Проектирование водохранилища

 

 

1 Проектирование  водохранилища

1.1 Общие сведения  о прудах

Пруды, водоемы, небольшие водохранилища устраиваются для целей водоснабжения, орошения, разведения рыбы и водоплавающей птицы. Устраиваются такие водоемы в оврагах и балках путем перегораживания их земляными плотинами и, таким образом, они служат еще и мерой борьбы с овражной эрозией. Кроме того, культурный, обустроенный водоем может служить местом летнего отдыха людей.

Наполняются пруды в оврагах и балках главным образом поверхностными водами от весеннего снеготаяния и выпадающих дождей.

 

1.2 Изыскания под  пруды

Для проектирования прудов и небольших водохранилищ (условно считается: если водоем содержит менее 1 млн. м3 воды - это пруд; если более - водохранилище) необходимо выполнить соответствующие изыскания.

Эти изыскания позволяют установить местоположение пруда, его примерную емкость, разработать схемы вариантов компоновки узла сооружений. Для этого надо использовать имеющиеся топографические карты местности.

Детальные изыскания состоят из подробных полевых топографических съемок, исследования грунтов, гидрологических и производственно - строительных изысканий.

Топографические работы проводят с целью составления плана местности в горизонталях, поперечных и продольных профилей. Для водохранилищ значительного объема желательна привязка плана к опорным пунктам триангуляции и к высотным реперам.

Очень важно правильно выбрать место под водоем и плотину.

Пруды желательно располагать ближе к месту водопотребления, но выше по рельефу населенных пунктов, животноводческих ферм, промышленных объектов, кладбищ и т.п., чтобы сточные воды не загрязняли водоем.

Наиболее ответственный момент - выбор места под плотину и водосбросное сооружение при ней. Плотину следует располагать в самом узком месте оврага или балки. Берега оврага в месте строительства плотины должны быть не слишком крутыми и не очень пологими.

Под плотиной не должно быть выходов ключей и родников. Желательно, чтобы продольный уклон дна оврага по оси водоема был небольшим - в этом случае при меньшей высоте плотины можно задержать больший объем воды.

Ложе водохранилища (чаша) должно состоять из водонепроницаемых почв и грунтов.

При земляной плотине необходимо предусмотреть возможность устройства водосбросного канала для отвода излишних паводковых вод. Следует также при выборе места под плотину учесть нужды дорожного строительства и использование верха (гребня) плотины для проведения дороги.

Водохранилище должно иметь достаточно большую водосборную площадь, поскольку основным источником наполнения прудов и водохранилищ водой являются талые снежные и дождевые воды - стекающие с водосборной площади.

Размеры водосборной площади определяют по топографическим картам. Водосборная площадь ограничена водораздельной линией. Эту линию наносят на топографическую карту или план следующим образом: намечают ось плотины на овраге или балке, затем от обоих концов оси плотины проводят линию перпендикулярную горизонталям. В результате получается замкнутый контур, ограниченный водораздельной линией.

 

 

1.3 Водохозяйственные  расчеты и определение параметров  водохранилища

Для расчетов параметра водохранилища необходимо построить топографическую характеристику водохранилища. Для этого надо иметь топографический план оврага или балки в масштабе 1:5000 с сечением рельефа горизонталями через 1 метр. На этом плане намечаем ось платины и вычисляем площади (F1,F2,…Fn), ограниченные горизонталями и осью плотины.

Измеренные площади заносим в таблицу 5 и производим в ней соответствующие вычисления.

Таблица 1- Расчеты для вычисления параметров водохранилища

Отметка горизонталей	Разность отметок h, м	Площади ограниченные горизонталями и плотиной, тыс. м2	Полусумма площадей Sср=(S1+S2)/2, тыс. м2	Объем слоя воды V= Sср×h, тыс. м3	Объем чаши водохранилища от дна до данной горизонтали, тыс. м3
20	1,0	0			0
			2,34	2,34
21	1,0	4,68			2,34
			17,81	17,81
22	1,0	30,94			20,15
			47,19	47,19
23	1,0	63,44			67,34
			79,84	79,84
24	1,0	96,25			147,18
			122,03	122,03
25	1,0	147,81			269,21
			177,34	177,34
26	1,0	206,87			446,55
			233,74	233,74
27	1,0	260,62			680,29
			292,02	292,02
28	1,0	323,43			972,31
			368,90	368,90
29	1,0	414,37			1341,21

По данным таблицы 5 вычерчивается график - топографическая характеристика водохранилища. Здесь кривая W = f(H) выражает зависимость между объёмами воды в водохранилище и глубиной его заполнения, а кривая F = f(H) - зависимость между площадями водной поверхности водохранилища и глубиной его заполнения (Рисунок 1)

Далее рассчитываем параметры водохранилища в следующей последовательности: назначаем отметки нормального подпорного уровня - НПУ, которая должна быть на 2,0 м ниже отметки гребня плотины; уровня мертвого объёма - УМО, по санитарным нормам глубина которого перед плотиной должна быть не менее 3,0 м ; форсированного подпорного уровня - ФПУ и определяем соответствующие этим отметкам объемы воды и площади водной поверхности. Затем определяем полный, рабочий и полезный объёмы воды в водохранилище, а также потеря воды на испарении и фильтрации.

При выборе места под плотину следует учитывать возможность устройства дороги по гребню плотины. В этом случае принимают отметку бровки оврага за отметку верха гребня плотины.

Затем назначаем отметку нормального уровня - НПУ: НПУ = 29 - 2 = 27 м и определяем по топографической характеристике полный объем водохранилища. WНПУ = 680,29 тыс.м3 и площадь зеркала воды FНПУ = 260,62 тыс.м2.

Далее назначаем отметку уровня мертвого объёма УМО = 20 + 3,0 = 23,0 м. Объем воды в водохранилище соответствующий этой отметке, равен WУМО = 67,34 тыс.м3, а площадь зеркала FУМО= 63,44 тыс.м2.

Рабочий объём водохранилища получаем, вычитая из полного объёма водохранилища объём мертвого запаса воды:

Wраб = WНПУ - WУМО = 680,29 – 67,34 = 612,95 тыс.м3

 

Чтобы получить полезный объем воды надо из рабочего объёма вычесть потери воды на испарения и фильтрацию.

Потери воды на испарение с поверхности зеркала водохранилища получим, умножив среднюю площадь водной поверхности между НПУ и УМО на слой потерь воды на испарение:

Wисп = (FНПУ + FУМО)/2 * hисп, тыс. м3

 

Средний, многолетний слой потерь воды на испарения можно принять hисп = 0,6 м. Тогда получим:

Wисп = ((260,62 + 63,44)/2) * 0,6 = 97,218 тыс. м3

 

Слой потерь на фильтрацию, в зависимости от водопроницаемости грунта ложа водохранилища принимают в пределах hф = 0,5 - 1 м. Возьмём hф = 1 м, тогда:

Wф  = ((260,62 + 63,44)/2) * 1 = 162,03 тыс.м3

 

В целом потери воды на испарение и фильтрации составляет:

Wпот = Wисп + Wф = 97,218 + 162,03 = 259,248тыс. м3

 

Полезный объём водохранилища - это объём воды, который может расходоваться для целей водоснабжения и орошения. Он равен:

Wполезн = Wраб - Wпот = 612,95 – 259,248 = 353,702 тыс. м3

 

1.4 Проектирование  земляной плотины

Небольшие водохранилища, пруды создаются путем перегораживания оврагов или балок земляными плотинами.

Наиболее подходящие грунты для строительства таких плотин - легкие суглинки с отношением в них глины и песка 1:1 или 1:1,2.

Если приходится использовать более легкие грунты (супеси), то для уменьшения фильтрационных потерь в теле и оснований плотины устраиваются различного рода противофильтрационные устройства: ядро, замок и т.д.

Параметры плотины определяются следующим образом:

1.Высоту плотины определим по следующей зависимости:

Hполн = H0 + Hгреб, м,

где H0 - глубина воды перед плотиной, равная разнице между отметкой НПУ и отметкой дна оврага у плотины:

H0 = ННПУ - Ндна = 27 - 20 = 7 м

 

2.Нгреб - высота гребня плотины, часть плотины, возвышающаяся над НПУ.

Высота гребня плотины складывается из двух частей:

Нгреб = Нпав + С ,

 

где: Нпав - превышения паводкового горизонта над НПУ или, иначе, разность отметок форсированного уровня (ФПУ) и нормального подпорного уровня (НПУ) - Нпав = 0,8 м (до 1 метра);

С - высота волны, которую можно определить по эмпирической формуле:

С = 0,75 + 0,1*L = 0,75 + 0,1*0,8 = 0,83 м

где: L - это длина водоема в км.

Таким образом:

Нгреб = 1 + 0,83 = 1,83 м

Hполн = 7 + 1,83 = 8,83=9 м

 

Минимальная ширина гребня плотины b = 4,0 - 4,5 м. Если по плотине намечается провести дорогу, то ширина гребня плотины принимается в зависимости от назначения дороги.

У плотины два откоса: со стороны воды верховой откос (мокрый); противоположный откос - низовой (сухой).

Откосы плотины делают разной крутизны. Заложение откосов подбирается в зависимости от грунта; из которого строится плотина и высоты плотины.

Верховой откос плотины подвергается разрушительному воздействию ветровых волн, ледяного покрова, колебаний уровня воды между отметками НПУ и УМО. Крепление верхового откоса производят дерном, каменной отмосткой, бетонными плитами и др.

Низовой откос закрепляется дерном или засеивается травами.

В данном курсовом проекте поперечный профиль плотины вычерчивается в масштабе 1:200(Рисунок 2).Так же вычерчиваются продольный профиль по оси пруда(Рисунок 4) и продольный профиль по оси плотины (Рисунок 3).

 

1.5 Водосборное  сооружение

Для отвода талых и ливневых вод, во избежание переполнения пруда во время весеннего паводка и перелива воды через плотину, что может привести к разрушению ее, при плотине устраивается водосбросное сооружение.

В простейшем случае, водосбросное сооружение - это водосливной канал, который копается от уреза нормального подпорного уровня в обход плотины и отводится на дно оврага ниже сухого откоса плотины.

Входная и выходная части такого канала должны иметь расширение до полуторной ширины канала по дну: ближайшая к плотине бровка откоса в верхнем бьефе должна отстоять от плотины не ниже чем на 10 м. Нижний конец канала отводится в русле балки или оврага на расстояние не менее чем 50 м от подошвы сухого откоса.

Весь канал должен быть устроен в выемке, дно водосборного канала устраивается на одной отметке с НПУ и, таким образом, излишек воды будет стекать (сбрасываться) по этому каналу автоматически.

Размеры водосбросного канала определим упрощенно следующим образом:

1.Определяем максимальный  весенний приток с водосбора 1% вероятности превышения по формуле  Тарловского:

 

Qmax = 1,36×*Sвод× (1 - 0,056× )

Qmax= 1,36×8× (1 - 0,056) = 9,16 м/сек

где: Sвод - площадь водосбора в км.

2. Ширина водосборного  канала по дну будет равна:

b = Qmax/(1,5×Нпав×) = 9,16/(1,5×1×1) = 6,1 м

где: НПАВ - превышение форсированного подпорного уровня над НПУ.

Для полного опорожнения пруда устраивают водоспуск по тальвегу под плотиной.

 

1.6 Расчет фильтрации  воды через земляные плотины

Под влиянием напора (Н), создаваемого плотиной, происходит фильтрация (просачивание) воды из верхнего бьефа в нижний.

Часть тела плотины, таким образом, насыщена водой, движущейся в порах между частицами в грунтах. Верхней границей фильтрации является линия АВ, которая называется кривой депрессии, или депрессионной кривой.

Если кривая АВ выходит на низовом откосе в точке В, то фильтрующая вода вымывает сначала мельчайшие частицы грунта, а затем все более крупные. Такое нарушение, называется суффозией, ведет к усилению фильтрации, затем к оползанию и разрушению низового откоса и, в конечном итоге, к разрушению всей плотины.

Для безопасного отвода фильтрующейся воды в основание низового откоса устраивается дренаж. Высоту дренажной призмы принимают на 0,5 - 1,0 м выхода кривой депрессии на низовой откос.

При расчетах фильтрации через земляные плотины используется основной закон движения грунтовых вод (закон Дарси). Скорость фильтрационного грунтового потока пропорциональна уклону и равна:

V = K*i

где V - скорость фильтрации;

      K- коэффициент фильтрации, зависящий от свойства грунта;