Кафедра – землеустройства и ландшафтного проектирования

ФГОУ ВПО

«Воронежский государственный аграрный

университет им. К.Д.Глинки»

 

 

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«Проектирование и строительство противоэрозионных гидротехнических мероприятий»

для специальности: 120301 - «Землеустройство»

Факультет – Землеустроительный

Кафедра – землеустройства и ландшафтного проектирования

Преподаватель, подготовивший лекционный материал:

ассистент кафедры землеустройства и ландшафтного проектирования

___________________________ Е.А. Нартова

 

Воронеж 2010 г.

ТЕМА 1. Гидротехнические сооружение - элементы комплекса мероприятий в составе эколого-ландшафтных систем земледелия

 

1. Понятие гидротехники.

2. История развития гидротехники.

3. Классификация гидротехнических сооружений.

4. Особенности гидротехнических сооружений.

Понятие гидротехники.

Гидротехника - отрасль науки и техники, охватывающая вопросы использования, охраны водных ресурсов и борьбы с вредным действием вод при помощи инженерных сооружений.

Основные задачи гидротехники:

-приспособление, изменение или преобразование естественно­го режима водного объекта в целях экономичного водохозяй­ственного использования с учетом требований охраны окружаю­щей среды;

-создание искусственных водотоков и водоемов в тех случаях, когда естественных вод недостаточно или они отсутствуют;

-разработка конструкций сооружений для специальных нужд отдельных отраслей водного хозяйства, например судоходных шлюзов и судоподъемников, зданий гидроэлектростанций, на­сосных станций, рыбоводных систем.

Развитие эрозионных процессов может иметь далеко иду­щие последствия. В результате неправильного использования сельскохозяйственных земель, происходит разрушение почв они теряют способность удерживать влагу атмосферных осадков, проис­ходит усиленное испарение.

Одним из наиболее действенных приемов защиты почв от разрушения являются противоэрозионные гидротехнические сооружения (ПЭГС).

Гидротехнические сооружения являются элементом комплекса ме­роприятий в составе эколого-ландшафтных систем земледелия. Основ­ным целевым назначением сооружений является остановка роста оврагов, стабилизация базиса эрозии, регулирование вод местного стока, задержание продуктов твердого стока. Уменьшение разрушительного действия поверхностных вод и повышение влагообеспеченности прилегающей территории способствуют задернению склонов и днищ оврагов, интенсификации процессов сукцессии, улучшению экологической обстановки сельскохо-зяйственных ландшафтов.

Под гидротехническими сооружениями понимают инженер­ные сооружения, предназначенные для использования при­родных водных ресурсов или для предотвращения вредного воздействия воды на окружающую среду.

Общие сведения о гидрологии.

Гидрология - наука, изучающая гидросферу, ее свойства, протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой, литосферой и биосферой.     Гидрология зани­мается изучением природных вод, их распространением по земной поверхности и в толще почвогрунтов, выявле­нием процессов, явлений и закономерностей, по которым эти процессы и явления развиваются. Раздел гидрологии, где рассматриваются закономерности распространения поверхностных вод, процессы и явления, протекающие в них, называется гидрологией суши.

Гидрометрия - раздел гидрологии, рассматривающий методы измерений гидрологического режима водных объектов.

Гидрогеология - изучает происхождение, распространение, режим, динамику, ресурсы и физико-химические свойства подземных вод. Она разрабатывает практические приемы поиска и добычи подземных вод для целей водоснабжения, орошения и др.

Основы гидравлики.

Гидростатика и гидродинамика

Гидростатика и гидродинамика - составные части гидравлики.

Гидравлика - наука, изучающая законы движения и равновесия жидкостей (воды).

Проектирование и строительство гидротехнических со­оружений, их эксплуатация основаны на законах и зависи­мостях гидравлики.

Гидростатика - это раздел гидравлики, изучающий за­коны давления жидкости, находящейся в состоянии покоя. На такую жидкость действует сила тяжести и атмосферное давление. Поэтому в ней образуется давление, называемое гидростатическим. Это давление имеет два свойства:

а) на воспринимающую поверхность оно направлено всегда перпендикулярно;

б) в любой точке величина давления по всем направлениям одинакова.

Основное уравнение гидростатики имеет вид:

Р = Р_о + φ • h                                             

где Р- гидростатическое давление, кг/см², т/м²;

Р_о- давление на свободную поверхность, равное атмос­ферному давлению (атм=1 кг/см²); φ - объемный вес жидкости (для воды =1 т/м³); h - высота столба жидкости, см, м.

Гидростатическое давление действует во всех направ­ления одинаково. Любое изменение давления в покоящей­ся жидкости передается одинаково во все точки занятого жидкостью пространства (закон Паскаля).

При расчетах давления в открытых сооружениях вели­чина атмосферного давления не учитывается (Р_o= 0),т.е.

Р = Р_о • h

Произведение φ • h является показателем избыточного гидростатического давления (обусловлено весом столба жид­кости и называется манометрическим давлением).

Для расчетов величины давления на плоскость (дно) применяется формула:

Р = φ • h • ω

где: ω - площадь дна, на которую осуществляется давле­ние жидкости, м²;

φ - объемный вес воды (1, т/м³); h - высота, м.

Величина давления на стенку с увеличением глубины возрастает. Если на поверхности воды Р=0 (т.к. h=0), то в каждой рассматриваемой точке, расположенной ниже по­верхности воды, давление будет численно равно величине h.

Гидродинамика - раздел гидравлики, в котором изуча­ются общие законы движения жидкости.

Различают следующие виды движения воды:

1) установив­шееся и неустановившееся,

2) напорное и безнапорное,

3) ламинар­ное и турбулентное.

Установившееся движение - вид движения, при котором скорость, давление и глубина потока не изменяется за какой-то промежуток времени.

По характеру перемещения потока по длине водотока установившееся движение подразделяется на равномер­ное и неравномерное. Равномерным является такое дви­жение воды, при котором форма и площадь поперечного сечения русла, а также средние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинаковы. Неравномерное движение отличается изменяемостью площадей сечения потока, глубин, скоростей потока по длине.

Напорное движение воды происходит под влиянием дав­ления, которое по величине больше атмосферного (образу­ется с помощью насосных установок или разностью давления по длине потока). При этом движении поток полностью заполняет поперечное сечение трубы или иного пропускного со­оружения, ограниченного станками со всех сторон.

Безнапорное движение воды происходит под влиянием силы тяжести. Поток при этом движется в открытых естест­венных руслах, каналах или пропускных (сбросных) соору­жениях, имеющих поверхность соприкосновения с атмосфе­рой.

Ламинарный режим движения характерен движением воды параллельными струйками без их взаимного перемеши­вания (что наблюдается при малых скоростях). Такой режим наблюдается при движении грунтовых вод или воды в тонких капиллярных трубках.

Турбулентный режим движения характерен перемеши­ванием частиц воды в продольном и поперечном направле­ниях. Такой режим наблюдается в трубах, реках, каналах и т. п.

 

Гидравлические характеристики потока.

Естественные и искусственные потоки характерны преж­де всего средней скоростью и расходом воды. Для их опреде­ления необходимо знать элементы поперечного сечения по­тока: площадь живого сечения, смоченный периметр, гидрав­лический радиус.

Площадь живого сечения потока ω - то площадь поперечного сечения, перпендикулярная к направлению дви­жения воды.

 

Живое сечение потока:

а -  реках; б -  каналах; в, г -  трубах.

 

 

Смоченный периметр x — линия соприкосновения воды со стенками и дном потока на его поперечном сечении.

Гидравлический радиус R — отношение площади жи­вого сечения (ω)

к смоченному периметру:

R = ω / x

Расходом называется объем воды (Q), протекающий через данное живое сечение потока в единицу времени, т. е.

Q = ω • υ

где    Q — расход воды, м³/с;     

ω — площадь живого сечения, м²;    

υ —средняя скорость течения воды, м/с.

 

Геометрический, пьезометрический и гидравлический уклоны.

Движение воды тесно связано с геометрическим, пьезо­метрическим и гидравлическим уклонами.

Геометрический уклон -то изменение линии дна пото­ка на единицу длины т. е.

i =  = tgα

где i — геометрический уклон; ∆ h _н — превышение отметок дна потока по длине,м; l ₁ — горизонтальное проложение длины дна потока, м

                                                    

 

 

Пьезометрический уклон — уклон свободной поверх­ности потока (i_n).

Гидравлический уклон — это потери напора или энергии потока воды на единицу длины, т. е.

i _г =

где i _г — гидравлический уклон; ∆ h _н — потери напора (энер­гии потока на преодоление сил трения); l — длина потока.

 

Гидравлические сопротивления и потери напора.

При движении жидкости в реках, каналах, лотках, трубах и тому подобном происходят затраты энергии по­тока на преодоление сопротивлений движению, что вызы­вает потери напора, возникающие при движении жидко­сти. Гидравлическое сопротивление можно разделить на два вида: сопротивления по длине потока и местные со­противления. Сопротивления по длине потока обусловли­ваются силами трения о дно и стенки русла и зависят от длины потока и шероховатости русла. Местные сопро­тивления вызываются местными препятствиями течению воды (поворотом русла, резким его расширением или су­жением и др.). В соответствии с видами потерь напора выделяются два вида сопротивлений: по длине потока h_дл и местные H_м.

Общие потери напора h_тр равны их сумме

h_тр = h_дл  + h_м.

Зависимость скорости течения от гидравлического ради­уса и гидравлического уклона при равномерном движении воды выражает формула Шези:

V=C

где V -средняяскорость течения воды, м/с; С - скоростной коэффи­циент Шези, R - гидравлический радиус, м; I - гидрав­лический уклон.

Скоростной коэффициент Шези определяют по формуле Павловского:

С =

где R —гидравлический радиус, который для открытых по­токов может быть заменен средней глубиной, м; п — коэффициент шероховатости русла, изменяющийся в зависимости от его состояния; у — переменный показатель сте­пени, определяемый по формуле:

y = 2,5 – 0,13 – 0,75 ( – 0,10).

Формула И. И. Агроскина:

С =  + 17,72 lgR

Формула Шези имеет большое практическое значение. С ее помощью можно определить расход воды, размеры проводящих каналов, вычислить уклон потока, опреде­лить гидравлический радиус.

Для русел, ширина которых превосходит глубину, ве­личину гидравлического радиуса можно заменить средней глубиной потока, и тогда формула Шези примет вид:

V = C

Водосливы

Водосливом называют установленную на пути движения водного потока прегра­ду, через которую переливается вода. Преграда может быть сплошной или с вырезом в ней разной формы. Водосливы бывают с тонкой стенкой, с широким порогом и практическим профи­лем (на плотинах).

Водосливы с тонкой стенкой могут иметь отверстия для пропуска воды различной формы: прямоугольные, треуголь­ные, трапециевидные и криволинейные. Они могут быть за­топляемыми и незатопляемыми.

 

 

 

Водосливы:

а — общий вид; б — прямо­угольный; в — трапецеидаль­ный; г — треугольный

 

 

Водослив с широким порогом.

Участок водосливного сооружения, где происходит пе­релив воды, называется порогом водослива. Превышение уровня воды перед водосливом (в верхнем бьефе УВБ) над порогом водослива образует напор Н Напор из­меряется на расстоянии трех-пяти величин Н от порога. Величина с характеризует толщину порога водослива.

Если толщина порога составляет не более 0,5H, то их относят к водосливам с тонкой стенкой, если более 2Н, то — с ши­роким порогом.

Расход воды через прямоугольный водослив с широ­ким порогом определяют по формуле

Q = mb 2 gH ³ /²,

где Q — расход воды, м³/с; b — ширина порога водо­слива, м; Н —напор воды на пороге водослива, м; т — коэффициент расхода («0,38-0,39).

Организация строительства.

Рабочие проекты на строительство противоэрозионных гидротехнических сооружений разрабатываются в одну стадию.

Непосредственно перед началом производства земляных работ подрядной строительной организации необходимо дополнительно согласовать их работу на конкретных площадках с председателем комитета по земельным ресурсам и землеустройству. Работу по строительству простейших гидротехнических сооружений начинают с разбивки их осей согласно разбивочному чертежу. Чаше всего в основу способа перенесения проекта в натуру положен метод перпендикуляров.

Водозадерживающие валы переносят в натуру в следующей последовательности:

- в створе временных реперов ставят вешки, соответствующие расстояниям, указанным на разбивочном чертеже. Далее от этих вешек под углом 90° отмеряют необходимые расстояния и закрепляют их колышками со стороны низового откоса. После этого с помощью нивелира корректируют плановое положение установки колышков на проектные отметки подошвы вала и кроме этого устанавливают дополнительные точки на характерных местах изгиба вала.

Габариты сооружения устанавливают путем откладывания ширины основания от полученных точек и также закрепляют кольями.

Технология строительства простейших гидросооружений включает в себя следующие основные операции:

1.Раскорчевка лесополос (где это необходимо) корчевателем - собирателем.

2. Снятие плодородного слоя почвы с площади основания валов и прудков. Плодородный слой почвы снимается бульдозером мощностью 96 квт. толщиной чаше всего 0,3 м и складируется во временный отвал в верхнем бъефе с последующим возвратом на поверхность вала и прудка (фактическая мощность снимаемого плодородного слоя определяется почвоведами).

3. Разработка грунта П группы бульдозером мощностью 96 квт. с перемещением при засыпке оврагов, промоин и строительстве валов.

4. Отсыпка тела вала производится горизонтальными слоями толщиной в рыхлом виде не более 0,2 м с тщательным уплотнением каждого слоя, за исключением растительного. Уплотнение производится при оптимальной влажности укаткой кулачковыми катками за 5 проходов по одному следу. Качество уплотнения контролируется визуально путем осмотра стенок шурфов, закладываемых на глубину не менее 1,5 толщины уплотненного слоя. В достаточно уплотненной насыпи грунт должен быть однородной структуры по всей высоте шурфа без заметных на глаз пор.

Для обеспечения проектной глубины выемки прудка вначале грунт разрабатывается со всей ширины выемки прудка, затем ширина полосы постепенно сокращается. Бульдозер движется перпендикулярно оси сооружения. Перемещение грунта со стороны сухого откоса, при строительстве валов, не допускается. Углы примыкания шпор к валу и углы поворота вала выполняются плавными кривыми, с радиусом соответствующим минимальному радиусу поворота, применяемых машин и механизмов при строительстве.

Оптимальная влажность грунта при работе грунтоуплотняющих механизмов должна быть 15-18% от полной влагоемкости. Допустимые отклонения влажности грунта + 5%. Технология строительства предусматривает полив грунта водой из расчета 100 м³ воды на 1000 м³ уплотняемого грунта.

Уплотнение грунта необходимо вести вдоль бровок откосов к оси сооружения. Особенно тщательно должны уплотняться участки сооружений, пересекающие ложбины и овраги, с обязательным уплотнением откосов с заложением не менее 1:3.

5. Возврат плодородного слоя почвы на поверхности вала и прудка.

6. Планировка поверхности сооружений механизированным способом.

7. Устройство водообходов. Пороги водообходов крепят посевом многолетних трав.

8. Посев многолетних трав осуществляется вручную по гребню, откосам валов и прудкам, а также залужение пашни ниже водосбросов.

Для укрепления поверхности сооружений и залужения пашни ниже водосбросов необходима следующая травосмесь:

1.Эспарцет Павловский - 35 кг/га

2. Люцерна Павловская пестрая - 5 кг/га

3. Овсяница луговая Павловская - 6 кг/га

4. Кострец безостый Павловский 22105-15 кг/га

Посев многолетних трав должен быть проведен в оптимальные агротехнические сроки.

Техника безопасности.

Производство работ должно осуществляться в соответствии с требованиями «Техника безопасности в строительстве».

Перед началом работ следует ознакомить лиц, выполняющих работы на объекте, с указанием маршрутов движения землеройной техники, провести вводный инструктаж по технике безопасности.

При выполнении работ по строительству простейших гидротехнических сооружений необходимо особое внимание обращать на соблюдение правил охраны труда и техники безопасности при выполнении работ в условиях крутосклонов, а именно:

- при разработке, транспортировке, планировке и уплотнении грунта двумя и более механизмами, идущими друг за другом, необходимо соблюдать между ними интервал не менее 5 м;

- при подъеме и опускании навесных механизмов категорически запрещается переключение передач;

- на склонах крутизной до 12° разрешается работа землеройной техники в любом направлении склона, на склонах от 12° до 20° - вдоль склона или под углом 45° - 60° и на склонах свыше 20° - только вдоль склона;

- запрещается работа и развороты техники ближе 5 м от бровок оврагов, откосы которых приняли естественный уклон и перестали разрушаться;

запрещается работа в ночное время

ФГОУ ВПО

«Воронежский государственный аграрный

университет им. К.Д.Глинки»

 

 

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«Проектирование и строительство противоэрозионных гидротехнических мероприятий»

для специальности: 120301 - «Землеустройство»

Факультет – Землеустроительный

Кафедра – землеустройства и ландшафтного проектирования

Преподаватель, подготовивший лекционный материал:

ассистент кафедры землеустройства и ландшафтного проектирования

___________________________ Е.А. Нартова

 

Воронеж 2010 г.