Расходы воды в каналах и размеры каналов

 

Проводящая сеть предназначена для приема избыточных по­верхностных и почвенно-грунтовых вод из регулирующей и огра­дительной сетей и своевременного отвода их в водоприемник.

В состав проводящей сети входят магистральные каналы и их ветви, транспортирующие собиратели, открытые и закрытые кол­лекторы.

Открытые проводящие каналы отчасти принимают избыточные воды и непосредственно с осушаемой территории. Однако боль­шая часть воды поступает в проводящую сеть, через регулирую­щую и оградительную сети. Только в некоторых случаях (напри­мер, узкие поймы или болота с мощностью торфа до 1,5 м, под­стилаемые хорошо водопроницаемыми песками) более глубокие открытые проводящие каналы могут понижать грунтовые воды на необходимую глубину без устройства дополнительной регули­рующей сети.

Крупную проводящую сеть выполняют открытой, а более мел­кую - или закрытой (на участках гончарного дренажа), или от­крытой (на мощных торфяниках, осушаемых кротовым дренажем).

Магистральный канал соединяет осушительную систему с во­доприемником и является наиболее ответственной частью прово­дящей сети. При проектировании его в плане необходимо соблю­дать следующие правила.

1. Магистральный канал должен принимать воду с любого участка осушаемой территории. Поэтому его прокладывают по наиболее низким отметкам осушаемой площади и по тальвегам. На болотах с мощными торфяниками магистральный канал про­ектируют преимущественно по местам с наибольшей глубиной торфа с тем, чтобы после осадки торфа его трасса проходила по наиболее низким участкам «будущего рельефах болота.

2. Магистральный канал должен иметь по возможности наи­меньшую длину. Для этого его трассу намечают: по направлению наибольших уклонов поверхности земли.

3. Если посередине осушаемой территории протекает река, ма­гистральный канал проектируют по руслу. При наличии изви­листых участков намечают спрямление их с целью уменьшения длины магистрального канала и создания сравнительно вырав­ненных осушаемых участков.

4. Магистральный канал должен быть устойчивым против раз­мыва и заиления. Этому требованию отвечает трассировка кана­ла по наиболее устойчивым грунтам и в направлении течения паводковых вод. По тем же соображениям магистральный канал стараются проводить по возможности целиком в торфяном грун­те, обходя встречающиеся на пути канала песчаные бугры и за­иленные озера.

5. Магистральный канал должен впадать в водоприемник в том месте, где имеются прочные и прямолинейные берега, а так­же достаточная пропускная способность русла.

6. При проектировании трассы магистрального канала необхо­димо учитывать размещение на данной территории населенных пунктов, границ землепользователей и угодий, дорог и лесона­саждений.

Боковые проводящие каналы - каналы второго и третьего порядков (так называемые транспортирующие собиратели и от­крытые коллекторы), - проектируют в плане также по пониже­ниям местности, по границам хозяйств и полей севооборота, вдоль дорог и лесных полос.

Расстояние между проводящими каналами определяется схе­мами размещения на осушаемой территории закрытой осуши­тельной сети. Для создания условий, позволяющих применять и производительно использовать современные сельскохозяйствен­ные машины, расстояние между открытыми каналами должно быть не менее 200...300 м. При меньших расстояниях повыша­ются потери земли под разворотные полосы, увеличиваются хо­лостые перегоны тракторов и в целом снижается производитель­ность сельскохозяйственных машин. Оптимальные расстояния между открытыми коллекторами 300...400 м. Транспортирую­щие собиратели проектируют через 800...1500 м.

Расположение осушительной сети в плане и в вертикальной плоскости также необходимо увязывать с подземными коммуни­кациями (водо-, газо- и нефтепроводами, кабельными линиями и др.), проходами под мостами железных и шоссейных дорог, с наземными линиями электропередач.

Все каналы в плане должны быть по возможности прямоли­нейными, с минимальным количеством поворотов. Углы поворотов допускаются в пределах 60... 80°. На поворотах каналы закруг­ляются радиусом r= 10 В - для незакрепленных русел и r = 5 В - для закрепленных, где В - ширина канала по верху. Для круп­ных каналов, как и для реководоприемников, радиусы закругле­ния рекомендуют определять по эмпирическим формулам А. Ф. Печкурова.

Сопряжение каналов в плане, лучше при меньших углах между динамическими осями сливаю­щихся потоков. На практике сопря­жение в плане небольших боковых каналов между собой и с круп­ными каналами производят под прямым углом; из условий обра­ботки почвы допускается минимальный угол 60°. Крупные каналы между собой лучше сопрягать под углом 60°, а с водоприемни­ком — под углом 45°.

Проектирование открытой осушительной сети начинают с ма­гистрального канала, руководствуясь перечисленными выше тре­бованиями. Примерно перпендикулярно к магистральному каналу намечают транспортирующие собиратели. Их размещают в пер­вую очередь по боковым притокам и тальвегам. Трассы осталь­ных транспортирующих собирателей проектируют исходя из усло­вия подключения к ним открытых коллекторов. Отдельные откры­тые коллекторы можно подключать и непосредственно к маги­стральному каналу (см. рис.2.1).

Конфигурация создаваемых между осушительными каналами полей должна быть прямоугольной с соотношением сторон 1:2...1:5. Оптимальная площадь осушаемых участков 30... 80 га. Вблизи рек, дорог и лесных полос могут быть осушаемые участки меньшей площади и более сложной конфигурации.

Под магистральные каналы и их ветви отводят полосы, рав­ные ширине канала по верху, и пятиметровые участки для про­езда с каждой стороны канала. Вдоль открытых коллекторов, как правило, проезды не предусматривают и принимают полосы от­чуждения по 1 м; вдоль транспортирующих собирателей пред­усматривают с одной стороны полосу 5 м для проезда, а с дру­гой - 1 м без проезда.

Закрытые коллекторы проектируют в первую очередь по таль­вегам и другим понижениям местности. При большой длине склонов на них назначают дополнительные коллекторы на рас­стояниях 200...400 м, обеспечивающие одно- или двухстороннее подключение дрен. Расположение коллекторов определяется так­же принятой схемой размещения в плане регулирующих дрен (рис. 2.4). При поперечной схеме коллекторы проектируют по наибольшим уклонам поверхности, а при продольной - под углом к горизонталям поверхности с обеспечением их минималь­ного уклона. Сопряжение дрен с коллекторами диаметром более 200 мм следует выполнять посредством вспомогательных коллекторов.

Если по тальвегам и ложбинам наблюдается значительный по­верхностный сток (при площади водосбора более 15 га), то трас­су коллектора смещают от оси тальвега на более высокое (10...20 см) место с тем, чтобы не размывалась траншейная засыпка. При больших дренажных расходах и отсутствии труб большого диаметра иногда проектируют по тальвегам два параллельных коллектора с расстояниями 10...15 м.

Гидравлические расчеты выполняют для установления раз­меров поперечного сечения каналов и проверки скорости движе­ния в них воды. Их производят обычно для магистральных (рас­считываемых) каналов, площадь водосбора которых превышает 5 км². Проверку скоростей движения воды производят также и для нерасчетных каналов с меньшей водосборной площадью, если уклоны их превышают 0,0015 - в песчаных, 0,003 - в суглини­стых и 0,005 - в глинистых грунтах.

Основными расчетными параметрами при определении размеров каналов являются: Q – расход воды; υ – скорость движения воды.

Гидравлические расчеты расхода и скорости движения воды ведут по формулам равномерного движения воды в открытых руслах

(2.21)

(2.22)

(2.23)

где v - средняя по живому сечению скорость течения воды, м/с; Q - расход, м³/с; k - расходная характеристика (или модуль расхода), м³/с; R - гидравлический радиус; , м; -площадь живого сечения, м²; - смоченный периметр, м²;

i - про­ектный уклон канала; С - скоростной коэффициент (или коэффи­циент Шези), определяемый по формуле Н.Н. Павловского С = R^Y / n, где n - коэффициент шероховатости осушительных кана­лов, зависит от состояния поверхности откосов и дна русла, обыч­но принимается в зависимости от расчетных расходов:

при Q>25 м³/с n = 0,025;

при Q = 1...25 м³/с n = 0,030;

при Q<1 м³/c n = 0,035;

у - показатель степени, y=f (n, R)и изменяется в среднем от 1/5 до 1/6.

Расчетные расходы и условия их пропуска по каналам на­значают в зависимости от использования осушаемых земель. Например, при сельскохозяйственном использовании осушаемых земель используют посевной или летне-осенне паводковый расчетный расход при 10% расчетной обеспеченности расхода. Для всех видов использования земель используют бытовой или меженный расчетный расход при 50% расчетной обеспеченности расхода.

При использовании осушаемых земель под посев многолет­них трав, яровых зерновых, овощных и технических культур раз­меры поперечного сечения осушительных каналов должны быть такими, чтобы горизонты воды в них при прохождении посевно­го расхода находились ниже бровки канала не менее чем на 0,7...1,0 м, высокого летне-осеннего расхода - на 0,1...0,2 м, а бытовой (меженный) горизонт воды в канале - на уровне или ниже дна впадающих в него нерасчетных каналов.

В посевной период запас от расчетного горизонта воды до бровки канала должен быть не менее 0,7...1,0 м, поскольку в это время на осушаемой территории между каналами необходимо обеспечивать нормы осушения 0,5...0,6 м. При пропуске летне-осенних паводков допускается работа каналов полным сечением, при этом с учетом неровностей рельефа запас до бровок прини­мается не менее 0,1...0,2м. При бытовых (меженных) расхо­дах проверяют условия сопряжения каналов в вертикальной пло­скости.

Расчетную глубину канала Т_р определяют следующим образом:

Т_р.2=h_вл+(0,1…0,2 м);

(2.24)

Т_р.1=h_пос+(0,7…1,0 м);

(2.25)

Т_р.3=h_быт+Т_т.с.,

(2.26)

где - глубина впадающего нерасчетного канала (обычно транспортирующего собирателя) в устье, м; - расчетные глубины наполнения канала при посевном, высоком лет­не-осеннем и бытовом расходах, м.

Перепад между дном принимающего расчетного и впадающего нерасчетного каналов, кроме того, должен быть не менее 0,3 м, поэтому при <0,3 м необходимая глубина канала

(2.27)

Из вычисленных значений принимают наибольшее.

При использовании осушаемых земель под озимые зерновые поперечное сечение канала должно обеспечивать пропуск павод­ковых расходов на уровне бровок канала, т.е., Т _р ≥ h _пав, где h _пав - расчетная глубина воды при паводковых расходах.

Для осушительных нерасчетных каналов, проектируемых в торфяных грун­тах по новой трассе, строительную глубину увеличивают по отношению красчетной на величину осадки S_к.

Строительную глубину каналов T _стр вычисляют по следующей зависимости

(2.28)

где - расчетная глубина открытых коллекторов () или транспортирующих собирателей (), м; - осадка поверхно­сти болота за период осушения, м; - осадка дна канала за тот же период, м; - уменьшение глубины канала в процессе осадки торфа, м, .

Величину для низинных торфяников (в м) можно опреде­лять по формуле А.Д. Панадиади

,

(2.29)

где k - коэффициент, зависящий от плотности торфа: для плот­ных торфяников k= 1, для менее плотных - 1,4, для рыхлых - до 1,8; Н - средняя по трассе канала мощность торфа, м; - расчетная глубина канала, м.

 

При мощности торфа H менее глубины канала Т_р учитывают = Н и

=0,18 kH. Обычно глубину открытых коллекторов Т_р принимают в пределах 1,3... 1,6 м, а транспортирующих собирателей 1,5...1,8 м.

Проектные уклоны нерасчетных каналов обычно принимают равными среднему уклону поверхности земли по трассе каналов, но не менее 0,0003.

Кроме глубины к основным размерам каналов относятся ширина b и коэффициент заложения откосов т..

1. Для осушительных каналов, про­ектируемых по целине, назначают поперечное сечение трапецеи­дальной формы (при ширине b 5 м).

Ширину их по дну b (в м) опре­деляют по зависимости

b= 1/3 Q,, (2.30)

где Q - средний из посевного и высокого летне-осеннего расходов, м³/с.

Ширина расчетных каналов по дну не должна быть меньшей, чем для соответствующих нерасчетных каналов.

В зависимости от видов грунтов принимают необходимый коэффициент заложения откосов т. Предварительно назнача­ют проектный уклон канала (его назначают равным среднему уклону поверхности земли по трассе канала, но не менее 0,0002). Далее, задаваясь различными глубинами наполнения канала h (от 0,1 м до 2...3 м), вычисляют скорости течения воды v и расходы Q при этих глубинах. По полученным данным строят графики v = f(h) и Q = f(h) (рис. 2.19).

Рис. 2.19 - Поперечное сечение канала (а) и графики зависимости Q=f (h)и v = f (h)(б)

 

Из графика Q = f(h) определяют глубины наполнения канала при всех расчетных расходах и определяют необходимую глубину ка­нала (расчетную Т_р, а в торфяных грунтах и строительную Т_стр). При принятых глубине канала Т и ширине по дну b сечение кана­ла будет приближаться к гидравлически наивыгоднейшему.

В запроектированном канале с помощью графика v = f(h) про­веряют скорости течения воды. Если фактические скорости v при максимальных расчетных расходах превышают допустимые, то во избежание размыва предусматривают крепление канала или уменьшают проектные уклоны.

2. Для больших каналов, проектируемых по существующим водотокам, форму поперечного сечения принимают обычно пара­болической (при b>5 м). Для таких каналов вначале назнача­ют расчетную глубину , принимая ее равной средней глубине существующих русел с углублением перекатов с подчисткой дна на заросших участках. Далее определяют необходимое сечение канала. Если существующие размеры русел недостаточны, то про­ектируют расширение его (за счет увеличения параметра парабо­лы р или горизонтальной вставки по дну а).При этом сечение канала не будет гидравлически наивыгоднейшим.

3. Если по трассе каналов на небольшой глубине залегают пески, то для усиления их осушительного действия следует уве­личивать глубину каналов, врезая их в хорошо водопроницаемые грунты.

4. Если устойчивые грунты подстилаются неустойчивыми (илами, плывунами), проектную глубину каналов лучше уменьшать и не врезаться в неустойчивые грунты. Сечение не будет гидрав­лически наивыгоднейшим, но устойчивым.