Проектирование осушительной сети

В вертикальной плоскости

Глубина осушительной сети устанавливается в зависимости от почвенно-грунтовых условий, с учетом влияния осушения на рост леса и величины осадки торфа.

Глубина осушительных каналов принимается следующая:

Глубина торфа, м 0,1 — 0,5 0,5 — 1,3 более 1,3

Минимальная установившаяся

глубина каналов, м 0,8 — 0,9 1,0 1,0

Проектная глубина с учетом

25 % осадки торфа, м 0,9 – 1,0 1,2 1,3

Минимальная глубина принимается на заболачивающихся вырубках, в ольховых насаждениях, на объектах с атмосферным питанием в зоне неустойчивого увлажнения.

Увеличение глубины каналов для компенсации осадки торфа можно принимать в следующих пределах (% проектной глубины канала):

для торфов плотных — на 10 - 15,

средней плотности — на 15 - 20,

средней рыхлости — на 20 - 25,

рыхлого — на 25 - 40.

Глубина проводящих каналов определяется условиями сопряжения с дном регулирующих каналов. Дно каждого младшего канала сопрягается со старшим на уровне меженного горизонта воды в последнем (от 0.05 до 0.25 м).

Глубина нагорных каналов проектируется не более 1.3 м. Глубина ловчих каналов определяется положением водоупора, но не должна превышать 2.0 м.

При проектировании глубины осушителей, проводящих и оградительных каналов, кроме указанного, нужно учитывать следующее:

а) при залегании под торфяным или песчаным грунтом глины или суглинков дно каналов следует врезать в них на 0.15 — 0.20 м, при залегании под торфяным или глинистым грунтом песка или супеси рекомендуется заглубление дна канала в них на 0.1 м, при этом следует учитывать заиление каналов и не допускать отклонения от глубин, указанных выше, более чем на 0.20 м;

б) на болотах с глубиной торфа до 2.0 м рекомендуется врезать дно магистрального канала в минеральный грунт на глубину, указанную в п.“а”.

Пункты 4 и 5 конкретизируют с учетом изложенного ранее.

Сечение каналов регулирующей сети принимается трапецеидальной формы. Коэффициенты откосов будут по табл. 5.

Таблица 5 - Коэффициенты откосов канала

Примечание:

1. В таблице приведены коэффициенты откосов канала без учета механизации работ.

2. Для нагорных каналов коэффициент заложения верхового откоса принимается равным 2 - 3, а в местах концентрированного стока до 5.

3. Для каналов, проходящих в мелкозернистом песке, коэффициенты откоса даны для надводной части. Подводная часть канала требует крепления.

4. Для каналов лесопарковой зоны коэффициент заложения откоса принимается по наибольшему значению.

5. Для мелких каналов регулирующей сети при мощности торфа более 50% глубины канала допускается проектирование откосов по торфяному грунту, а при мощности торфа до 50 % — по минеральному грунту (за исключением песчаных грунтов, где откосы проектируются по песчаному грунту при заглублении в него канала более чем на 25 - 30 см).

Проектирование поперечного профиля

Каналов

Ширина каналов по дну во всех грунтах принимается:

а) для осушителей — 0,40 м;

б) для каналов проводящей и ограждающей сети гидравлически не рассчитываемых — 0,40 - 0,60 м;

в) для гидравлически рассчитываемых каналов — по расчету.

В графической части курсового проекта необходимо привести поперечный профиль гидравлически рассчитываемого канала и осушителя.

Для осушителя ширину канала по дну принимают равной 0,4 м. Ширина бермы при устройстве канала экскаватором принимается равной глубине канала (рис. 2)

Рис. 2 - Поперечный профиль осушителя

1 -бровка канала, 2 – берма, 3 – кавальер, 4 - линия поверхности после осадки торфа, 5 - линия раздела грунтов, 6 - откос канала

Уклоны дна каналов в курсовом проекте определяют по ветке каналов (Мк, С, О), где прокладывают нивелирный ход с разбивкой по пикетам (через 100 м). Дальше по отметкам горизонталей вычисляют отметки поверхности на каждом пикете с точностью до 0,01 м. Отметки пикетов, расположенных между горизонталями, вычисляют интерполяцией.

Построение продольного профиля осушителя или собирателя начинают с вычерчивания на миллиметровой бумаге семи граф шириной 1 см каждая. Название граф помещают слева (рис. 3).

Рис. 3 - Продольный профиль канала (собирателя)

Вычисленные и записанные в графу 3 отметки поверхности откладывают в выбранном масштабе вверх от верхней графы (линии). Отметку линии принимают с таким расчетом, чтобы ординаты профиля имели высоту 6 — 12 см. После того, как отметки всех пикетов отложены, полученные точки соединяют прямыми линиями и строят продольный профиль поверхности канала.

Затем проектируют дно канала, которое по возможности должно иметь по всей длине одинаковый уклон, т.е. надо стремиться как можно меньше менять уклон дна. В то же время важно, чтобы глубина на отдельных пикетах поверхности меньше отличалась от установленной проектной глубины.

При наиболее простом случае проектирования (один уклон дна) в устье канала (нулевой пикет) и вверху (на последнем пикете канала) от отметки поверхности откладывают глубину канала, полученные точки соединяют прямой линией и определяют уклон дна.

При малом и однообразном уклоне поверхности глубину канала в устье увеличивают, а в верхнем конце несколько уменьшают по сравнению с проектной глубиной, чтобы довести уклон дна до допустимого. Если профиль поверхности по оси канала резко меняется по длине, то его разбивают на несколько частей и для каждой проектируют дно с разными уклонами.

После проведения линии дна вычисляют по пикетам отметки дна. Отметки определяют с точностью до 0,01 м, а уклоны — до двух значащих цифр. Отметки дна на крайних пикетах (или точках перегиба) определяют вычитая из отметок поверхности глубину канала. На остальных пикетах отметки дна вычисляются. Для этого уклон дна умножают на величину расстояния между пикетами и полученное превышение прибавляют к отметке дна на предыдущем пикете.

По разности отметок поверхности земли и дна канала определяют глубины каналов по всем промежуточным пикетам. Если при этом окажется, что на отдельных сечениях глубина канала будет меньше минимальной, то изменяют положение линии дна в сторону углубления канала. Если уклон больше допустимого, то уменьшают глубину канала в устье и несколько увеличивают глубину канала в его верхней части.

На продольном профиле собирателя (магистрального канала) показывают отметки устьев дна впадающих осушителей (собирателей). Линию дна проводят ниже отметок устьев осушителей на величину бытового горизонта воды.

При очень больших уклонах поверхности земли по оси канала проектируют перепады в виде вертикальных стенок (уступов) высотой до 1 м или быстротоки в виде наклонных лотков с уклоном 0,1. Перепады и быстротоки крепят плетнем, жердями, досками, бетоном и др.

Рекомендуется продольный профиль вычерчивать тушью: проектные линии (дно канала, отметки и уклоны дна и глубина канала) — красным, воды — синим, а все остальное — черным.

Гидрологические расчеты

Гидрологическими расчетами в курсовом проекте определяются расчетные и поверочные расходы воды в каналах проводящей сети с площадью водосбора более 5 км². По расчетным расходам воды определяются размеры поперечных сечений каналов при допустимой глубине их наполнения в зависимости от условий работы.

По поверочным расходам воды определяется устойчивость русел каналов против размыва и заиления.

Гидрологические расчеты, в зависимости от объекта проектирования, проводятся для весеннего половодья, летне-осенних паводков и меженного периода.

Обеспеченность расчетных и поверочных расходов указанных периодов принимается следующая:

а) водоприемники и каналы в лесах хозяйственного значения рассчитываются на пропуск летне-осенних паводков 25 %-ной обеспеченности; поверка таких каналов на устойчивость русел размыву производится на пропуск весеннего половодья 25 %-ной обеспеченности;

б) водоприемники и каналы в зеленых зонах городов, а также дренажные системы на окультуренных сенокосах рассчитываются на пропуск летне-осенних паводков 10 %-ной обеспеченности, а устойчивость русел на размыв проверяется на пропуск весеннего половодья 25 %-ной обеспеченности;

в) водоприемники и каналы в лесопарках рассчитываются на пропуск весеннего половодья 25 %-ной обеспеченности; на пропуск этих же водпроверяется и устойчивость русел на размыв. После выбора расчетных и поверочных расходов выполняются гидрологические расчеты вручную с использованием микрокалькуляторов, или по специально разработанной программе в вычислительном классе кафедры.

СНиП 2.01.14 - 83, расчет максимальных расходов весеннего половодья рекомендует производить по формуле:

Q_p% (пов.)= , (1)

где А — площадь водосбора, км² (по заданию);

К_о — коэффициент дружности весеннего половодья, в курсовом проектировании определяется по табл. 6. По ней же определяют А₁ и n₁.

Таблица 6 - Параметры А₁, n₁, K_o для равнинных рек Европейской части РФ

К I категории рельефа относятся реки, большая часть которых располагается в пределах холмистых и платообразных возвышенностей (Среднерусская и др.). Ко II категории рельефа относятся реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними. К категории III рельефа относятся реки, большая часть которых располагается в пределах плоских низменностей (Мещерская, Белорусское Полесье, Приднепровская и др.), а также реки, имеющие широкие заболоченные поймы.

В качестве признака для определения категории рельефа допускается использование значения a:

a= ,

где I_p — уклон главного водотока, %_о (по заданию);

А — площадь водосбора, км² (по заданию).

При a>1 бассейн обносится к I категории рельефа, при a@1,0 — 0,5 — к категории II, а при a<0,5 — к категории III.

hp_% — слой стока расчетной обеспеченности;

m — коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров стока и максимального расхода воды половодья;

d₁ d₂ d₃ — коэффициенты, учитывающие снижение максимальных расходов воды в залесенных, заболоченных и зарегулированных прудами, водохранилищами, озерами, водосборах. Коэффициент d₁ находят по формуле:

d₁ = , (2)

где a₁ — параметр, принимаемый по табл. 7;

f_л — относительная залесенность, % (по заданию).

n₂ для всех почвогрунтов лесной зоны принимается равным 0,22

Таблица 7 - Значения параметра a₁ для лесной зоны

Коэффициент d₂ находят по формуле:

d₂ =1 — b lg (1+0,1 f_d ), (3)

где b — коэффициент, принимаемый по табл.8;

f_d — относительная заболоченность водосбора, % (по заданию).

Таблица 8 -Значение коэффициента b для различных типов болот

При заболоченности менее 3 % или при проточной озерности более 20 % коэффициент d₂ принимается равным единице.

При наличии в бассейне озер, расположенных вне главного русла и основных притоков (что наиболее распространено), значения коэффициента d₃ следующие:

f_{оз %} менее 2 более 2

d 1,0 0,8

При зарегулировании рек проточными озерами d₃ находят по формуле:

d₃ = , (4)

где C — коэффициент, принимаемый в зависимости от величины среднего многолетнего весеннего стока h₀ ;

A_оз — средневзвешенная озерность (%) определяется по формуле:

А_оз = , (5)

где S_i — площадь зеркала озера, км²;

A_i — площадь водосбора озера км²;

При h₀ ³ 100мм С=0,2, при h₀ от 50 до 99 мм С=0,2 — 0,3, при h₀ от 49 до 20 мм С = 0,3 — 0,4 и при h₀ <20 мм С=0,4.

Значения коэффициента m (формула 1) находят по табл. 9.

Таблица 9 -Значения коэффициента m для тундровой, лесной (первая

строчка) и лесостепной (вторая строчка) зоны Европейской части РФ

Слой стока половодья h_p%(формула 1) расчетной обеспеченности устанавливается по формуле:

h_p% = Н_o K_p% ,(6)

где Н₀ — средний многолетний слой стока половодья, мм;

K_p% — ордината кривой заданной обеспеченности, находится по табл. I0 в зависимости от коэффициента вариации С_V.

Таблица 10 -Ордината кривой трехпараметрического гаммараспределения

Значения коэффициента С_V снимаются с карты (приложение А).

Учитывая тот факт, что в курсовом проектировании площадь водосбора обычно лежит в пределах от 5 до 50 км², значение коэффициента вариации увеличивается в 1,25.

Средний многолетний слой стока половодья Н_o определяют по формуле:

Н_o = h_o × K_А · К_оз · К_Л · К_К , (7)

где h_o — средний многолетний слой стока половодья, определяемый по карте (приложение Б);

К_А — коэффициент, учитывающий влияние величины стока. При площади водосбора до 200 км² он определяется соотношением:

слой стока, мм . . . . . . . . .10 20 30 50 70 и более

К_А . . . . . . . . . .1,8 1,6 1,4 1,2 1,0

К_оз — коэффициент, учитывающий влияние озер на водосборе на величину слоя стока (табл. 11).

Таблица 11- Связь между озерностью и К_оз

К_Л — коэффициент, учитывающий влияние лесистости на величину слоя стока весеннего половодья (табл.12)

Таблица 12 -Поправочный коэффициент на лесистость водосбора

Примечание. f_л — лесистость данного водосбора (по заданию); f_л.р. — районное значение лесистости (определяется по приложению В).

К_К— поправка на карст. Эта поправка вводится при площадях водосбора более 500 км² и равна 0,8 — 1,0 при закарстованности 0 — 50 % и 0,8 - 0,6 при закарстованности 50 — 100 %.

Максимальные мгновенные расходы воды летне-осенних паводков рассчитываются по формуле:

Q_p%(расч.) = q_1% j H_1%d l_p% A, (8)

где q_1% — максимальный мгновенный модуль стока ежегодной вероятности превышения Р=1 %, выраженный в долях от произведения jH ;

j — сборный коэффициент стока;

H_1% — максимальный суточныйслой осадков 1 % - обеспеченности, определяемый по карте (приложение Г);

d — коэффициент, учитывающий снижение максимального стока рек, зарегулированных проточными озерами (определяется как d₃ (если площадь зеркала озер по заданию не указана, то он равен 1)).

l — переходный коэффициент от вероятности превышения Р=1 % к максимальным расходам воды другой расчетной вероятности превышения (приложение 6), предварительно определив район (приложение Д);

А – площадь водосбора, км² (по заданию).

Максимальные мгновенные расходы воды определяют в следующей последовательности: находят Н₁, затем j.

Для нахождения q_1% (приложение Ж) необходимо предварительно знать гидроморфометрическую характеристику русла (Ф_р), продолжительность склонового добегания (t ) и район кривых редукции осадков (приложение З).

j = , (9)

где С₂ — эмпирический коэффициент, принимаемый для лесной и тундровой зон равным 1,2; для остальных зон — 1,3;

j_о — сборный коэффициент стока для водосбора площадью равной 10 км² со средним уклоном водосбора i_B равным 50 %_о, принимается по табл. 13.

Таблица 13 -Значения параметров j_о и n₅

i_B — средний уклон водосбора, %_о (по заданию);

n₆ — для лесотундры и лесной зоны принимается равным 0,07, для остальных природных зон — 0,11.

Гидроморфометрическую характеристику русла водотока определяют по формуле:

Ф_р = , (10)

где L — длина водотока, км (по заданию);

Н_р — гидравлический параметр русла, который в зависимости от состояния русла принимается равным 11 (чистые русла) или 9 (извилистые, частично заросшие).

i_p — уклон русла водотока, %_о (по заданию).

Значения t в курсовом проекте можно определить, исходя из средних экспериментально установленных величин: в тундровой и лесной зонах при заболоченности f_б < 20 % t = 60 мин., при f_б 20 ¸ 40 t = 100 мин., при f_б > 40 % t = 150 мин.

Расчетные меженные модули стока при отсутствии фактических данных принимаются в размере от 0,01 до 0,05 л/сек × га. Нижний предел модуля относится к водосборам более южных районов и со слабым грунтовым питанием, верхний предел относится к более северным районам и водосборам со значительным грунтовым питанием (ключевым, грунтово-напорным).

В связи с увеличением степени канализованности осушаемой площади рекомендуется в модули весеннего половодья и дождевого паводка вводить следующие поправки:

Канализуемая площадь,

% всей площади водосбора . . . . . 25 25 — 50 50

Поправки к модулю стока, % . . . 5 — 10 10 — 15 20

Гидравлические расчеты

Гидравлические расчеты проводятся для определения размеров поперечных сечений, проверки их устойчивости против размыва и заиления. Для расчетов необходимы следующие данные:

а) расчетные и проверочные расходы воды;

б) уклоны дна каналов;

в) величины превышения бровки канала над расчетным горизонтом воды;

г) величина допустимых скоростей течения воды, не вызывающих размыва или заиления каналов (приложение И);

д) конструкция поперечного сечения русла;

е) шероховатость русла.

Расчетные и поверочные расходы воды принимаются на основе гидрологических расчетов, уклоны дна — из продольного профиля канала. Расчетная глубина наполнения каналов на рабочих участках принимается на 0,1 - 0,5 м ниже бровок каналов. Коэффициенты откосов каналов принимаются на основании проработки раздела.

Гидравлический расчет каналов проводится при площади водосбора более 5 км².

Для расчета размеров проводящих каналов применяется следующая формула равномерного движения:

Q = w V_СР = w С , (11)

где Q — расход воды, м³/сек;

w — площадь живого сечения, м²;

V_СР — средняя скорость потока, м/сек (v = С )

C — скоростной коэффициент;

R — гидравлический радиус, м;

i — уклон дна канала.

Скоростной коэффициент С определяется по формуле:

(12)

где n — коэффициент шероховатости;

y= 1,5 , при R < 1,0

y =1,3 , при R > 1,0

Коэффициент шероховатости для свежевырытых каналов находится в пределах 0,025 - 0,030.

При принятой в лесоосушении трапецевидной форме земляных каналов гидравлический расчет рекомендуется вести по схеме:

w_пр ®l_пр ®R_пр ®С_пр ® К_ПР = К_Д (1±0,05),

где К_ПР и К_Д проектные и действительные модули расхода. Модуль расхода представляет собой расход воды канала, приходящийся на единицу уклона:

К_Д = , (13)

К_ПР = w_пр С , (14)

Суть гидравлического расчета состоит в подборе поперечного сечения канала, обеспечивающего безопасный пропуск заданного расчетного расхода. В связи с тем, что глубина канала является в данном случае заданной, подбирается необходимая ширина канала. При ручном расчете вычисления желательно представить в табличной форме (табл. 14).

Таблица 14 -Гидравлический расчет канала Мк-2 на пикете Пк_о

Примечание: Уклон дна канала принят равным 0,001; n = 0,030;

Q = 0,8 м³/с; m =1,5.

При заполнении таблицы используем следующие формулы расчета:

w = (b + mh_p)h_p , (15)

c = b + 2h_p , (16)

R = , (17)

где m — коэффициент откоса;

b — ширина канала по дну, м.

Расчет считается законченным если различие между К_ПР и К_Д не превышает 5 %.

Для автоматизации гидрологических и гидравлических расчетов необходимо воспользоваться пакетом прикладных компьютерных программ (exe), имеющейся на кафедре лесных культур и почвоведения.

Проверка русла канала на размыв проводится только в том случае, если поверочный расход воды выше расчетного. При необходимости поверки русла канала на устойчивость к размыву рекомендуется поверку выполнять в виде гидравлического расчета. Только ширина канала принимается установленная ранее гидрологическим расчетом, а задаются глубиной воды в канале. Расчет также ведут в табличной форме (табл. 15).

Таблица 15 -Проверка устойчивости канала на размыв

Примечание: Максимально допустимая скорость течения взята по песку.

В случае если скорость течения воды в канале превышает максимально допустимую, то намечают крепление дна канала или применение других сооружений (перепады, быстротоки и т.п.).