Действие речного потока на плотину

В верхнем бьефе у плотины поток имеет обычно скорости течения меньше, чем они были до создания подпора. Однако на подходе к водосбросным отверстиям местные скорости возрастают и при известном их значении возможны размывы русла, способные привести к нарушению устойчивости плотины (рис.). Для защиты русла от размыва перед плотиной устанавливается специальное покрытие, носящее название понур. Другое назначение понура – борьба с фильтрацией воды под сооружением.

Воздействие потока на подпорное сооружение и русло

В пределах плотины вода движется с очень большими скоростями (иногда более 20 м/с), оказывая на сооружение динамическое воздействие ввиду возникающих пульсаций потока, его изгиб соответственно форме слива, местных сопротивлений, вакуумов и пр. Сведение этих воздействий до возможного минимума достигается путем подбора плавных форм тех поверхностей сооружения, по которым движется поток.

В нижнем бьефе за плотиной значительная кинетическая энергия потока, пропорциональная расходу воды и квадрату скорости, неизбежно разрушает русло, вызывает глубокие размывы даже скального грунта дна реки, что будет угрожать целости плотины. Поэтому принимаются меры гашения избыточной кинетической энергии и защиты русла от разрушения специальными покрытиями.

Для этого непосредственно за водосливом плотины укладывают массивную плиту, называемую водобоем. На нем теряется основная часть кинетической энергии путем образования вальцов при сопряжении потока с водой нижнего бьефа, а также благодаря расщеплению потока на отдельные струи и взаимному перемешиванию струй, для чего на водобое часто устраивают специальные выступы, пороги, стенки. За водобоем следует обычно гибкое, проницаемое для воды покрытие, называемое рисбермой, на которой скорости потока доводятся до величин, не опасных для грунта русла (рис.).

Схема защиты плотины от воздействия на нее водного потока

На плотину воздействуют различные сдвигающие силы, обусловленные давлением воды, льда, наносов, ветра, ударами волн, силами тяготения, температурными перепадами, реакцией грунта. В некоторых местностях необходимо учитывать и возможность землетрясений. Недоучет каких-либо сил может привести к разрушению плотины вследствие сдвига ее основания или перегрузки ее конструктивных узлов.

Горизонтальная составляющая давления воды возрастает с глубиной, будучи равной произведению Wh, где h – глубина и W – вес единицы объема воды. Следовательно, суммарное гидростатическое давление на единичной длины элемент поперечного сечения тела плотины составляет 1/2(Wh²), а равнодействующая его вертикального распределения приложена на уровне трети высоты плотины.

При расчете давления воды на плотину труднее всего определить фильтрационное давление, действующее на подошву сооружения вследствие того, что под него просачивается вода. Чтобы выяснить порядок величины таких сил, проводятся многочисленные исследования, как на моделях плотин, так и в натурных условиях. Значения этих сил изменяются в зависимости от способности грунтового ложа пропускать воду. Если подушкой фундамента плотины служат галька, речной песок, пористая порода или какие-либо неплотные отложения, то давление на основание опорной призмы плотины будет равно полному гидростатическому напору. Когда же основание плотины скрепляется цементным раствором с монолитным скальным грунтом и раствор заполняет все его щели, то такое давление составляет сравнительно небольшую долю (10 – 40 %) гидростатического напора. Уменьшение его вдоль подошвы плотины от верховой опорной призмы к низовой зависит от расстояния и сдвигающих сил и у бровки низового откоса плотины становится меньше напора в нижнем бьефе. Площадь подошвы плотины, на которую действует фильтрационное давление, меняется от полного ее значения (для плотин на песчаном и галечном грунте) до 0 (для плотин с добротным бетонным понуром на скальном грунте). Чтобы уменьшить влияние фильтрационного давления, делают дренажные и обводные пути для водных потоков, способных проникнуть под плотину.

Основное воздействие волн на плотину проявляется в периодическом изменении глубины водной массы, соприкасающейся с плотиной, хотя при некоторых обстоятельствах напорная грань плотины может испытывать и мощные удары волн, обусловленные их кинетической энергией. Хорошее приближение к действительности дает формула Хоксли зависимости высоты волны h от длины L ее «нагона» (в метрах), то есть того расстояния, на котором волна набирает свою полную высоту:

.

Давление льда на плотину определяется не вполне точно, но все-таки оно гораздо меньше тех сил, которые возникают из-за увеличения объема водохранилища перед плотиной.