- •Кафедра гидротехнических мелиораций справочные материалы
- •Обеспеченность расчетных расходов и условия их пропуска для
- •Расчетный слой суммарного весеннего стока hp% определяется в зависимости от среднемноголетнего слоя стока h0 , коэффициента вариации слоя стока Сvи коэффициента Сs.
- •Приведены в приложении 1 значения коэффициента вариации Сs действительны при площади водосбора более 200 км2.
- •3. Определение критических скоростей движения воды в русле
- •4. Гидравлический расчет закрытой регулирующей и проводящей сети
- •Расход дрен и коллекторов (л/с) из гончарных , керамических, бетонных и железобетонных труб при
- •Приложение 1
- •Продолжение приложения 1
- •Приложение 2 Значение показателя степени редукции n1и дополнительной площади водосбора а1, учитывающей снижение редукции
- •Приложение 3
- •Приложение 5
- •Приложение 6
- •Значение параметра l 1 и коэффициента редукцииn1в формуле (8)
- •Приложение 8
- •Приложение 9 (рекомендуемое)
- •Приложение 10
Расчетный слой суммарного весеннего стока hp% определяется в зависимости от среднемноголетнего слоя стока h0 , коэффициента вариации слоя стока Сvи коэффициента Сs.
Величины h0 и Сs принимаются по рекам – аналогам или интерполяцией. Их значения для районов Западной Сибири приведены в приложении 1 [5].
Приведены в приложении 1 значения коэффициента вариации Сs действительны при площади водосбора более 200 км2.
Для бассейнов с площадями менее 200 км2 к значениям Сs водится поправочный коэффициент, учитывающий повышение коэффициента вариации на малых бассейнах. Значения этого коэффициента приведены в рекомендуемом приложении 4.
СV = СV * К СV ,
К приведенным в приложении 1 значениям среднего многолетнего слоя весеннего стока также вводится поправка, зависящая от площади водосбора и величины слоя весеннего стока ( рекомендуемое приложение 5).
h¹0 = h0 * Кh0 , (4)
Для перехода от исправленного среднего многолетнего слоя весеннего стока h0 50% обеспеченности к слою весеннего стока расчетной обеспеченности Р% вводится модульный коэффициент перехода Кр% , величина которого зависит от Р% , С¹v и величины с Сs . Значения модульных коэффициентов приведены в приложении 7. Для условий Западной Сибири величина Сs = 2 , С¹v , за искючением северных районов .
Тюменской и Томской областей , где в формировании максимального стока половодья в значительной мере участвуют дождевые осадки. В этом случае
Сs/ С¹v = 3 . Однако при значениях СV от 0,1 до 0,5 значения модульным коэффициентов КР% при :
Р% = 10% в обоих случаях практически одинаковы.
В итоге зависимость для определения hР% будет иметь вид:
hР% = γ * КР% h¹0 ,
где : γ – коэффициент , учитывающий слияние озерности на средний
многолетний слой стока весеннего половодья;
КР% - модульный коэффициент (приложение 7).
В зависимости от средневзвешенной озерности бассейна
(А 03,%) величина γ равна:
4
А03 , % γ
0… 2,8 0,9…0,8
2,9…6,4 0,8…0,6
более 6,4 0,6
Коэффициент б , учитывающий снижение максимального стока рек, зарегулированных проточными озерами, следует определять по формуле:
б =1/ (1 + С А03), (6)
где: С – коэффициент, принимаемый в зависимости от величины
среднего многолетнего слоя весеннего стока
по рекомендуемого приложению 8.
Коэффициент б1 , учитывающий снижение максимальных расходов воды в залесенных бассейнах , определяется по формуле:
б1 = α1 / (АЛ + 1)n2 , (7)
где: n2 – коэффициент редукции, принимаемый по рекомендуемому
приложению 6;
АЛ – заселенность водосбора ,%;
α1 – параметр , принимаемый по рекомендуемому приложению 6.
При заселенности менее 3% или при проточной озерности более 20% коэффициент б1 принимается равным единицы. Коэффициент б2 , учитывающий снижение максимального расхода воды заболоченных бассейнов, определяется по формуле:
б2 =1- β lq (0.1 Аб +1) , (8)
где: β – коэффициент принимаемый по рекомендуемому приложению 9;
Аб – относительная площадь болот и заболоченных лесов и лугов в
бассейне, %.
При наличии внутриболотных озер, рассредоточенных по бассейну и
Расположенных вне главного русла и основных притоков
(Западная Сибирь, зона тундры, северо – запад европейской части России), внутриболотные озера следует включать в величину относительной площади болот.
5
При заболоченности менее 3% или проточной относительной озерности более 20% коэффициент б2 принимается равным единице.
Расчетный модуль стока предпосевного периода соответствует времени начала весенних полевых работ и совпадает с периодом спада весеннего половодья. Он определяется по зависимости [2]:
g п.п = К* gmаx вес (9)
где : g п.п – модуль расчетного предпосевного расхода, м3/с см км2;
К – коэффициент редукции (уменьшения) максимального модуля
стока весеннего половодья.
Для водосборов с холмистым рельефом и преобладанием глинистых слабозаболоченных почв.
К = - 0,40. (10)
Для водосборов с пологими склонами с преобладанием песчаных и супесчано –болотных заболоченных почв.
К = - 1,64 (11)
где: Т – допустимая продолжительность весеннего затопления
осушаемой территории, сут, принимается в соответствии с
режимом осушения.
При отсутствии гидрологических наблюдений расчетный предпосевной сток
можно определять по формуле А.И. Ивицкого [3]:
g п.п = [ 2hn (1 - ) + hо] (12)
где: g п.п – модуль предпосевного стока, л/с с км2;
hn. - поверхностный стокполоводья, определяется по карте
стока половодья (hn hо¹ ), мм;
hо – подземный сток за период половодья , мм; определяется
по формуле:
6
hо = 0,16 hn + 6;
tn – продолжительность подъема весеннего половодья, сут, определяется по формуле:
tn = α t c + AFm / ;
где : t с – расчетная продолжительность снеготаяния , сут, определяется по
формуле:
tc =2+1/3
Al – лесистость водосбора, %;
α = 1/3;
F = площадь водосбора, км2;
m = ¼ - для водосбора площадью от 100 до 20000 км2.
m = 1/5 – для водосборов площадью более 20000 км2
А = 1,22;
I = - уклон водотока, %;
- соотношение между продолжительностями спада и подъема половодья
определяемое по табл. 2;
τ – время от пика половодья до наступления предпосевного стока, сут;
К = 0,8 для выпуклых и К = 1,35 для вогнутых кривых спада половодья.
Таблица 2
Основные характеристики половодья [3]
Аб +Ал,% |
Значение | |
Предельное |
Среднее | |
10 |
1,20-2,10 |
1,65 |
20 |
1,68-2,80 |
2,20 |
30 |
1,88-3,40 |
2,64 |
40 |
2,12-3,86 |
3,00 |
50 |
2,36-4,20 |
3,28 |
70 |
2,72-4,85 |
3,78 |
90 |
3,05-5,35 |
4,20 |
100 |
3,20-5,50 |
4,40 |
7
Максимальные мгновенные модули стока дождевых летне-осенних паводков при отсутствии рек – аналогов следует определять по редукционной формуле (СНиП 2.01.14-83, с. 11, формула 46).
g=g200 (200/А)n3 бб2б3 (13)
либо по формуле предельной интенсивности стока (СНиП 2.01.14-83, с. 11,
формула 48):
g= g 1% φ Н`б*λР% (14)
Выбор формулы осуществляется в соответствии с рекомендуемым приложением 10.
В формулах (13), (14):
g200 – модуль максимального мгновенного расхода воды ежегодной
вероятности превышения Р = 1% при б = б2 = б3 =1,
приведенный к площади водосбора, равной 200 км2; определяется по
приложению 1;
λР% - переходный коэффициент от максимальных мгновенных расходов
воды ежегодной вероятности превышения; принимается по
рекомендуемому приложению 11;
б – коэффициент, учитывающий снижение максимального стока рек,
зарегулированных проточными озерами , следует определять по
формуле (6);
б2 – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода
воды заболоченных бассейнов, следует определять по формуле (8);
б3 - коэффициент, учитывающий изменение параметра g200 с изменением
средней высоты водосбора в горных районах, для Западной Сибири б3=1;
g1% - максимальный модуль стока ежегодной вероятности превышения
Р = %, выраженный в долях от произведения φН' 1%при б =1, определяется
по рекомендуемому приложению 12 в зависимости от гидроморфометрической характеристики русла руки Фр, продолжительности склонового
добегания τ ск, мин, и района;
8
τ ск - продолжительность склонового добегания, мин, в первом приближении
принимается для водостоков, расположенных в лесной и тундровой
зонах, с заболоченностью менее 20% - 60, от 20 до 40% - 100,
более 40% - 150; в лесостепной зоне – 60; в степной зоне и
засушливых степях -30; в полупустынной зоне – 30, в горных
районах – 10 мин;
Н' 1%- максимальный суточный сток осадков с вероятностью превышения
Р = 1%, определяется по приложению 1;
φ – сборный коэффициент стока.
Гидроморфометрические характеристика русла исследуемой реки
определяется по формуле (СНип 2.01.14 – 83, с11, формула 49).
Фр = 1000L/ Нрiр н А1/4 (φ Н1%)1/4 , (15)
где: Нр – гидравлический параметр русла, принимается по рекомендуемому
приложению 13;
Н – параметр, определяется по рекомендуемому приложению 13;
Ip – средневзвешенный уклон русла реки, %;
L – расстояние от наиболее отдаленной точки водосбора до реки, км
(L ~ 20…40 км);
А – площадь водосбора, км2.
Сборный коэффициент стока φ при условии равнинных водосборов и отсутствии данных аналогов определяется по формуле
(СНиП 2.01.14-83 , с. 11, формула 54)
φ = [С2 φо/ (А +1)п6] (iВ/ 50)п5, (16)
где: С2 - эмпирический коэффициент, принимается для лесной и тундровой
зон равным 1,2, для остальных природных зон 1,3
φ– сборный коэффициентстока для водосбора площадью, равной 10 км2
со средним уклоном водосбора LB = 30%о ,
п5 – принимается по приложению [4];
п6 - принимается для лесотундры и лесной зоны равным 0,07,
для остальных природных зон – 0,11.
Бытовые расходы является расходами наибольшей повторяемости в течении
Периода сельскохозяйственных работ. Бытовой сток формируется в основном за счет поступления а каналы грунтовых вод . Модуль бытового стока независимо от площади водосбора изменяется в пределах 0,002…0,005 м3 с км2.
9
Результаты гидрологических расчетов каналов оградительной и проводящей сети сводятся в табл. 3.
Таблица 3
Расчетные расходы воды по створам , м3/с
Канал, створ, пикет |
А км2 |
Модуль стока, м3//с с км2 |
Расход, м3/с | |||||
|
|
|
Основной расчетный |
поверочный |
бытовой |
Основной расчетный |
поверочный |
бытовой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гидрологический расчет закрытого коллекторасводится к определению расхода воды, поступающей в коллектор из дрен или закрытых собирателей. Режим притока определяется типом водного питания , фильтрационными характеристиками осушаемых почвогрунтов и параметрами закрытой регулирующей сети.
Расчетный расход в коллекторе определяется по формуле:
Q = gК * А , (17)
где: gК – расчетный модуль дренажного стока, л/с с га;
А – площадь водосбора в расчетном сечении коллектора, га.
При грунтовом типе водного питания, модуль дренажного стока получается расчетным путем при определении расстояний между дренами (СНиП 2. 06.03 – 85, приложение 21, с. 56 формулы 7,8).
Если такие расчеты не проводились , его величину ориентировочно можно принять по табл.4.
Таблица 4
Модуль дренажного стока, л/с с га [2,3]
Минеральные почвы |
Модуль дренажного стока |
Торфяники со степенью разложения |
Модуль дренажного стока |
Тяжелые |
0,3…0,4 |
Слабой |
0,5…0,6 |
Средние |
0,5…0,6 |
Средней |
0,4…0,5 |
Легкие |
0,6…0,7 |
Хорошей |
0,3…0,4 |
10
При поступление поверхностных вод ,из колодцев – поглотителей расход воды при расчете закрытого коллектора определяют по формуле:
QК = gК * АК + Σni=1 gn Fn . (18)
где: gn – расчетный модуль поверхностных вод, л/с с га;
Fn - площадь водосбора поверхностных вод, обслуживаемая
колодцами – поглотителями, га;
_______________________________
11
2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ОСУШИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Параметры поперечных сечений осушительных каналов и закрытых коллекторов должны быть рассчитаны из условия обеспечения равномерного движения воды.
Гидравлический расчет каналов следует проводить при расходах воды более 0,5 м3 /с, а такие при меньших расходах ,когда уклон дна канала превышает 0,0005 для песчаных , 0,0005 для песчаных 0,003 для суглинистых и 0,005 для глинистых грунтов.
Гидравлический расчет каналов, следует выполнять по формулам равномерного движения воды, для следующих створов: устье канала; выше впадения каждого гидравлически рассчитываемого канала; при переломе уклонов (для обоих уклонов); на участках с постоянными уклонами площади водосбора более чем на 20; при изменении грунтовых условий на трассе канала [8].
Уклон поверхности воды в каналах при пропуске максимального расчетного расхода должен быть близким к уклону местности.
Под расчетным расходом понимается такой расход, на пропуск которого определяется параметры сечения каналов(ширина по дну для трапецеидального сечения или по урезу воды для параболического сечения, глубина наполнения канала и скорость движения воды).
Особенностью гидравлического расчета каналов осушительной системы является необходимость проверки подобного сечения на пропуск бытового расхода из условий незаиляемости русла и вертикального сопряжения элементов осушительной сети.
Для расчета каналов необходимы следующие основные данные:
Q – расчетные поверочные расходы, м3/ с (устанавливают на основании гидрологических расчетов;
J – уклон дна каналов (определяют на расчетном участке по продольному профилю канала в соответствии с топографическими и инженерно – геологическими условиями);
Н – глубина русла канала, м ( устанавливают, исходя из характера сельскохозяйственного использования земель и требований сопряжения сети в вертикальной плоскости );.
m – коэффициент заложения откосов (находят по приложению 15);η
η – коэффициент шероховатости ( принимают по данным изысканий по
каналам – аналогам или по приложениям 16,17);
физические и физико – механические характеристики грунтов определяют по данным изысканий трасс, каналов, лабораторных и полевых изысканий.
12
Таблица 5
Выбор форм поперечного сечения каналов [3]
Грунты |
Q , м3/с |
Н , м |
Поперечное сечение |
1 |
2 |
3 |
4 |
Пески и супеси любого гранулометрического состава, торф со степенью разложения ≥ 50% |
10 |
2,5 |
Трапеция |
Связные грунты (глины, суглинки, торф со степенью разложения < 50%), песчаные грунты с наличием крупнозернистой фракции d ≥ 1…2 мм не менее 15% от массы. |
25 |
3,5 |
Трапеция |
Песчаные мелкозернистые и среднезернистые грунты, в которых фракция d ≥ 1…2 мл в количестве 15% не содержится, торф со степенью разложения ≥ 50% |
10…25 |
2,0 |
Трапеция |
Те же |
10…25 |
2,0 |
Трапеция |
Песчаные (с наличием крупнозернистой фракции) и глинистые грунты , торф со степенью разложения < 50% |
10…25 |
3,5 |
Сложносоставленные ( с берной) |
Песчаные и супесчаные грунты, торф со степенью разложения ≥ 50%, легкие суглинки |
25 |
2,0 |
Парабола с данной вставкой. |
Глины, средние и тяжелые суглинки, торф со степенью разложения < 50% |
25 |
2,0 |
Парабола или косинусоида |
Слоистые грунты ( торф, глины, суглинки, подстилаемые среднезернистые и крупнозернистыми песками, супесями) |
25 |
1,5 |
Полигональное |
Слоистые грунты (торф, глины, суглинки, подстилаемые мелкозернистыми и пылеватыми песками). |
25 |
1,5 |
Комбинированное (нижняя часть на 0,2 м выше залегания неустойчивых грунтов –парабола, верхняя трапеция). |
Пропускную способность русл проводящих каналов рассчитывают по формулам равномерного движения воды [4,6].
13
U = CRJ . (19)
Q =СRJ, (20)
где: U – средняя скорость потока, м/с;
R – гидравлический радиус , м; R = /;
- смоченный периметр живого сечения, м;
J – гидравлический уклон, при равномерном движении жидкости
равен уклону дна русла;
- площадь живого сечения, м2;
С – скоростной коэффициент, м0,5 /с.
Скоростной коэффициент вычисляют по формуле Н.Н. Павлвского (при R= 0,1…5,0 м и η = 0,011… 0,04).
С = RУ , (21)
где: У = 2,5 ().
При гидравлическом расчете канала следует стремиться проектировать русловое сечение гидравлически наивыгоднейшего профиля , который характеризуется максимально возможной средней скоростью U, а следовательно , и минимальной площадью живого сечения.
При трапецеидальном сечении для гидравлически наивыгоднейшего профиля должно соблюдаться следующие соотношение между шириной канала по дну (в) и глубиной (h) [3].
β Г.Н. =( в / h)Г.Н. = 2 (2-) , (22)
при параболическом или эллиптическом сечении –соответственно [1];
В = 2,06 Н, (23)
В = 2Н (24)
где: В- ширина канала по верху;
Н – строительная глубина канала.
14
При гидравлических расчетах трапецеидальных каналов можно использовать номограммы ( рис. 1 и 2, см. соответственно левый и правый форзац), по которым можно подобрать параметры русла гидравлически наивыгоднейшего или близкого к нему профиля.
Таблица 6
Формулы для расчета каналов криволинейного сечения [1].
Расчетные параметры |
Параболические сечения |
Эллиптические сечния |
1 |
2 |
3 |
Площадь поперечного сечения при строительной глубине канала (Н) и ширине по верху (В) |
ω = 0,667 βН |
ω = 0,785βН (25) |
Смоченный периметр при площади сечения потока, равной ω |
= α *β где: α = 0,937+0,909/ |
= α *β (26) где: α = 0,951+1,05 /(27) |
Расход воды при работе канала - полном сечением (формула Бахматьева- Форхгеймера) |
Q=*ω*R0,7 () |
Q=*ω*R0,7 () (28) |
Ширина по урезу воды при работе канала неполным сечением (глубина воды h) |
В=β*В где: β =0,085+1,682- 0,802 ()2 |
В=β*В (29) где: β=0,132+2,228- 1,415 ()2 (30) |
Коэффициент откоса стенки канала у уреза воды при наполнении h |
m= |
m = |
Площадь живого сечения потока при глубине воды в канале. |
ωж =*ω где: = 0,387 2- 0,0138 |
ωж =*ω (32) где: = 0,574 2- 0,01818 (33) |
Расход воды, проходящей по каналу при глубине воды в канале h |
Q*h=б*Q где: б = 0,095 – 0,1895 () + 1,1775 ()2 В = 2,06 Н |
Q*h=б*Q (34) б = 1,0268 ()2 – 0,0186 () – 0,00325, В = 2 Н |
15
Рис. 2
Номограмма для гидравлического расчета трапецеидальных каналов с коэффициентом заложения откосов m = 2.0
16
Пример : Дано Q = 10 м3/с;
J = 0,0005;
m = 2,0;
n = 0,03;
h = 2,0 м;
Определить : в, υ .
Прикладываем линейку на правой горизонтальной шкале к точке, соответствующей 10 м3/с (рис.2), и проводим вертикальную линию до пересечения с горизонтальной линией , соответствующей склону J = 0,0005. От полученной таким образом точки пересечения с линией коэффициента шероховатости n = 0,03 и получаем точку 2, от которой проводим горизонтальную линию вправо и влево. Пересечение правой части горизонтальной линии с вертикальной линией расхода Q = 10 м3/с (точка 3) дает максимально возможную среднюю скорость Vmах = 0,8 м/с, т.е. скорость в гидравлически наивыгоднейшем сечении . Левую часть горизонтальной линии ведем до наклонной линии υ = υ mах ( точка4) , затем поворачиваем параллельно наклонным кривым до пересечения с горизонтальной линией принятой глубины наполнения канала h = 2,0 м (точка 5) и , опуская перпендикуляр из точки пересечения 5 на горизонтальную левую шкалу , находим искомую ширину канала по дну в =2,2 м. Линия, проведенная через точку пересечения найденных h и (в точку 5) параллельно линии V =Vmах ,показывает (по интерполяции) коэффициент , на который нужно умножить Vmах , чтобы получить действительную среднюю скорость υ потока воды в канале. В нашем случае υ = 0,99 * υmах = 0,99*0,8 = 0,792 м/с. Окончательные размеры русла выбирают с учетом требуемого запаса превышения бровок канала над расчетным уровнем воды, осадки торфа и привязывают к существующим к типоразмерам поперечных сечений каналов.
Для гидравлических расчетов можно применять программируемые микрокалькуляторы ( ПМК). Программа для расчетов приведена в приложении 18.
17