Системы полезащитных лесных полос и противоэрозионных гидротехнических сооружений

где F - предвершинная площадь водосбора (га); F= 20,9 га;

h- высота снежного покрова перед началом весеннего снеготаяния, м;

h=0,2 м

д - плотность снега в тот же период; д = 0,25;

Kст - коэффициент поверхностного стока в период весеннего снеготаяния; Кст = 0,65;

Находим секундный расход от весеннего снеготаяния. Предположим, что весь снег растает и вода стечет через лоток-быстроток в течение трех суток, считая по три часа в день интенсивного снеготаяния. Тогда число секунд (Т) интенсивного снеготаяния при небольшой длине водосбора, будет равно:

Т = 3·3·3600 = 32400 секунд

Предположим, что весь запас снежной воды стечет только за этот период времени, определим максимальный секундный расход воды от снеготаяния (Qт) по формуле:

, м3/сек (16)

м3/сек

При сравнении двух расхожов, летнего ливневого и весеннего от снеготаяния, показывает, что для условий Белгородской области максимальный расход воды, проходящий через проектируемый лоток-быстроток - ливневый поток с расходом Q10%=2,96

4.2.2 Гидравлический расчет лотка-быстротока

Для расчетов задаемся предварительно следующими величинами:

а) высота обрыва в вершине оврага - P = 3,5 м;

б) расход воды в лотке - Q10% = 2,96 м3/сек;

в) конструкция лотка - деревянный, фашинный, железобетонный, установим в конце расчетов в зависимости от скорости движения воды в нижнем бьефе;

г) поперечное сечение - прямоугольное.

Лоток состоит из следующих гидравлических элементов: водоприемника, лотка, водобойного колодца, рисбермы (каменного мощения за колодцем), водонаправляющих валов. Схема представлена на 2 листе графической части работы.

В первую очередь производим гидравлический расчет верхнего элемента лотка-быстротока - водоприемника.

4.2.3 Расчет водоприемника

С гидравлической точки зрения водоприемник представляет собою водослив прямоугольного сечения с незатопленным порогом, обладающий свойством автоматически устанавливать при выходе (в сечении 1 - 1) критическую глубину в лотке, что упрощает гидравлические расчеты.

Сначала определим входную ширину водоприемника (Ввх). Для этого предварительно задаемся напором (глубиной) воды, входящей с поля в водоприемник (H), а также допустимой скоростью (V0) вхождения.

Входную ширину определим по формуле:

, (17)

где Ввх - ширина входного отверстия водоприемника (м);

Q10%- максимальный 10% обеспеченности расход (м3/сек); Q10%=2,96 (м3/сек);

Н - глубина воды при входе в водоприемник; Н=0,90м

V0 - безопасная скорость воды при входе в водоприемник; V0=0,83 м/сек. (средние суглинки).

Определим размеры выходного отверстия водослива, расположенного в сечении 1-1 (водоприемник работает по принципу незатопленного водослива с широким порогом) по формуле:

 (18)

где m - коэффициент расхода; для незакругленного входного ребра и при больших отверстиях он равен m = 0,32;

Н - глубина воды при входе в водоприемник; Н=0,90 м

(19)

Искомая ширина выходного отверстия (b1-1) находится решением равенства относительно (b1-1):

(20)

В водоприемнике, имеющем трапецеидальное дно (широкий порог), при прямых стенках поток воды испытывает значительное сжатие, для ликвидации его последствий расчетную ширину выходного отверстия водоприемника поправляют на коэффициент сжатия струи (е), е =0,95 [ ]. Конструктивная ширина выходного отверстия определяется по формуле:

(21)

Определив ширину выходного отверстия водоприемника в сечении 1-1, находим глубину воды в этом же сечении, (в незатопленном водосливе с широким порогом глубина потока при выходе из водослива автоматически устанавливается равной критической глубине hк) определяемой по формуле (22):

, (22)

где hк - критическая глубина, такая глубина, при которой поток воды имеет минимальный запас разрушительной энергии;

q - удельный (единичный) расход воды потока, приходящийся на один метр ширины выходного отверстия водослива (b1-1). Определяется по формуле:

q = Q10%/b1-1=2,96/2,41=1,23 м3 /сек с 1 пог. м (23)

Подставляя значение в формулу (22), определим критическую глубину потока:

Определяем критическую скорость потока в том же сечении (1-1) по формуле:

(24)

Гидравлическим расчетом определены гидравлические компоненты входного и выходного отверстий водоприемника: ширина, глубина, скорость течения. Необходимо определить длину водоприемника. Она обычно приравнивается к его входной ширине: L = 4 м = Ввx. Уклон дна водоприемника (широкого порога водослива), проектируется или горизонтальным, или с небольшим уклоном порядка i = 0,005.

В сечении (1-1) лоток-быстроток непосредственно соединяется с водоприемником, составляя как бы его продолжение. Поэтому он имеет те же ширину, глубину потока воды и скорость течения, а именно: ширину - 2,31 м, глубину - 0,55 м и скорость течения - 2,33 м/с.

Последующие гидравлические расчеты связаны с определением аналогичных компонентов лотка в нижнем его сечении (II-II). Гидравлические расчеты в сечении (II-II) производим с установления скорости течения. При этом лоток имеет цилиндрическую форму, то есть имеет одинаковую ширину дна и параллельные стенки.

Скорость течения определяется по формуле:

(25)

где ц - коэффициент скорости, принимаем ц =0,8;

Р - разность высот начала и конца лотка-быстротока, характеризующая высоту вершинного обрыва; Р =3,5 м ;

хк Їкритическая скорость, хк =2,28 м/сек.

Вычисленная максимальная скорость потока воды в лотке-быстротоке позволяет определить соответствующий найденной скорости строительный материал для лотка, этим материалом является бетонная облицовка [ ].

Определяем глубину воды в лотке в сечении (2-2) по формуле:

(26)

Ширина лотка-быстротока остается неизменной, равной 2,41 м. Длина лотка (Lл) зависит от высоты обрыва (Р) и принятого оптимального уклона. Принимаем уклон равный 200. Длина лотка определяется по формуле:

(27)

Сводим вычисленные данные о лотке в таблицу 5.

Таблица 7 - Сводные данные гидравлических расчетов лотка-быстротока

4.2.4 Расчет водобойного колодца

При больших перепадах (обрывах) в вершине оврага, когда лоток-быстроток проектируется в качестве водослива, струи воды, выбрасываемые нижним отверстием лотка имеют, как правило, весьма большую скорость (х=6,88). В этих случаях струи образуют так называемый отогнанный прыжок, обладающий большой силой размывающей грунт и поэтому вредно влияющий на устойчивость сооружения в нижнем бьефе. Для погашения его опасного влияния (путем погашения разрушительной скорости потока) проектируется построение сопряженного с лотком-быстротоком водобойного колодца.

Для расчетов водобойного колодца имеем следующие необходимые данные: расход воды в лотке Q10%=2,96 м3/сек; высота (глубина) обрыва вершины оврага Р = 3,5 м; глубина воды при входе в водоприемник лотка-быстротока Н=0,90 м.

4.2.5 Определение бытовой глубины в привершинной части оврага

Бытовая глубина (t) определяется по формуле равномерного установившегося движения, рассматривая продолжение русла оврага непосредственно за лотком как естественный канал, рассчитываемый по формуле Шези:

Q = щС м/сек, (28)

где Q10% - максимальный паводковой расход 10% обеспеченности;

щ - живое сечение оврага, м2;

R - гидравлический радиус, м;

i - средний уклон русла оврага за его вершиной.

Необходимо знать следующие гидравлические компоненты расчета: ширину дна оврага b = 3,8 м; коэффициент откосов оврага - m=1,1; коэффициент шероховатости берегов и дна русла оврага, найденный в соответствии с таблицей Павловского n=0,030. Расчеты приведены в таблице 6

Таблица 8 - Расчет бытовой глубины привершинной части оврага при максимальном ливневом расходе (2,96 м/сек) и среднем уклоне дна (i =0,029)

Пользуясь заданными шириной дна оврага, коэффициентом откосов и коэффициентом шероховатости при максимальном ливневом расходе 2,96 м3/сек и среднем уклоне дна - 0,029, отыскиваем значение бытовой глубины (t) методом подбора. Задаемся глубиной t = 0,50 м. Определяем площадь живого сечения русла оврага (щ) по формуле:

щ = (b+ m·t)· t = (3,8+1.1·0,5)·0,5=2,18 м2 (29)

Смоченный периметр определяется по формуле:

ч = b+2·t·=3,8 +2·0,5·=5,29 м (30)

Гидравлический радиус определяется по формуле:

м (31)

Скоростной коэффициент (коэф. Шези) находится по таблицам Н. Н.Павловского С = 26,18.

Расчетный модуль расхода (Kр) определяем по формуле:

Kр=·C·=2,18·26,18·=36,54 м3/сек. (32)

Для сравнения полученного расчетного модуля расхода (Кр) с действительным (Кд) находим последний по действительным данным, то есть по известному максимальному расходу (Q10%=2,96) и уклону дна оврага. Уклон t =0,029. Действительный модуль расхода определим по формуле:

м3/сек. (33)

Расчет производим до тех пор пока расчетный и действительный модуль должны сойтись с колебаниями 5 %.

Как видно из таблицы 7, при взятой в третий раз бытовой глубине, равной t =0,35 м, разница между расчетным и действительным модулями не превышает 5 %. Следовательно, в нашем случае искомая бытовая глубина равна t =0,35 м.

Значение перепада (Z) определяется формулой:

Z = H+P-t, (34)

где Z - перепад, разность высот верхнего и нижнего бьефов (м);

H - напор (глубина потока воды при входе в водоприемник), H= 0,90 м;

P - обрыв вершины оврага, P = 3,5;

t - бытовая глубина воды в овраге, t =0,35 м.

Z = 0,9+3,5-0,35= 4,05 м

4.2.6 Определение глубины водобойного колодца

Расчет выполним по графическому способу, предложенному профессором Б. А. Бахметьевым, по расчету перепадов:

а) Определяем фактический относительный напор водоприемника ():

б) затем находим фактический относительный перепад ():

в) затем по графику относительных перепадов проф. Бахметьева, используя значение найденного фактического относительного напора (= 0,26) и коэффициента расхода, равного m =0,32, находим относительный перепад , при котором опасный отогнанный прыжок струи воды из нижнего лотка-быстротока не будет иметь места. В этом случае отогнанный прыжок заменится значительно менее опасным надвинутым гидравлическим прыжком, то есть, прыжком затопленным. Для его нахождения на оси абсцисс графика Бахметьева находим значение относительного напора 0,26 и по оси ординат до кривой соответствующей коэффициенту расхода m=0,32 находится искомый безопасный относительный перепад. Он равен =0,90;

г) найденный по графику Бахметьева теоретический относительный перепад сравниваем с перепадом фактическим : = 0,90 < = 1,16, то есть относительный теоретический перепад, (при котором отогнанный гидравлический прыжок не будет иметь места), меньше фактического. Следовательно, отогнанный прыжок в нашем случае неизбежен, и стало быть, необходимость построения водобойного колодца для его погашения доказана.

Для ликвидации опасного прыжка необходимо изменить абсолютное выражение фактического относительного перепада таким образом, чтобы отношение уменьшилось от величины 1,16 до значения 0,9. Для этого увеличиваем знаменатель в относительном фактическом перепаде, то есть, углубляем вершинный обрыв (Р) на некоторую глубину (d) по уравнению:

(35)

Подставим в уравнение известные значения Z и Р, таким образом определим глубину водобойного колодца:

d = 1,0 м

Это и есть искомая величина глубины водобойного колодца, способного погасить относительно высокую скорость водяной струи лотка.

Ширина водобойного колодца определяется путем прибавления к ширине лотка-быстротока по 0,5 м с каждой стороны для ликвидации расплескивания воды по откосам оврага. Ширина колодца равна:

Вк = b2.2+ 2·0,5=2,41+1,0 = 3,41 м.

Длина водобойного колодца определяется по нескольким эмпирическим формулам, среднее арифметическое которых принимается за расчетную длину:

(36)

м (37)

м (38)

Арифметическое среднее из 3 приведенных формул позволяет определить длину водобойного колодца, равную Lк = 4,4 м.

Таким образом, весьма большая выходная скорость потока воды из лотка-быстротока будет погашена водобойным колодцем длиной 4,4 м, шириной 3,5 м и глубиной 0,35 м. Для полного успокоения воды потока после гидравлического прыжка и создания бытового режима, соответствующего бытовой глубине, ниже колодца проектируется устройство рисбермы, представляющей собою каменное мощение протяжением. Длина рисбермы 4,4 м, из них двойное мощение - 2,2 м и одинарное - 2,2 метра.

4.3 Русловые и донные сооружения. Расчет числа запруд и мест их постановки по дну оврага

Запруду по дну действующего оврага ставят:

- для прекращение роста оврага в глубину, а следовательно и ширину;

- для задержание выносов смытого с полей почвогрунта и тем самым предупреждение заиления и обмеления речек и заноса илом пойменных лугопастбищ;

- задержанные за запрудой отложения грунтов поднимут дно оврага, сделав его менее глубоким, и тем самым оположат его крутые склоны.

Порядок проведения проектирования поперечных запруд в овраге:

а) по данным нивелировки русла оврага строим продольный профиль русла оврага в масштабе для длины оврага (L) и разности высот (H),

б) затем устанавливаем конструктивную высоту поперечных запруд, тесно связанную с материалами, из которых они будут строиться. Выбираем запруды - деревянные. С особенной тщательностью устанавливается размер будущего уклона дна русла оврага, который должен образоваться между соседними запрудами при полном заилении межзапрудных пространств. Число запруд устанавливается по формуле:

, (39)

где n - число запруд;

Н - разность высот вершины и устья оврага (м); H-23,1 м;

L - длина оврага (м); L=780 м;

h - конструктивная расчетная высота запруды (м); h=0,9 м;

Iкр - критический уклон, при котором становятся невозможными процессы размыва и углубления русла оврага. Принимаем iкр=0,007.

Места постановки донных запруд в овраге определяется графически. На продольном профиле оврага (рис.) сверху с правой стороны откладывается значение величины, равное iкр·L=0,007·780=5,5 м. оставшуюся часть вертикали разбиваем на равные части по числу определенных расчетов в запруд. Проводятся вспомогательные линии. Точки пересечения этих линий с профилем дна оврага и будут являться местами постановки запруд.

Схема представлена на листе 2 графической части работы.

Привершинные и донные сооружения в действующем овраге образуют единую гидротехническую систему, тесно увязанную друг с другом, а также с последующими лесомелиоративными мероприятиями в пределах овражной территории.

Размещено на Allbest.ru