Гидравлика сооружений

 
 
 
 
 
 

А. Г. Поздеев                    Ю. А. Кузнецова 

 
 
 
 
 
 

ГИДРАВЛИКА СООРУЖЕНИЙ 

 
 
 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2019 

УДК 532(075.8) 
ББК  22.253я7 
         П 47  
 
 

Р е ц е н з е н т ы :  

В. П. Сапцин, доктор технических наук, профессор ПГТУ 
А. Г. Турлов, кандидат технических наук, доцент ПГТУ 

 
 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 
 

Поздеев, А. Г.

П 47
Гидравлика сооружений: учебное пособие / А. Г. Поздеев, 

Ю. А. Кузнецова. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2019. – 80 с.
ISBN 978-5-8158-2090-6

При изучении гидравлики сооружений используются не только 

методы математического анализа, но и методы информационных технологий, что расширяет кругозор студентов в постановке и решении 
задач математического и естественнонаучного характера. В частности, 
все расчетные задачи реализованы в прикладном программном пакете 
MathCad.

Для бакалавров направления 20.03.02 «Природообустройство и во
допользование» по профилю подготовки «Комплексное использование 
и охрана водных ресурсов».

УДК 532(075.8) 

ББК  22.253я7 

 

ISBN 978-5-8158-2090-6
© Поздеев А. Г., Кузнецова Ю. А., 2019
© Поволжский государственный
технологический университет, 2019

Предисловие 

 

Дисциплина «Гидравлика водотоков и сооружений» относится к 

числу дисциплин по выбору в учебном плане направления подготовки 
20.03.02 «Природообустройство и водопользование», профиль «Комплексное использование и охрана водных ресурсов». 

Необходимыми условиями для освоения дисциплины выступают 

знания основных положений математического анализа, прикладной механики, гидравлики, метрологии и стандартизации. 

Содержание изучаемой дисциплины является логическим продол
жением содержания таких дисциплин, как математика, физика, механика, гидравлика и служит основой для освоения проектирования гидротехнических сооружений, систем и сооружений водоснабжения и водоотведения, организации и технологии работ по природообустройству и 
водопользованию, водохозяйственного строительства. 

Цель освоения теоретической части дисциплины – получение знаний 

о принципах гидравлического обоснования размеров сооружений на 
открытых потоках и фильтрационных расчетах. 

Прикладным результатом изучения курса должно стать приобрете
ние навыков выполнения гидравлических расчетов при сопряжении 
бьефов и фильтрации подземных вод. 

Учебное пособие предназначено для изучения теоретического курса 

«Гидравлика водотоков и сооружений» и снабжено листингами прикладных программ в среде MathCad, полезными при освоении прикладных расчетных задач. 

Введение 

 

Обоснование параметров водопропускных сооружений при равно
мерном установившемся движении жидкости в открытых каналах является простейшей задачей русловой гидравлики. 

Огромное разнообразие постановок важных с практической точки 

зрения задач гидравлики безнапорных потоков вызывает необходимость 
широкого внедрения в расчетную практику методов информационных 
технологий. 

В настоящем учебном пособии все расчетные задачи, постановка ко
торых заимствована из учебного пособия по гидравлике Б. В. Ухина и 
А. А. Гусева [2], реализованы в прикладном программном пакете 
MathCad. 

В первом разделе исследуются гидросооружения на каналах, в 

частности, прямоугольный незатопленный и затопленный водосливы с 
широким порогом без бокового сжатия, а также водосливы практического профиля с криволинейной поверхностью. 

В примерах 1.1 и 1.2 определяются расходы через незатопленный и 

затопленный водосливы с тонкой стенкой без бокового сжатия. Заданными полагаются напор на водосливе, высота водосливной стенки и 
глубина воды в нижнем бьефе. 

В примере 1.3 водослив с широким порогом известной ширины и 

высоты установлен на подводящем канале отстойника с заданной глубиной воды в нижнем бьефе. Расход воды при напоре на водосливе вычисляется с учетом формы входных граней и вертикальных ребер. Учитываются боковое сжатие и подтопление водослива. 

Сопряжение бьефов гидросооружений является важной прикладной 

задачей гидротехники. Форма сопряжения бьефов при устройстве водосливной плотины в русле водоотводного канала прямоугольной формы 
заданной ширины определяется в примере 1.4. Высота плотины в верхнем и нижнем бьефе одинакова и задана. Известны также напор на водосливе, глубина воды в нижнем бьефе и расход воды. 

В ряде гидротехнических сооружений осуществляется сопряжение 

бьефов при истечении потока из-под щита. В среде MathCad решается 
задача 1.5 по определению расхода потока воды, вытекающего из-под 
плоского вертикального щита. Заданы напор, открытие щита, ширина 
отверстия и глубина в нижнем бьефе. 

В примерах 1.5 и 1.6 определяются расходы воды, вытекающей из
под плоского вертикального щита, установленного в канале прямоугольной формы заданной ширины. Глубина воды перед щитом, высота 
поднятия щита и глубина воды в нижнем бьефе канала известны. 

Для предотвращения разрушения сооружений нижнего бьефа стру
ей, сливаемой с водосливов, следует предусматривать устройства гашения энергии в нижнем бьефе. Канал прямоугольного сечения заданной 
ширины с водосливом практического профиля криволинейной формы 
рассмотрен в примере 1.7. Рассчитываются характер сопряжения потока 
заданного расхода с нижним бьефом и размеры водобойного колодца. 
Глубина воды в нижнем бьефе, а также высоты в нижнем и в верхнем 
бьефах известны. 

В примере 1.8 рассматривается водослив практического профиля 

криволинейной формы в канале прямоугольного сечения заданной ширины, для которого определяется характер сопряжения потока с нижним 
бьефом и размеры водобойной стенки. Глубина воды и высота перепада 
между бьефами полагаются известными. 

Далее рассматривается установка перепада с вертикальной стенкой 

падения на канале прямоугольного сечения заданной ширины. Нормальная глубина, высота перепада, расход воды в канале и глубина в 
нижнем бьефе заданы. Форма сопряжения потока воды, падающего с 
перепада, с нижним бьефом примера 1.9 определена в среде MathCad. 

В примере 1.10 рассчитывается канал прямоугольного сечения за
данной ширины с водобоем одноступенчатого перепада для укрепления 
дна русла. Нормальная глубина в канале, высота перепада, расход, глубина воды в нижнем бьефе и уклон дна канала известны. 

Во втором разделе изложены основные положения теории филь
трации. На основе закона фильтрации рассмотрены неравномерное 
движение грунтовых вод и приток воды к водозаборным сооружениям. 

В связи с этим решаются задачи расчета поглощающего колодца, 

притока к несовершенным трубчатым колодцам и галереям, а также 
фильтрация воды из грунтовых каналов. 

В примере 2.1 задан диаметр колодца, используемого для водо
снабжения и доведенного до водоупора. Даны мощность водоносного 
пласта мелкозернистого песка и понижение уровня воды в колодце. 
В среде MathCad определен дебит колодца. 

В примерах 2.2 и 2.3 артезианская скважина заданного диаметра до
ведена до водоупора нижнего пласта. Напорный водоносный пласт имеет известную мощность, радиусы влияния пласта с различными грунтами, глубину воды в скважине и напор. Определяется дебит скважины. 

В примере 2.4 определяется приток к водозаборной установке, со
стоящей из шести совершенных трубчатых колодцев, доведенных до 
напорного пласта заданной мощности из среднезернистого песка, при 
заданном радиусе влияния и известном снижении уровня воды в центре 
установки колодцев. 

В примере 2.5 необходимо вычислить приток к установке для слу
чая шести несовершенных колодцев и определить их диаметр. Глубина 
погружения колодцев, заглубление в напорный пласт, понижение уровня воды в колодце заданы. 

В примере 2.6 шесть колодцев располагаются линейно. Расстояние 

между колодцами известно. Необходимо определить приток к водозаборной установке в случае совершенных и несовершенных колодцев. 
Параметры напорного пласта и колодцев также определены. 

В настоящем учебном пособии использованы отдельные положения 

из учебника Д. В. Штеренлихта [3], рекомендованного для направления 
подготовки бакалавров 20.03.02 «Природообустройство и водопользование» по профилю «Комплексное использование и охрана водных ресурсов». 

 
 

ГИДРОСООРУЖЕНИЯ НА КАНАЛАХ 

 
 

 

1.1. Водосливы 

Водосливы систем водоснабжения входят в состав гидроузлов водо
хранилищ и очистных сооружений. 

На рисунке 1.1 показан водослив с тонкой водосливной стенкой. 

 

 

Рис. 1.1. Водослив с тонкой стенкой 

 
Участок перед водосливной стенкой (рис. 1.1) называют верхним 

бьефом, а за водосливной стенкой – нижним бьефом. 

Глубина потока перед водосливом или глубина в верхнем бьефе T  

выражает удельную потенциальную энергию подходящего потока. Глубина потока за водосливом 
н
h – глубина в нижнем бьефе. 

Разность отметок уровня потока в верхнем бьефе и верхней отметки 

гребня водосливной стенки – геометрический напор водослива H . Высота водослива в верхнем бьефе 
в
С  – расстояние от отметки гребня до 

отметки дна русла. 

Поток в верхнем бьефе подходит к водосливу со скоростью 
0
V . 

Полная удельная энергия потока 
0
T  перед водосливом 

g
2
V
C
H
T

2
0

в
0





.                                                                        (1.1) 

Разность отметок свободной поверхности потока верхнего и нижне
го бьефов называют перепадом на водосливе z . Если уровень нижнего 
бьефа выше гребня, разность этих уровней является глубиной подтопления 
п
h водослива. Ширина водосливного отверстия – ширина водо
слива b . Толщина водосливной стенки –  . 

Водосливы классифицируют по следующим признакам. 
1. 
По форме и толщине водосливной стенки выделяют: 

• водосливы с тонкой стенкой, если толщина стенки

H
5,0
1,0 


 

(рис. 1.1);  

• водосливы с широким порогом (рис. 1.2), если толщина стенки 

определяется неравенством 
H
8
H
2



.  

Водосливы практического профиля имеют толщину стенок, прини
мающую промежуточное значение (рис. 1.3). 

 

Рис. 1.2. Водослив с широким порогом
Рис. 1.3. Водослив практического профиля

 
2. По форме водосливного отверстия различают прямоугольные, 

треугольные, трапецеидальные водосливы. 

3. По характеру подхода потока в плане водосливы бывают: 
• прямыми (присовпадении направления движения потока перед во
досливом и за ним); 

• боковыми (при несовпадении направления движения потока перед 

водосливом и за ним); 

• без бокового сжатия, когда ширина водослива b равна ширине 

подводящего поток к водосливу русла B ; 

• с боковым сжатием, когда ширина водосливаменьше ширины под
водящего русла (
b
B 
). 

4. По влиянию глубины потока в нижнем бьефе на характер перели
ва струи водосливы разделяют: 

• на неподтопленные, если глубина нижнего бьефа не влияет на ха
рактер перелива струи через водослив; 

• подтопленные, если глубина потока нижнего бьефа влияет на пере
лив воды через водослив. 

1.2. Водослив с тонкой стенкой 

Расход через прямоугольный водослив с тонкой стенкой определя
ется по аналогии с истечением из большого отверстия. 

Для неподтопленного водослива с тонкой стенкой коэффициент рас
хода равен 
3
/
μ
2
=
m
 и расход выражается зависимостью 

2
3

H
g
2
mb
Q 
.                                                                                    (1.2) 

Для учета влияния скорости подхода потока 
0
V со стороны верхнего 

бьефа вводится полный напор на водосливе 

g
2
V
H
H

2
0

0




.                                                                                    (1.3) 

Расход водослива с учетом скоростного напора 
g
2
V
α

2
0 /
равен 

2
3

0
H
g
2
b
m
Q 
,                                                                                  (1.4) 

где
0
m  – коэффициент расхода с учетом скорости подхода потока 
0
V . 

Подтопление водослива возникает, если уровень в нижнем бьефе 

располагается выше гребня водослива: 
н
н
C
h 
 и 
0
hп 
, где 

н
н
п
C
h
h


 – глубина подтопления водослива; 
н
C  – высота водослив
ной стенки со стороны нижнего бьефа. 

В данном примере водослив не подтоплен, так как 
н
в
h
C

. 

Для вычисления коэффициента расхода водослива с тонкой стенкой 

0
m используется формула Р. Чугаева при граничных условиях 

H
5,0
Cв 
 и 
1,0
H 
 м 

в

0
С
Н
054
.0
402
.0
:
m


. 

Ширина водослива с боковым сжатием b  отличается от ширины 

подводящего русла B. При 
B
b 
 происходит отрыв потока от стенок 

русла и сжатие струи, переливающейся через водослив, что приводит к 

уменьшению ширины фронта струи, и расход уменьшается. Сжатие 
струи учитывается введением в (1.4) коэффициента сжатия   

2
3

0
H
g
2
b
m
Q


.                                                                                (1.5) 

Для оценки состояния движения потока за водосливом, когда русло 

в нижнем бьефе прямоугольное, определяется соотношение перепада на 
водосливе z и высоты водосливной стенки 
н
C . Спокойный режим дви
жения жидкости возникает в случае относительного перепада 

75
,0
70
,0
C
z

н



.                                                                                  (1.6) 

Для учета влияния подтопления водослива на значение расхода в 

формулу (1.5) вводится коэффициент подтопления водослива 
п
 , тогда 

2
3

п
0
H
g
2
b
m
Q


.                                                                             (1.7) 

Коэффициент подтопления прямоугольного водослива с тонкой 

стенкой без бокового сжатия вычисляется по формуле Базена 

3

п

п

п
H
z

С
h
2,0
1
05
,1








 


.                                                                 (1.8) 

Для измерения расхода в системах водоснабжения применяют водо
слив с тонкой стенкой и треугольным отверстием с прямым углом при 
вершине. В этом случае 

n
МH
Q 
,                                                                                      (1.9) 

где H  – напор над вершиной треугольника, м; Q  – расход. 

По данным Томсона, при напорах 
25
,0
÷
05
,0
=
H
 м коэффициенты 

4,1
М 
, 
5,2
n 
. В случае 
H
2
Cв 
, 
H
5
B 
 и 
65
,0
1,0
H


 м значение 

коэффициентов по Кингу 
343
,1
М 
, 
47
,2
n 
. 

1.3. Прямоугольный незатопленный  

водослив с широким порогом  

без бокового сжатия 

Схема прямоугольного незатопленного водослива с горизонтальным 

широким порогом без бокового сжатия представлена на рисунке 1.4.