Обеспечение устойчивости откосов каналов

С течением времени, вследствие влияния естественных причин (ливневых осадков, замерзания и оттаивания и др.) и антропогенных факторов (ходьбы по бермам, пастьбы скота и др.) происходит деформация и разрушение откосов. Для длительного поддержания каналов в рабочем состоянии применяют различные приемы и способы.

Устройство пологих откосов. Проектирование и строительство откосов должны отвечать установленным нормативам. В условиях слоистых грунтов, где торфяные почвы подстилаются песками, а также на песчаных обводненных грунтах, сильно подвергаемых разрушению, коэффициенты откоса следует принимать по песку. Для нагорных каналов в песках коэффициент, особенно с верховой стороны, следует принимать равным 2-3 с обязательным устройством сточных воронок через 30-40 м. Пологие откосы обеспечивают более длительную сохранность осушительной сети. Недостатком этого способа является большой объем земляных работ и значительная ширина каналов по верху.

Самозакрепление откосов каналов. С течением времени откосы каналов зарастают травянистой, кустарниковой и древесной растительностью. Для сохранения устойчивости откосов при ремонте каналов следует производить очистку дна и нижней части откоса на высоту уровня бытовых вод. Древесную и кустарниковую растительность удаляют только на верхней части откосов и берегах каналов. Корни древесно-кустарниковой растительности и дернина травянистой растительности способствуют устойчивости откосов.

Крепление откосов. Откосы укрепляют жердями, хворостом, железобетоном. Крепление требует значительных затрат, поэтому на проводящей сети его применяют, как правило, в случаях, когда другие вышеназванные способы не обеспечивают сохранности откосов каналов. В лесном хозяйстве чаще применяют жердяное, хворостяное, реже фашинное крепление.

Жердяное крепление производят следующим образом (рис. 38, а). В дно канала у основания откоса через 1,5-2 м по длине канала вертикально на глубину 0,6-0,7 м забивают колья диаметром 8-10 см. К кольям со стороны откоса крепят жерди из хвойных пород толщиной не менее 7-8 см. Высота крепления должна превышать горизонт бытовых вод в каналах на 5-10 см. Поэтому высота крепления для собирателей должна составлять 20-30 см, для магистральных каналов - 40-50 см. Для предотвращения сжатия грунтом стенок крепления между кольями внизу на дне и на верху кольев ставят распорки.

Хворостяное крепление устраивают в виде плетня (рис. 38, б). Для этого у основания откосов вдоль каналов через 0,3-0,4 м на глубину 0,5-0,6 м забивают колья диаметром 5-7 см. Колья плотно оплетают хворостом (из ивы, березы, хвойных пород). За плетнем укладывают дерн или торф.

Фашинное крепление выполняют из ивового, березового, ольхового^ елового хвороста, для чего вяжут фашины толщиной 25-30 см, укладывая их у оснований откосов и прикрепляя к откосу деревянными кольями диаметром 4-6 см, забиваемыми сквозь фашину (рис. 38, в). В зависимости от высоты крепления, можно укладывать одну или две фашины.

Рис. 38. Крепление откосов:

а- жердяное; б- хворостяное; е- фашинное; г- железобетонное

Для крепления проводящих каналов в лесах зеленых зон, лесопарках и парках можно применять железобетонные лотки (рис. 38, г) высотой 0,3 м, шириной около 0,5 м. Лоток препятствует разрушению откосов и дна каналов. Длина звеньев около 3 м. Лотки укладывают с разрывом в 3-5 см, через которые в каналы поступает грунтовая вода.

 

Гидрологические расчеты

Гидрологические расчеты проводят для вычисления расчетных модулей стока, необходимых для определения размеров поперечных сечений водоприемников, каналов проводящей сети (магистральных и собирателей) и сооружений. При гидрологических расчетах устанавливают также модули стока для поверочных расчетов каналов на устойчивость против размыва и заиления и проверки сооружений на пропуск воды.

При осушении лесных земель гидрологические расчеты проводят для следующих фаз режима стока: весеннего половодья, летне-осенних паводков, меженного периода (Лекция 3). Каналы проводящей сети, а также водоприемники рассчитывают на пропуск летне-осенних паводков 25%-ной обеспеченности. По модулям стока 25%-ной обеспеченности производится проверка таких каналов на устойчивость размыву. При осушении в лесах зеленых зон проводящие каналы и водоприемники рассчитывают по модулям стока летне-осенних паводков 10%-ной обеспеченности. Устойчивость русел каналов на размыв проверяется по модулям стока весенних половодий 25%-ной обеспеченности. Проверку каналов на заиление при осушении лесных земель и высоту крепления откосов в неустойчивых грунтах проводят по модулям стока 50%-ной обеспеченности. Расчет мостов и труб на осушительных системах проводят по расчетным модулям 1-5%-ной обеспеченности. Трубы рассчитывают на безнапорный режим, не допуская полного затопления труб в расчетный период.

Определение расчетных модулей стока. Расчетные модули определяют по фактическим наблюдениям, по аналогам или рассчитывают по формулам. Для определения модулей стока по фактическим наблюдениям необходимо иметь длительный (50-70-летний) ряд наблюдений на гидрологических постах за расходами воды. Минимальный срок наблюдений, допустимый для гидрологических расчетов осушительных систем, принимается в 10-15 лет. Обработка наблюдений производится по методике, изложенной в Лекции 3 (табл. 8, 9). Расчетные модули стока определяются по теоретической кривой обеспеченности (рис. 21) и по табл. 9.

При отсутствии фактических наблюдений на гидрологических постах, выполненных в той же природной зоне, где производится проектирование осушительных систем, подбирают бассейн-аналог. Площадь водосбора бассейна-аналога может отличаться от площади неизученного бассейна, где ведется проектирование, не более чем в 5 раз при площади водосбора 1000 км² и в 10 раз - менее 1000 км².

Для перехода от модулей стока, определенных по аналогам, к модулям стока с другими водосборными площадями можно использовать редукционную формулу:

, или приближенно  (91)

где q_р и F_p - модуль стока и площадь водосбора для расчетного сечения; q_H и F_H - те же значения для аналога, где проводились наблюдения; С - добавка к площади водосбора (табл. 26).

Таблица 26 - Параметры величин формулы (92)

Район	Обес печен ность, %	Максимальная интенсивность снеготаяния ас, мм/ч	Коэф фици ент стока е	Элементарный модуль максимального стока Ас	Добавка к площади водосбора С	Коэффициент редукции п
Северный	1	10,0	1,0	2,80	15	0,17
	10	8,8	1,0	2,46
	25	7,2	1,0	2,04
Карель-	1	6,8	1,0	1,90	15	0,20
ский	10	5,3	0,9	1,34
	25	4,6	0,8	1,03
Централь-	1	8,0	1,0	2,24	10	0,20
ный	10	6,2	0,9	1,56
	25	5,5	0,8	1,23
Западные	1	8,5	1,0	2,38	20	0,16
склоны	10	7,2	0,9	1,81
Урала	25	6,4	0,8	1,43
Восточные	1	7,1	1,0	1,99	10	0,16
склоны	10	5,9	0,9	1,49
Урала	25

 

Максимальный модуль стока весеннего половодья с частично заболоченных водосборов можно определять по формуле Д.Я. Соколовского:

, (92)

где q_max - максимальный модуль стока весеннего половодья, м3/с·км²; А_с - элементарный модуль максимального стока; F - площадь водосбора, км²; а_с - максимальная часовая интенсивность снеготаяния (табл. 26); 0,28 - коэффициент размерности при выражении а_с;  - коэффициент стока (табл. 27); n - коэффициент редукции;  - коэффициент снижения пика половодья, находящийся в зависимости от озерности, заболоченности и лесистости водосбора, определяемый по формуле:

, (93)

где  - площади озер, болот и лесов в % от площади водосбора; а - коэффициент, учитывающий влияние озерности, равный 1,0; 0,9; 0,8, и 0,7 для озерности соответственно 0,5; 5-10; 10-15 и 15 %; К - районный коэффициент, в среднем равный 0,72 для Карелии и Кольского полуострова, 0,82 - для района Балтийского, Белого и Баренцева морей, 0,95 - для районов Верхней Волги, Камы и восточных склонов Урала.

Максимальные модули стока дождевых паводков в летне-осенний период с частично заболоченных водосборов можно определить по формуле:

, (94)

Обозначения в формуле те же, что и в формуле (92). Значения недостающих величин, входящих в формулу, приведены в табл. 27.

Бытовой модуль стока по исследованиям Государственного гидрологического института рекомендуется принимать равным 50 % обеспеченности и определять по формуле:

, (95)

где q_быт- бытовой модуль стока, л/с·км²; q - норма стока л/с км²; F - площадь водосбора, км²; m_к - параметр, учитывающий влияние климатических факторов и гидрологических условий, m_к при 25 %- ной обеспеченности колеблется от 0,90 до 1,60; максимальные значения m_к применяются для условий северо-западной части Кольского полуострова и склонам Уральского хребта, а наименьшие для Ильменско-Ладожской низины;  - коэффициент, определяемый по формуле:

 (96)

Таблица 27 - Параметры величин формулы (94)

Республика, область	Обеспеченность, %	Добавка к площади водосбора	Элементарный максимальный сток Ас, м/с	Районный коэффициент К
Мурманская	1	15	М	0,7
Карелия	10		0,65
	25		0,46
Архангельская	1	10	1,48	0,8
Вологодская	10		0,76
Коми	25		0,54
Ленинградская	1	10	1,62	0,8
Псковская	10		0,78
Новгородская	25		0,51
Кировская	1	10	1,32	1,0
Пермская	10		0,78
Удмуртия	25		0,57
Свердловская	1	10	1,62	1,0
	10		0,84
	25		0,63

 

где  - площадь озер и болот, % от площади водосбора. Бытовой модуль стока мало зависит от площади водосбора, при водосборе до 100 км² F^0,04 можно принять равным 1,15.

Средневысокий летний модуль стока (л/с·га) можно приближенно вычислить по формуле А.Д. Дубаха:

 (97)

где F - площадь водосбора, га; i - средний уклон рассчитываемого канала; К_пр - коэффициент прихода-расхода влаги.

Коэффициент прихода-расхода влаги по областям принимается равным: Архангельская - 1,66, Вологодская - 1,5 1, Нижегородская - 1,10, Карелия -1,66, Тверская - 1,62, Кировская -1,10, Ленинградская - 1,67, Московская - 1,58, Новгородская - 2,00, Пермская - 1,20, Псковская - 1,77.

По расчетным модулям стока рассчитывают расход воды с водосбора:

 (98)

где q_p - расчетный модуль стока; F - площадь водосбора.

 

Гидравлические расчеты

Гидравлические расчеты проводят для определения размеров поперечных сечений регулируемых водоприемников и проводящих каналов. Поперечные сечения регулирующих каналов (осушителей и др.) принимают без расчета, устанавливая необходимую глубину и ширину по дну 0,3 м с необходимыми коэффициентами откоса.

При гидравлических расчетах по расходам воды заданной обеспеченности подбирают поперечное сечение каналов, способных пропускать необходимые расходы воды. Расчет пропускной способности воды производится при ее уровне на 0,2-0,3 м ниже бровки канала. При осушении парков и лесопарков положение расчетного горизонта принимают равным 0,4-0,5 м ниже бровки. Каналы рассчитывают на пропуск воды после осадки торфа.

При гидравлическом расчете подбирают сечение канала путем сопоставления прихода воды в канал (расхода с водосбора), определяемого по формуле (98), и расхода по каналу, определяемого по формуле:

 (99)

Живое сечение канала трапецеидального сечения определяют через коэффициент откоса. Из формулы (90) следует, что  Отсюда ширина канала поверху  Определяя живое сечение потока воды в канале, необходимо знать ширину канала по дну, глубину воды в канале и коэффициент откоса. В этом случае площадь живого сечения определится по формуле:

 (100)

где b - ширина канала по дну, м; m - коэффициент откоса; hр- расчетная глубина воды в канале, принимаемая равной глубине канала (на торфяниках после осадки торфа), уменьшенной на 0,2-0,4 м.

Скорость воды в канале рассчитывается по формуле Шези:

Для определения по формуле (15) гидравлического радиуса R необходимо знать смоченный периметр % (см. Лекция 2), который для каналов трапецеидального сечения рассчитывают по формуле

Обозначения те же, что в формуле (100).

Скоростной коэффициент С определяют по формуле Н.Н. Павловского (29) или И.И. Агроскина (31).

Поскольку многие параметры поперечного сечения каналов (откосы каналов, их глубина) находятся в зависимости от определенных факторов и установлены заранее, то изменить живое сечение каналов можно только путем увеличения ширины канала по дну b. Расчет начинают с минимальной ширины по дну - 0,4 м. Выполнив расчет расхода с водосбора по формулам 28, 99, 100, 101, находим расход воды по каналу. Если при минимальной величине b расход по каналу окажется больше прихода или меньше в пределах 5 %, то принятая ширина по дну считается допустимой. Если расход с водосбора превышает расход по каналу более чем на 5 %, расчет повторяется при увеличенной ширине по дну, пока отклонение не окажется в пределах ±5%.