I . Проектирование водохранилища

  Проектируемое водохранилище служит для орошения сельскохозяйственных культур и долевого летнего водоснабжения населенного пункта.

    1. Створ будущей плотины выбирается с учётом следующих положений:

• водохранилище должно находиться ближе к орошаемому участку;

• плотина строится в наиболее узком месте, чтобы объем земляных работ был минимальным;

• водоем желательно располагать выше населенного пункта, чтобы в него не попадали сточные загрязненные воды;

  2. Глубину воды в водоеме выбирают в пределах 3 - 7 м, при этом отметку нормально-подпорного уровня (▼НПУ) воды принимают с усло­вием, чтобы в зону затопления не попадал населенный пункт. При этом за минимальный уровень воды (▼MinУВ) принимается горизонталь, имеющая самую низкую отметку в сечении плотины. В данном примере (прил. 1)

▼MinУВ=119,▼НПУ=123. Таким образом, глубина воды в водоеме со­ставляет Н_В=▼НПУ-▼ Min УВ =123-119=4 м.

3. Насосная станция не должна затапливаться и может располагаться за пло­тиной, т.е. в нижнем бьефе на 1 м выше горизонтали, соответствующей ми­нимальному уровню воды. Расстояние от основания плотины до насосной станции 30-50 м. С водоёмом насосная станция соединяется с помощью самотечной, или самотечно-всасывающей линий, по которой насос забирает воду из водохранилища..

Расчет объема водохранилища

   Для обеспечения водой орошаемого участка и водопотребителей необходимо знать количество воды в проектируемом водоеме. Объем этот может быть определен по приближенной формуле:

V = K × H × B × L, м ³,       (1).

где H – наибольшая глубина воды у плотины, м;                                   B – ширина водной поверх­ности у плотины, м;                                                 L – длина пруда, м;                                                                                                   K – коэффициент, характери­зующий форму балки, равен ¹/₄-¹/₁₆ ; при форме балки, близкой к горизон­тальной, K =¹/₁₆;  параболической– K =¹/₄ . Ширина, длина и глубина водоема определяются по плану и с учетом заданного масштаба.

    Пример расчёта:

V =¹/₅ × 4 × 420 × 1050 = 352000 м³.

  Более точно объём водохранилища определяют  с помощью планиметра. Для этого определяется цена деления плани­метра на квадрате со сторонами 10×10 см, а затем площади, ограниченные горизонталями и плотиной. Расчет сводится в табл. 1.

 

 

Таблица 1. - Расчет объема водохранилища

(графический способ)

Горизонтали	Площадь сече­ния, тыс. м^2	Средняя пло­щадь между се­чениями, тыс. м^2	Объем между сечениями, тыс. м^3	Суммарный объем нарас­тающим итогом, тыс. м^3

Итак, объем пруда, вычисляется наиболее точно планиметром –287,15 тыс.м³.

Расчет земляной плотины

    Для отсыпки земляной плотины необходимо знать ее размеры, т.е. высоту, ширину гребня, подошвы(основания) и в конечном итоге объем земляных ра­бот по её возведению. Определение этих величин входит в расчет плотины.

3.1. Высота плотины определяется по следующей формуле;

Н_пл = Н_вод + Н_волн + Н_зап,       (2).         

где Н_вод =▼НПУ -▼ Min УВ уже определена и составляет 4 м;

Н_волн=0,0208 × С_мах^5/4 × L _волн ^1/3, м,     (3).

где С_мах– максимальная скорость ветра, м/с;(из задания С_мах=20 м/с;)

L _волны – максимальная длина нагона волны на плотину измеряется по плану в км;                 L _волны = 1,05 км;

Н_зап –высота на запас, для небольших плотин принимается от 0,3 до 0,5 м.

Пример расчёта:

Н_волн=0,0208 × 20^5/4 × 1,05^1/3 = 0,885 м ≈ 0,89 м;

Н_пл = 4 + 0,89 + 0,41 = 5,3 м.

 

3.2 Высоту волны можно определить по приближённой формуле Соколова                                (для Н_воды 4…5 м.);

Н_волны = 0,073 × С_мах, м;  (4).

    Чтобы определить длину плотины, необходимо найти отметку гребня пло­тины, а затем продлить ее в обе стороны до пересечения с поверхностью земли (рис. 1).

▼Гр.п =▼ Min УВ + Н_пл; или ▼НПУ+ Н_волны + Н_зап.         

▼Гр.п =119 + 5,3 м = 124,3 м

                     Рис. 1. Продольный разрез плотины

    Продлив на плане по направлению створа гребень плотины до отметки 124,3 в ту и другую сторону, получим длину плотины L _пл. В нашем примере она составляет L _пл =850 м.

• Ширина гребня плотины В_гр, т.е. проезжей части, принимается в пределах 5-10 м(для небольших земляных плотин).

• Ширина подошвы или основания плотины В_осн. рассчитывается исходя из заложения мокрого и сухого откосов (рис. 2) по формуле:

В_под = В_гр + 5Н_пл, м.

               Рис. 2. Разрез земляной плотины

        Минимальное заложение откосов земляных плотин рекомендуется:                 для мокрого 1:3-5, сухого 1:2. Приняв ширину гребня В_гр=5 м, получим: 

В_под = 5 + (5 × 5,3) = 5 + 26,5 = 31,5 м.

        Зная размеры всех составляющих плотины, определяют объем земляной пло­тины по приближенной формуле

V _пл = 0,25 × Н_пл × L _пл × (В_гр + В_под), м³,           (5).

                    V _пл = 0,25 × 5,3 × 850 × (5 + 31,5) = 38780 м³.

     Оптимальное отношение объема плотины к объему водохранилища считается 1к15…20. В нашем примере это отношение 17,4.(недостаточно)

  Более точно объем плотины можно рассчитать согласно плану по сечениям.Расчет сводится в табл. 2.

 

 

Номер сечения	Высота плотины Н, м	Ширина гребня, Вгр, м	Ширина подошвы Впод, м	Площадь сечения, Sсеч, м^2 (Вгр + Впод)	Средняя площадь между се­чениями Sср, м^2	Расстоя­ние между сечениями L, м	Объем ме­жду сече­ниями, V, м^3, гр.бхгр.7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Таблица 2. - Объем плотины по сечениям

 

        Высота плотины в каждом сечении по горизонталям определяется как

 Н_пл.=▼гр.п. –▼пз., где ▼пз.– отметка поверхности земли в любой точке по  створу плотины, определяется по плану (прил. 1)

       Площадь сечения S_сеч определяется как площадь трапеции (рис. 2), т.е. как полусумма оснований, умноженная на высоту:

S _сеч. =  × Н, м²            (6).

         Расстояние между соседними сечениями определяется по плану с учетом масштаба.

 

Расчет водосбросов

Трубчатый водосброс.

  Во время весеннего паводка водохранилище за счет талых вод может пере­полняться, поэтому необходимо сбросить лишнюю воду за плотину, т.е. в нижний бьеф, с тем, чтобы не превышать нормально-подпорного уровня (НПУ). Чаще всего для этой цели применяются трубчатый водосброс, (труба, проложенная в основании плотины).Альтернативой может служить водосброс с боковым сливом, быстроток, пере­пад и др.

      Паводковый расход определяется в зависимости от местоположения водохранилища и площади водосбора.

      Паводковый расход (Q_пав) определяется в два этапа:

а) определение нормы стока:

Среднегодовая норма стока U определяется по карте изолиний или из табл. 3.

 

Таблица 3.-Норма стока для некоторых географических зон

Населенный пункт	Норма стока
	тыс. м^3/км^2	м^3/га
Омск Челябинск, Курган Красноярск, Кемерово, Иркутск, Абакан Барнаул Новосибирск, Томск Рубцовск, Алейск	19 40 180 100 75 15	190 400 1800 1000 750 150

 

     Например, для лесостепной зоны Приобской лесостепи норма годового стока составит: U_стока=75 тыс.м ³/ км ².

в) определение паводкового расхода.

    Паводковый расход Q_пав определяется для года 1%-й обеспеченности, т.е. для расчета принимаем паводок, который бывает один раз в 100 лет. Любой на­селённый пункт располагается в бассейне какой-либо реки или междуречья (прил. 2)

Курган, Челябинск – Тобольская лесостепь;

Рубцовск, Омск,Алейск – Кулундинская лесостепь;

Абакан, Красноярск, Иркутск, Кемерово – Саяно-Сибирский горный район;

Новосибирск, Барнаул, Томск – Приобская лесостепь.

 

     Для примера проведём расчет паводкового расхода для зоны Приобской лесостепи при норме стока 75 тыс.м³/км² для заданной площади водосбора F=12 км².Опреде­ляем паводковые расходы исходя из нормы стока U и площади водосбора F.

 

Норма стока          F =10 км²                                F =15 км²

63 тыс.м³/км²          Q _пав =3,61 м³/с         Q _пав =4,97 м³/с

Норма стока          F =10 км²                                F =15 км²

126 тыс.м³/км²            Q _пав =6,6 м³/с           Q _пав =9,0 м³/с

 

    Теперь проводим интерполяцию и находим паводковый расход для требуе­мой нормы стока U=75 тыс.м³/км² и площади водосбора F=12 км².

     На единицу площади разность в расходе составит для нормы стока 63 тыс. м³/км²

 

Q =  = = 0,272 м³/с.

Для F=10 км² паводковый расход составляет Q_пав= 3,61 м³/с, тогда для F=12 км² он составит

Q_пав= 3,61+ 0,272 × 2= 4,15 м³/с.

 

Аналогичный расчет производим для нормы стока U=126 тыс.м³/км²:

 

Q =  = = 0,48 м³/с.

 

Для F=12 км²

Q_пав=6,6 + 0,48 × 2= 7,56 м³/с.

 

По такому же принципу проводим интерполяцию для нормы стока U=75 тыс. м³/км² и площади водосбора F=12 км²

 

Q =  =  = 0.054 м³/с на единицу нормы стока.

И окончательно:

 

Q_пав=4,15 + 0,054 × 12 = 4,15 + 0,656 = 4,72 м³/с.

Это и есть искомый паводковый расход, на который далее рассчитываются проектируемые водосбросы.