение глубин воды hи скоро­стей течения v (при одном и том же расходе воды (3), вследствие изменения живых сечений потока. При этом, как показано на рис. 1.1, а, соблюдается соотношение v₁<v₂<v₃<v₄<v₅ и h₁>h₂>h_з>h₄>h₅, т. е. средние скорости течения в верхнем бьефе по мере приближения к подпорному сооружению уменьшаются, а глубины возрастают. В результате повышения уровня в реке по­крываются водой площади земель до того бывшие сухими, т. е. про­исходит затопление территорий. Вся площадь водной поверхности в подпертом верхнем бьефе очерчена пунктиром на рис. 1.1, б, изо­бражающем план реки, площадь же затоплений, вызванных соб­ственно подпором, является разностью общей площади и площади водной поверхности бытового русла.

Рис. 1.1 Схема воздействия подпорного сооружения на речной поток

Подпор воды изменяет не только уровни, скорости течения, глу­бины в реке, но ирежим подземных вод русла и берегов. На рис. 1.1,г приведен поперечный профиль реки и ее долины. При уровне I воды в реке - до постройки подпорного сооружения - уровень грунтовых вод занимал положение ас, подземные воды сте­кали к реке, как к дрене. При подпоре (уровень II) вода верхнего бьефа, фильтруясь в берега, постепенно насыщает грунты долин (рис. 1.1, г), и спустя некоторое время поверхность грунтовых вод займет положение а'с' (рис. 1.1, г), приближаясь к поверхности зем­ли. На некоторых участках глубина залегания подземных вод, нап­ример hп, может стать столь малой (1-1,5 м и менее), что выше­лежащая зона окажется непригодной для сельскохозяйственного ис­пользования или даже заболоченной; подобная зона носит название зоны подтопления.

Благодаря подпору частица воды, например, в точке mводопроницаемого основания, будет испытывать со стороны верхнего бье­фа большее давление hв, чем с низовой стороны hн, и будет дви­гаться в сторону нижнего бьефа. Происходит явление, называемое фильтрацией воды в основании сооружения; частицы воды в осно­вании движутся из верхнего бьефа в нижний по некоторым траек­ториям (пунктир на рис. 1.1,5), в результате часть воды из водо­хранилища уходит в нижний бьеф подземным путем.

Аналогично возникает движение подземных вод по берегам, в обход подпорного сооружения (рис. 1.1, е), вызванное разницей их уровней в верхнем (кривая II на рис. 1.1, г) и нижнем бьефах (кри­вая I там же). Это создает дополнительные потери воды из водо­хранилища.

Благодаря подпору и постепенному изменению скоростей течения в верхнем бьефе изменяется и способность потока транспортиро­вать наносы, взвешенные и влекомые по дну. Как известно, способность эта пропорциональна квадрату скорости потока  (v2) и для частиц разных диаметров скорость течения, при которой они пре­кращают движение и выпадают на дно, различна. Поэтому по мере уменьшения скорости течения в бьефе начинают выпадать на дно потока сначала наиболее крупные наносы, затем более мелкие, и у самого сооружения, где средние скорости течения близки к нулю, мельчайшие частицы наносов,- практически вода становится чистой.

Освобожденная от наносов вода, попадающая в нижний бьеф, снова насыщается ими за счет грунтов русла, вызывая размывы его и общее понижение уровней воды в нем на некотором участке вниз по течению до тех пор, пока не наступит равновесие - между размы­вающей способностью реки и сопротивлением грунта дна и бере­гов размыву.

Таким образом, водоподпорное сооружение влияет на все эле­менты потока и его русла, а также и на подземные воды. Но оно может вызвать еще больший эффект, регулируя расходы воды, про­пускаемой в нижний бьеф реки. Если в сооружении (плотине) сделать отверстия с затворами, позволяющими регулировать вы­пуск воды из верхнего бьефа в нижний по требуемому потребите­лем графику (режиму), то можно в периоды избытка воды в реке, например в паводок, задерживать часть ее в верхнем бьефе, на­капливая там запасы с тем, чтобы в нужные периоды выпускать воду в нижний бьеф с расходом, требуемым потребителю. В этом случае верхний бьеф называется водохранилищем.

Таким образом, водоподпорные сооружения (плотины) обла­дают чрезвычайно ценной способностью изменять режим стока ре­ки, все ее гидравлические элементы в таком направлении, которое необходимо для водохозяйственного ее использования. Водопод­порные сооружения (плотины) широко распространены во всех отраслях водного хозяйства.

Кроме плотин, перегораживающих реки, водоподпорными сооружениями являются дамбы (или валы), отгораживающие терри­тории от затопления паводками или ограждающие территории и ак­ватории (в портах) от воздействия приливов, ветровых нагонов во­ды и дамбы, образующие искусственные бассейны (например, бас­сейны гидроаккумулирующих электростанций - ГАЭС) и рус­ла каналов.