Гидротехнические сооружения

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра «Прикладная геодезия,

природообустройство и водопользование»

А.П. Николаев, Р.З. Киселёва 
А.П. Киселёв, В.Н. Юшкин

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ

СООРУЖЕНИЯ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2020

УДК 626 
ББК 38.77 
Г-46

Рецензенты:

кандидат технических наук,
заместитель
директора по науке

ПНИИЭМТ (филиал ФНЦ агроэкологии РАН) С.С. Марченко; доктор 
технических наук, профессор кафедры «Мелиорация земель и КИВР» 
Волгоградского ГАУ С.М. Григоров

Г-46
Гидротехнические сооружения: учебно-методическое пособие / А.П. Николаев, Р.З. Киселёва, А.П. Киселёв, В.Н. Юшкин. 
– Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2020. – 84 с.

Учебно-методическое пособие по дисциплине «Гидротехниче
ские сооружения» содержит наиболее важные сведения по устройству 
и применению гидротехнических сооружений, используемых в мелиорации, в водоснабжении, при организации рыбного хозяйства и в 
борьбе с водной эрозией почв, то есть в основных отраслях народного
хозяйства, непосредственно взаимосвязанных с гидротехнической 
наукой и практикой.

Предназначено для выполнения расчетно-графических работ 

для студентов по направлению- 20.03.02. «Природообустройство и водопользование».

УДК 626 

ББК 38.77 

© ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2020
© Авторы, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

I Фильтрация в нескальных основаниях .....................................
4

1.1 Общие сведения о фильтрации ....................................................
4

1.2 Флютбет и его составные части ...................................................
5

1.3 Предпосылки фильтрационных расчетов ...................................
6

1.4 Методы фильтрационных расчетов .............................................
7

1.5 Метод коэффициентов сопротивлений .......................................
10

1.6 Некоторые другие методы расчетов и особые случаи ..............
13

1.7 Фильтрационные деформации грунтов основания ....................
15

II Элементы флютбета и задачи фильтрационного расчета
19

2.1 Геометрические размеры элементов флютбета .......................... 19
2.2 Метод линейной контурной фильтрации ....................................
21

2.2.1 Пример фильтрационного расчета шлюза–регулятора методом
линейной контурной фильтрации .................................................
21

Геометрические размеры элементов флютбета. 
Метод линейной контурной фильтрации
Пример фильтрационного расчета шлюза–регулятора методом 
линейной контурной фильтрации
2.3 Метод гидродинамики ..................................................................
24

2.3.1 Пример фильтрационного расчета шлюза–регулятора с 
помощью графического построения гидродинамической сетки
26

2.4 Метод коэффициентов сопротивления .......................................
29

2.4.1 Проверка фильтрационной прочности грунта основания
32

2.4.2 Пример фильтрационного расчета флютбета шлюза–
регулятора методом коэффициентов сопротивления ..................
33

III Грунтовые насыпные плотины ................................................
37

3.1 Общие сведения ............................................................................
37

3.2 Части плотины ...............................................................................
46

3.3 Основы фильтрационных расчетов .............................................
62

3.4 Фильтрация в плотинах на водонепроницаемом основании
65

3.5 Фильтрация в плотинах на водопроницаемом основании ........
67

3.6 Устойчивость откосов грунтовых плотин ................................... 69
3.7 Расчеты осадок тела и основания плотины ................................
72

Исходные данные ................................................................................
81

Список использованной литературы .................................................
82

I ФИЛЬТРАЦИЯ В НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЛЬТРАЦИИ

Движение жидкости (газа) в пористой или трещиноватой среде 

называют фильтрацией. В гидротехнических сооружениях движение 
фильтрационного потока может быть в одних случаях безнапорным 
(например, фильтрация через плотины из грунтовых материалов, когда фильтрующийся поток имеет «свободную» поверхность), в других 
случаях - напорным (фильтрационный поток движется в основании 
напорного сооружений – плотины, регулятора на канале и др., оказывая взвешивающее воздействие на основание сооружения). В данном 
разделе рассматривается напорная фильтрация. 

Фильтрационный поток в основании сооружения движется под 

воздействием гравитационных сил, то есть разностей уровней, верхнего и нижнего бьефов (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Элементы флютбета: а, б - сооружения высоко- и 

средненапорные; в - низконапорные; 1 - понур; 2 - тело плотины;

3 - водобой; 4 -рисберма; 5 - концевой участок;

6 - водосливной порог; 7 - ковш

Водопроницаемость грунтов нескальных оснований характе
ризуется коэффициентом фильтрации k, который в фильтрационных 
расчетах обычно принимают для имеющегося грунта постоянным.

В естественном состоянии грунты состоят из частиц различной 

крупности. В фильтрационных расчетах применяют обобщенные характеристики грунтов в виде интегральных кривых гранулометриче

ского (зернового) состава, где частицы распределены по фракциям в 
процентах от общей массы образца. На основе этих кривых в расчетах 
используют характерные показатели грунтов, например:

коэффициент неоднородности

10
60
10
,
60
/ d
d
k

или 
;
/
10
60
10
,
60
D
D
k


коэффициент межслойности

,
/ 50
50 d
D

где параметр d характеризует диаметр частиц рассматриваемого грунта, мм, а Dто же, контактирующего с ним слоя грунта, мм;  d60, d50, d10, D60, D50, D10- диаметры частиц грунта, взятые с кривых гранулометрического состава, содержащие по 
массе соответственно 60,50,10% частиц, мм; D10 и d10 принято называть действующими, или эффективными, а D60 и d60- контролирующими.

Если k60,10≤3, то грунт считают однородным, если k60,10≥3- неод
нородным.

1.2 ФЛЮТБЕТ И ЕГО СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ

Под флютбетом понимают совокупность элементов напорного 

гидротехнического сооружения, поверх которых протекает вода заданного расхода, а под ним фильтрационный поток. В речных высоко 
и средненапорных сооружениях составными элементами флютбета 
являются (см рис.1.1,а) понур, тело плотины, водобой и рисберма, 
включающая концевую часть (ковш и др.); в сооружениях малого 
напора тело плотины может быть заменено низкорасположенным порогом, а в сооружениях на каналах порог и водобой объединены в 
единую плиту, в этом случае флютбет состоит из понура, водобоя и 
рисбермы с концевой частью (см. рис. 1.1,в). Понур, тело плотины, 
водобой принимают водонепроницаемым, а рисберму - водопроницаемой. При необходимости в состав флютбета могут входить шпунты.

Поверхность контакта между грунтом основания сооружения и 

подошвой флютбета называют подземным контуром сооружения.

При определении сил, действующих на флютбет, для расчета 

его прочности и устойчивости принимают те же силы, что действуют 
на подпорное сооружение. Дополнительно рассчитывают фильтрационные силы, которые возникают при движении фильтрационного потока под сооружением от верхнего бьефа (ВБ) к нижнему бьефу (НБ), 
и взвешивающие, которые появляются в связи с тем, что флютбет погружен в воду.

Вертикальную составляющую фильтрационных сил называют 

фильтрационным противодавлением, а взвешивающую силу, действующую, по Архимеду, на погруженный в жидкость флютбет, взвешивающим противодавлением. Обе разновидности противодавления направлены вертикально вверх и способствуют всплыванию флютбета.

Фильтрационное и взвешивающее противодавления графически 

(рис. 1.2) изображают в виде эпюр, которые строят на горизонтальной
проекции флютбета (эпюры противодавления). Ординаты эпюры 
фильтрационного противодавления находят расчетом, а взвешивающего противодавления – элементарным графическим построением 
(см. рис. 1.2б). По этим эпюрам можно определить силу противодавления как суммарную площадь эпюр, умноженную на удельный вес 
воды и ширину флютбета (обычно принимаемую за единицу).

1.3 ПРЕДПОСЫЛКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

Задача фильтрационного расчета – ответить на следующие во
просы.

Рисунок 1.2 – Эпюры силовых воздействий на подземный

контур сооружения: а - продольный разрез по водоподпорному
сооружению; б, в - эпюры соответственно фильтрационного и

взвешивающего давления на контур флютбета

1.
Каков характер фильтрационного потока (безнапорный, 

напорный) в основании сооружения?

2. Какими количественными показателями (градиенты напора, 

расход фильтрационного потока) характеризуется фильтрационный 
поток?

3. Какое давление оказывает фильтрационный поток вместе со 

взвешивающим противодавлением на флютбет сооружения?

4. Каковы должны быть размеры флютбета, чтобы обеспечить 

его устойчивость на всплытие и сдвиг и устойчивость грунта основания от проявления опасных фильтрационных деформаций, также влияющих на устойчивость сооружения?

Ответ на первый вопрос для подпорных сооружений (плотины 

бетонные, регуляторы, судоходные шлюзы и др.) однозначен, здесь 
мы имеем дело с напорной фильтрацией. Отметки уровней ВБ и НБ 
обычно изменчивы во времени, потому фильтрационные расчеты выполняют, как правило, для постоянного расчетного напора - разности 
отметок уровней ВБ и НБ. Это обычно нормальный подпорный уровень (НПУ) ВБ и минимальный уровень НБ.

За расчетный напор фильтрационного потока принимают 

разность отметок уровней ВБ и НБ относительно некоторой горизонтальной плоскости, за которую обычно принимают плоскость, 
проходящую по уровню или по дну НБ, если в расчетный период 
уровень воды в нем соответствует уровню дна (глубина в НБ равна 
нулю).

Основные предпосылки (допущения), принимаемые для филь
трационных расчетов, следующие:

- рассматривают плоскую задачу (плоское движение);
- грунт основания принимают однородным во всех направлени
ях (однородно-изотропным);

- движение фильтрационного потока считают установившимся, 

то есть напор в заданной точке не меняется во времени;

- коэффициент фильтрации, температура, пористость грунта не 

изменяются во времени.

Элементы подземного контура сооружения считают водонепро
ницаемыми.

1.4 МЕТОДЫ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

Фильтрационные расчеты позволяют проверить устойчивость 

флютбета и фильтрационную прочность грунта основания, определить расход фильтрационного потока.

Движение фильтрационного потока подчиняется закону Дарси

v=k*i и Q= S*v=S k*i= k*S*(H/l),

где v-скорость фильтрации, м/с; k- коэффициент фильтрации; i-градиент напора 
(потери напора фильтрационного потока на единицу длины в направлении движения потока), i=H/l (H-действующий напор; l-длина пути фильтрации, м); Q- расход фильтрации, м3/с; S- площадь поперечного сечения, м2.

Ниже рассмотрены основные группы методов фильтрационных 

расчетов.

Методы гидромеханики. Они включают различные методы ин
тегрирования уравнения Лапласа, которому соответствует движение 
фильтрационного потока, когда его рассматривают с позиции математической физики. Полученные точные решения для различных очертаний подземного контура (в основном простых форм) позволяют 
определить все параметры фильтрационного потока. Построение гидродинамической сетки вручную является упрощенным способом решения уравнения движения фильтрационного потока.

Экспериментальные методы. Метод электродинамических 

аналогий (ЭГДА) наиболее широко распространен для решения задач 
фильтрации не только для условий плоской задачи, но и для пространственной. В этом случае по результатам исследований строят 
гидродинамическую сетку движения для любых очертаний подземного контура.

Экспериментальные методы исследований фильтрации проводят 

также на моделях гидротехнических сооружений, в грунтовых лотках, 
используя принципы моделирования. В гидроинтеграторе — щелевом 
лотке используют аналогию между фильтрацией в грунте и через тонкую щель, образованную двумя параллельными стенками, в которую 
заложен флютбет.

Гидравлические методы. Наиболее распространены в прак
тических расчетах (некоторые из них входят в нормативные документы) и основаны на приближенном решении задачи фильтрации.

В экспериментальном методе ЭГДА - используют аналогию 

между движением электрического тока в токопроводящей среде и 
стационарным движением фильтрационного потока в пористой среде. 
Оба эти вида движения (как и движение теплового потока в однородной среде) подчиняются уравнению Лапласа.

Электрическая модель - (прибор ЭГДА) представляет исследуе
мую  область в определенном линейном масштабе, в которой коэффициент электропроводности пропорционален коэффициенту фильтра

ции и соблюдены граничные условия. Водопроницаемым грунтом в 
приборе ЭГДА, является электропроводящая бумага (или раствор 
электролита, или фольги).

В электропроводной бумаге подземный контур вырезан в соот
ветствующем масштабе (в растворе он из электроизоляционного материала). На участках, примыкающих к флютбету с обеих сторон, соответствующих входу и выходу фильтрационного потока, присоединены шины. Создается электрическая цепь, включающая питательную 
ветвь с присоединенным источником постоянного тока, ключом, реохордом, вольтметром и амперметром, и измерительная (реохорд с 
подключенным гальванометром), а также проводник с иглой на конце. 
Прибор работает по принципу моста Уитстона.

При помощи щупа-иглы в области фильтрации (то есть на то
копроводной бумаге) отыскивают точки равного потенциала и по 
ним строят линии равных потенциалов, что в натуре соответствует 
линиям равных напоров. Затем перпендикулярно линиям равных 
потенциалов строят линии токов таким образом, чтобы образующая 
гидродинамическая сетка состояла бы из подобных фигур, обычно 
квадратов (рис. 1.3).

Семейство линий соединяющих ВБ и НБ (вход в область филь
трации и выход из нее), называют линиями токов; линии, перпендикулярные им, соединяющие водоупор с подземным контуром сооружений, — линиями  равных напоров.

Рисунок 1.3 – Гидродинамическая сетка: 1 – флютбет; 2,3-шпунтовые 
стенки; 4 – пояс давления; 5 – лента расхода; 6 – отдельный квадрат

сетки; 7- эпюра противофильтрационного давления

Полоса, ограниченная двумя соседними линиями токов, имеет 

вид ленты расхода, а полоса между двумя соседними линиями равных 
потенциалов (равных напоров)- пояса давлений.

Первой линией тока является подземный контур сооружения, 

последняя линия тока проходит по водоупору. Если граница водоупора находится на неограниченно большой глубине, то гидродинамическую сетку строят до границы активной зоны фильтрации.

Для правильно построенной гидродинамической сетки (из квад
ратов с равными средними линиями и диагоналями) можно легко 
определить напор (м) в любой точке области фильтрации

hx=n*H/N,

где n- число поясов давления от конечного, выходящего в НБ, до рассматриваемого; H- напор, м; N- общее число поясов давления.

Градиент напора между двумя рассматриваемыми точками с 

напорами hn и hn+1

J=( hn- hn+1)/l,

где l- расстояние между рассматриваемыми точками, м.

Удельный расход фильтрационного потока через одну ленту 

(м3/с на 1м)

∆q= k*H/N,

где k- коэффициент фильтрации, м/с.

Суммарный фильтрационный расход (м3/с) в основании соору
жения

q= k*M*H/N,

где M- число лент расхода.

Средняя скорость (м/с) в любом криволинейном квадрате (см. 

рис.1. 3)

v= ∆q/∆S,

где ∆S- средняя высота квадрата, то есть длина средней линии, перпендикулярной 
линиям токов, м.

В результате построения сетки можно также получить линии 

средних скоростей фильтрационного потока в месте его выхода и расходов (см. рис.1.3).

1.5 МЕТОД КОЭФФИЦИЕНТОВ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Метод разработан Р.Р. Чугаевым. Рассматривается напорный 

фильтрационный поток, ограниченный сверху подземным контуром 
сооружения, снизу- водоупором или границей активной зоны. Потери 

напора фильтрационного потока учитывают как местные, так и по 
длине подземного контура. Метод расчета позволяет получить напоры 
фильтрационного потока в характерных переломных точках контура,
построить эпюру фильтрационного потока на участках и в месте выхода фильтрационного потока, вычислить расход фильтрации и оценить фильтрационную прочность грунта основания.

Реальный подземный контур флютбета упрощается, схематизи
руется. В результате упрощения он будет иметь только вертикальные 
и горизонтальные участки (рис.1.4). Среди этих участков возможны 
три типовых - входной и выходной, внутренний вертикальный и внутренний горизонтальный. Для каждого участка имеются формулы для 
определения коэффициента сопротивления 
i , с помощью которых 

можно получить потери напора фильтрационного потока на участке







i
n
n
i
i
H
h
H
h
H
h






/
;...;
/
;
/
2
2
1
1
,

где h1,  h2, hn -потери напора на участках, соответствующих их индексам, м; ξ1, ξ2, 
ξn- коэффициенты сопротивления для этих участков; 
i - сумма всех коэффици
ентов сопротивлений.

Рисунок 1.4 – Схема расчета флютбета по методу коэффициентов 

сопротивления

Удельный фильтрационный расход (м3/с) на 1м вычисляют по 

формуле



i
KH
q

/
.