close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

97.Андрющенко П. Ф. Водные ресурсы в ландшафтном строительстве (практические работы)

код для вставкиСкачать
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
Кафедра лесных культур, селекции и лесомелиорации
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ В ЛАНДШАФТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Методические указания к практическим занятиям для студентов
по направлению подготовки 250700 – Ландшафтная архитектура
(квалификация (степень) магистр)
Воронеж 2014
2
УДК 630*237
Андрющенко, П. Ф. Водные ресурсы в ландшафтном строительстве
[Текст] : методические указания к практическим занятиям для студентов по
направлению подготовки 250700 – Ландшафтная архитектура (квалификация
(степень) магистр) / П. Ф. Андрющенко, Т. А. Малинина, Т. П. Деденко ; Мво образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2014. - с.
Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО
«ВГЛТА» (протокол № от «____»____________2014 г.)
Рецензент заведующий кафедрой мелиорации, водоснабжения и геодезии ФГБОУ ВПО «Воронежский ГАУ им. императора Петра I», д-р с.-х. наук,
проф. А. Ю. Черемисинов
Ответственный редактор заведующий кафедрой лесных культур, селекции и лесомелиорации ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», д-р с.-х. наук В. И. Михин
Методические указания составлены в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального
образования по направлению подготовки 250700 – Ландшафтная архитектура
(квалификация (степень) магистр), утвержденным приказом Министерства
образования и науки Российской Федерации от 24 января 2011 г. № 80 и
учебным планом управления, утвержденным ректором ВГЛТА в 2012 г.
3
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания написаны в соответствии с государственным
стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 250700 – Ландшафтная архитектура (квалификация (степень) магистр), определяющий программу курса «Водные ресурсы в ландшафтном
строительстве». Выполнение практических занятий предполагает получить
более углубленное изучение раздела гидротехнических сооружении, применяемых в ландшафтом строительстве, практическую и теоретическую подготовку к решению проектных, производственно-технических и организационно-управленческих вопросов в будущей профессионального деятельности.
Рационального использования водных ресурсов при благоустройстве всех
видов государственного лесного фонда, лесопарков, парков и других зон
ландшафтного строительства для создания элемента ноосферы с учетом потребности общества, повышения качества и безопасности среды обитания
человека.
4
1 ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
Гидротехническими называют инженерные сооружения, предназначенные для использования природных водных ресурсов (поверхностных и
подземных) или предотвращения вредного воздействия воды на окружающую среду. Основные задачи: приспособление, изменение или преобразование естественного режима водного объекта в целях экономичного водохозяйственного использования с учетом требований охраны окружающей среды;
создание искусственных водотоков и водоемов, когда естественных вод недостаточно или они отсутствуют; разработка конструкций сооружений для
специальных нужд отдельных отраслей водного хозяйства.
Гидротехнические сооружения подразделяют на речные, озерные, прудовые, морские, мелиоративные, береговые, русловые, пойменные, подземные и т.д., они могут быть: водопорными – перегораживают водоток (плотины, дамбы и др.); водопроводящими – подают воду к местам ее потребления
(трубопроводы, туннели и т.п.); водозаборными – забирают воду из водотоков и водоемов; водосбросными - предназначены для сброса излишков воды;
регуляционными – регулируют процесс взаимодействия потока с речным
руслом и другими сооружениями (струенаправляющие дамбы и стенки, берегоукрепительные сооружения и др.).
По условиям использования гидротехнические сооружения делят на
постоянные (эксплуатируют круглый год) и временные (работают только в
период строительства или ремонта).
2 СВОЙСТВА ВОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЛЕСОПАРКОВОМ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Применение воды в садово-парковом и ландшафтном строительстве
основано на ее физических свойствах: бесцветности и аморфности. Вода способна отражать окружающие ее природные явления и оказывать на них определенное влияние. Способна менять при понижении температуры жидкое состояние на твердое, при повышении температуры переходит в жидкое, из
жидкого в газообразное, может быть спокойной и подвижной (течь, падать,
бурлить, капать и т.д.). Может звучать, создавать зеркальное изображение,
менять цвет, фактуру поверхности.
Большое значение имеют пластические возможности воды. Она меняет
объем и величину в зависимости от характера ограничивающих ее поверхностей. Поэтому, желая получать определенные площади, цвет, поверхность,
состояние воды, необходимо предвидеть то, что будет способствовать этому
5
во вмещающих ее проектируемых емкостях. Так, с увеличением глубины
бассейна и затемнением дна улучшаются отражающие качества воды. Для
придания воде голубого цвета рационально производить облицовку бассейна
керамической плиткой голубого цвета, а не подкрашивать воду красителем.
Для лесопаркового проектирования большое значение имеет использование
статического или динамического состояния воды в гидротехнических лесопарковых сооружениях. Обе категории имеют определенное воздействие на
человека: первая – покоя, равновесия; вторая – движения, изменчивости.
Стоячая вода вызывает умиротворение, меланхолию, спокойствие. Такое состояние может вызвать вид воды в озере, пруду, бассейне, медленно текущей
реке. Подвижная вода – быстротекущая река, быстроток, водопад, каскад
многоступенчатого перепада, водомет и т.д. Такое состояние воды стимулирует в человеке энергию, эмоциональность, внимание. Движение воды может
сопровождаться определенным звучанием. Диапазон звуков может быть создан самый обширный: от настоящего рева, грохота до звуковой капели и
нежного шороха. При этом звучание легко усилить цветовым или световым
сопровождением. Подсвечивание водопадов, каскадов фонтанов создает целый фейерверк мгновенных состояний воды и каждый раз все новый и новый
сценарий. Вода может менять свое состояние от оживленной игровой массы
до неподвижной стальной поверхности. Заслуживает серьезного внимания и
использование воды в качестве ограждения: устройство вместо оград арыков,
каналов и рвов, наполненных водой; создание «водяных стен», в виде водяной
стенки каскада, за которым возможно создание функционирующего пространства кафе или ресторана.
Все вышеизложенные свойства воды необходимо стремиться в полной
мере использовать при проектировании гидротехнических сооружений в садово-парковом и ландшафтном проектировании.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в садово-парковом строительстве примеры проектирования и строительства гидротехнических сооружений в виде фонтана, водопада, многоступенчатого перепада, быстротока,
канала.
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
Приемы проектирования и строительства аналогичны проектированию
сопрягающих гидротехнических сооружений. Основное назначение – гашение избыточной энергии воды при подаче воды с высоких отметок на низкие и
получение соответствующего эстетического восприятия водного устройства.
Наиболее распространенным и надежным гасителем является водобойный ко-
6
лодеец или водобойнаяя стенка. Гидротехн
Г
нические сооружен
с
ния должн
ны работаать
с усстойчивым гидравлическим
м режимо
ом, позволлять испоользовать передовуую
техн
нологию и дешевы
ые строиттельные материалы
м
ы, быть прростыми в исполн
нении. Конкреттный тип
п и конструктивно
ое оформлление соооружений
й выбираю
ют
на основе сравнени
ия разли
ичных вариантов
в
, отвечаю
ющих ландшафтн
нопроеектировоч
чному реш
шению усстройства парка, леесопарковвой зоны
ы, агролан
ндшаф
фта.
3.1 Быстроток
Наиболлее просттой тип ги
идросоор
ружения. Это тот ж
же канал,, но с укллоном
м больше критического. Налличие бол
льших скооростей н
на быстро
отоке выззываетт необход
димость принимат
п
ть при пр
роектироввании дополнител
льные мерры
для их снижеения и исп
пользоватть сложны
ые приемы гидравллического
о расчетаа.
Быстрооток состооит из вхходного уч
частка, лоотка (тран
нзитная часть)
ч
и выв
ходн
ного учасстка (гаси
ителя). Дллина вход
дного учаастка зави
исит от условий
у
е
его
сопрряжения с подвод
дящим каналом. В первом приближ
жении ее принимаю
ют
равн
ной 2…3 Н, где Н – глубинаа воды по
одводящего каналаа (рис. 1).
Рис. 1 Схема
С
беттонного быстроток
б
ка:
1, 3 - вход
дной и выхходной учасстки; 2 - ло
оток; 4 - воодобойный колодец; 5 - отводящ
щий
канаал; 6 - деформационны
ые швы
Лоток быстрото
б
ока должеен иметь, по возмоожности, м
минималььную дли
ину
и леежать на естествен
нных груунтах основания. Форма
Ф
егоо попереч
чного сеч
чения может быть
б
разлличной: прямоуго
п
ольной, трапецеид
т
дальной, полуцирккуной, поли
игональноой и др. Наиболее
Н
распросттранено п
прямоугол
льное поп
пелярн
речн
ное сечен
ние, так как
к поток воды в лотке
л
с тааким сечением гид
дравличесски
7
более стабилен и не вызывает нежелательных деформаций секций быстротока. Недостаток прямоугольного сечения – появление по длине сооружения
катящихся волн, существенно снижающих пропускную способность быстротока. Наиболее экономичным и простым по технологии строительства считают трапецеидальный лоток. Однако в таком лотке также образуются катящиеся волны, а в зимнее время по наклонной облицовке быстротока намерзают наледи, усложняющие пропуск расчетных расходов. Полуциркулярное,
треугольное, полигональное сечение лотка является безволновым, то есть в
лотках таких сечений не возникают косые стоячие и катящиеся волны. С эстетической точки зрения состояние поверхности воды в лотках быстротоков
таких сечений в местах отдыха нежелательно.
Быстротоки следует устраивать по возможности прямолинейными, не
допускается в естественных условиях рельефа выполнять их с поворотами.
Минимальный радиус закругления быстротока в плане принимают не менее
десяти ширин лотка. Лоток для предотвращения разрушающих температурных и осадочных деформаций разрезают продольными и поперечными деформационными швами (рис. 28).
Деформационные швы могут быть водопроницаемыми и водонепроницаемыми. Под водопроницаемыми швами обязательно устраивают обратные
фильтры и дренажи, которые ограждают боковыми водонепроницаемыми
стенками. Это уменьшает вероятность возникновения контактной суффозии
в зоне шва.
В зависимости от климатической зоны строительства поперечные деформационные швы нарезают через 5-20 м, а продольные, как правило, совмещают с обрезами фундаментов подпорных стенок лотков. Швы герметизируют уплотнителями в виде профилированной резины, металлических пластин, просмоленных досок, полимерных профилей и т.д.
Выходной участок является наиболее ответственным элементом быстротока, так как на нем гасится основная часть кинетической энергии потока.
В его пределах обычно располагают водобойный колодец и различные по
конструкции гасители. За водобойным колодцем устраивают рисберму из
каменной наброски или бетонного покрытия с водопроницаемыми швами для
выхода фильтрационного потока. Чтобы предотвратить сбойное течение воды в отводящем канале, угол конусности концевой части быстротока в плане
принимают α =12…18о.
8
3.1.1 Гидравлический расчет бетонного быстротока прямоугольного
сечения с водобойным колодцем и водобойной стенкой
Исходные данные:
Расход Q = 0,72 м3/с
Длина лотка - L = 25 м
∇ H1 =94,5
∇ H2= 86,2
Бетон n = 0,014
Допустимая скорость движения воды - Vдоп. = 6 м/с
Порядок расчета
1. Определяется наивыгоднейшая ширина входного отверстия по дну
лотка быстротока по формуле Ю.Н. Даденкова
в = 0,765 5√Q2 = 0,756 5√0,722 = 0,765 ⋅ 0,88 = 0,67 м
Из конструктивных сообщений принимаем ширину входного отверстия
лотка в = 0,7 м.
2. Определяется необходимая площадь живого сечения быстротока
ωо =
Q
0,72
=
= 0,12 м 2 .
Vдоп
6
3. Определяется глубина воды в лотке, при которой будет наблюдаться
установившееся движение воды = ho.
ho =
ω
в
=
0,12
= 0,17 м
0,7
Производим проверку ho на пропуск заданного расхода Q = 0,72 м/с
Смоченный периметр
χо = в + 2 ho = 0,7 + 2 ⋅ 0,17 = 1,04 м.
Гидравлический радиус
Ro =
ω о 0,12
=
= 0,115 м
χ o 1,04
Уклон дна быстротока определяют
i=
∇Н 2 − ∇Н1 94,5 − 86,2
=
= 0,35 ,
L
23,5
9
где ∇Н2 – отметка дна начала быстротока,
∇Н1 – отметка дна в конце быстротока.
L – горизонтальное проложение лотка быстротока, находится путем использования теоремы Пифагора.
По известной n-0,014 (или принимая во внимание, что коэффициент шероховатости для кирпичной клади n = 0,013, для бетона n = 0,014, для бутовой
клади глины n = 0,020) находим nа с учетом аэрации потока nа = n ⋅ а,
а – множитель, при уклонах i = 0,2-0,4
а = 1,33 при i = 0,4-0,6
а = 1,33-2,0.
nа = 0,014 ⋅ 1,33 = 0,0186
По таблице (прил. 1) (с учетом Ro na) находим значение скоростного коэффициента Шези – С= 32,6.
____
_________
Тогда, Vo = C √Ro ⋅ i = 30,6 √0,115 ⋅ 0,35 = 30,6 ⋅ 0,2 = 6,12 м/с.
Q = ω o ⋅ Vo = 0,12 ⋅ 6,12 = 0,73 м3/с
Полученный расход 0,73 м3/с больше заданного 0,72 м3/с. Однако расхождение меньше 5 % (1,3 %), поэтому окончательно принимаем ширину
лотка быстротока в – 0,7 м; ho = 0,17 м.
4. Определяется критическая глубина воды в начале быстротока
hk = 3
α ⋅ Q2
g ⋅ в2
=3
1,1 ⋅ 0,722
= 0,49 м,
9,81 ⋅ 0,7 2
где α - коэффициент пропорциональности = 1,1.
5. Определяется скорость воды в начале быстротока Vк:
Vk =
Q
0,72
0,74
=
=
= 2,12 м / с.
hk ⋅ в 0,49 ⋅ 0,7 0,34
6. Определяется длина кривой спада между hк на ребре быстротока и hо,
где устанавливается равномерное движение потока по методу проф. Черномского В.И., для этого рассчитываем все гидравлические элементы потока
для hк и hо.
hо = 0,17 в = 0,7
Wo = в ⋅ hо = 0,7 ⋅ 0,17 = 0,12 м2
χо = в + 2 hо = 0,7 + 2 ⋅ 0,17 = 1,04 м
0,12
ω
Ro = o =
= 0,115 м
X o 1,04
Со = 30,6 из табл., с учетом Ro и nа
1,1 ⋅ 0,72 2
αQ 2
= 0,17 +
= 2,1
Эо = ho +
2
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,12 2
2 gω o
hk = 0,49
в = 0,7
Wк = в ⋅ hк = 0,7 ⋅ 0,49 = 0,34 м2
χк = в + 2 hк = 0,7 + 2 ⋅ 0,49 = 1,68 м
ω
0,34
Rk = k =
= 0,202
X k 1,68
Ск = 35, 7 из табл. с учетом Rк и nа
1,1 ⋅ 0,72 2
αQ 2
= 0,49 +
= 0,25
Эк = hk +
2
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,34 2
2 gω k
10
if o =
0,72 2
0,72 2
Q2
Q2
=
=
0
,
33
=
=
= 0,017
if
k
2
2
2
2
Co ⋅ Wo ⋅ Ro 30,6 2 ⋅ 0,12 2 ⋅ 0,115
Ck ⋅ Wk ⋅ Rk 35,7 2 ⋅ 0,39 2 ⋅ 0,202
Среднее значение уклона трения
if ср =
if k + if o 0,017 + 0,33
=
= 0,173
2
2
Длина кривой спада
Lсп =
Эо − Эк
2,1 − 0,25
1,85
=
=
= 10,47 м ≈ 10,5 м
i − if ср
0,33 − 0,173 0,177
Длина кривой спада (10,5 м) меньше длины быстротока (25 м), поэтому
в нижней части быстротока имеет место равномерное движение воды с глубиной ho = 0,17 м.
Необходимость устройства гасителя энергии в конце быстротока определяется в зависимости от hсII (вторая сопряженная глубина) и hа (бытовая
глубина в отводящем канале).
Если hсII > hа, то гидравлический прыжок за быстротоком отогнан и необходимо проектировать водобойный колодец, если hсII < hа – водобойный
колодец не проектируется, так как в канале быстротока будет иметь место затопленный гидравлический прыжок.
Вычисляем hсII (вторую сопряженную глубину), принимая за первую hсI
= hо (глубину воды в конце быстротока).
3
⎛
⎞
⎞
⎛
8 ⋅ (hk )
8 ⋅ 0,49 3
⎜
⎟
⎟ = 1,08 м
⎜
hc = 0,5 ⋅ hc 1 +
−
1
1
0
,
5
0
,
17
1
=
⋅
+
−
3
i 3
⎟
⎜
⎜
⎟
0
,
17
hc
⎠
⎝
⎝
⎠
ii
i
( )
Определение hа (бытовая глубина воды за быстротоком) в водоотводящем канале трапециидального сечения ведется исходя из следующих условий: Q = 0,72 м3/с, i1 = 0,01 – уклон дна отводящего русла, в1 = 0,75 м – ширина дна водоотводящего русла, m – 1,5 – коэффициент заложения откосов
канала.
Расчет hа выполняется методом последовательного приближения, т.е. hа
назначается. Например hа = 0,33 м и производится расчет для определения Q.
Wa = в1hа + mha2 = 0,75 ⋅ 0,35 + 1,5 ⋅ 0,332 = 0,40 м2
____
_____
2
Ха = в1 + 2ha √1+m = 0,75 + 2 ⋅ 0,33 √1+1,52 = 1,93 м
Ra =
ωа
Xa
=
0,40
= 0,20
1,93
Са = 40,8 по табл. (прил. 1) с учетом Ra и na
11
1
Va = C a ⋅ Ra ⋅ i1 = 40
0,8 ⋅ 0,2 ⋅ 0,01 = 1,82 м / с
Q = 0,40 ⋅ 1,82
1
= 0,722 м3/с
То естьь бытоваяя глубина hа = 0,3
33 м в водоотвод
в
дящем ру
усле канаала
II
трап
пециидалььного сеч
чения прринята пр
равильно. Но так как hс (1,08) > hа
(0,33), необхходимо усстройствоо гасителяя энергии
и потока в виде во
одобойноого
ной стенкки.
колоодца или водобойн
Расч
чет водоб
бойного колодца
к
Исходн
ные данны
ые для раасчета (ри
ис. 2):
3
Q = 0,772 м /с
hа = 0,333 м – быттовая глуубина водо
оотводящ
щего каналла;
II
hс = 1,08 м – втторая соп
пряженнаяя глубинаа;
I
hс = hоо = 0,17 м – первая сопряженная глуб
бина.
Глубин
на водобоойного коолодца дол
лжна отвечать услловиям заатопленноого
гидрравлическкого прыж
жка:
ha + d > hcII,
d = 1,1 hcII – hа = 1,1 ⋅ 1,08 – 0,33 = 0,85 м
отсюда глубина
г
к
колодца
Длина воодобойноого колодц
ца (гаситееля энерггии) Lk, м
Lk = βL
β пр = 0,6
6 ⋅ 4,8 = 2,,88 ≈ 3м,
где β – коэффици
к
иент, β = 0,6
0 - 0,8;
Lпр – дллина соверршенногоо прыжкаа в сооруужениях п
прямоугольной фоормы, м:
Lпр
1,9 hcII – hс
h I) = 2,5 (1,9 ⋅ 1,088 – 0,17) = 4,75 ≈ 4,8
4 м.
п = 2,5 (1
Рис. 2 Схема
С
к рассчету бысттротока с воодобойным
м колодцем
м:
12
Расчет водобойной стенки
Исходные данные для расчета:
Q = 0,72 м3/с
hа = 0,33 м – бытовая глубина водоотводящего канала;
hсII = 1,08 м – вторая сопряженная глубина;
в = 0,7 м ширина лотка.
Полный напор над водобойной стенкой
(в предположении, что стенка работает как незатопленный водослив):
Но = 3
Q2
0,72 2
3
=
= 0,67 м ,
μ 2в 2
1,86 2 ⋅ 0,7 2
где μ = 1,86.
Скоростной напор перед водобойной стенкой
Нv =
α ⋅ Q2
( )
2 gв 2 hc
ii 2
1,1 ⋅ 0,722
0,57024
=
=
= 0,05 м
2
2
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,7 ⋅ 1,08
11,209
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 0,67 – 0,05 = 0,62 м.
Высота водобойной стенки
С = σhсII – Н = 1,05⋅1,08 – 0,62 = 0,51 м,
где σ = 1,05 – коэффициент подтопления стенки.
Так как (C > hа), стенка работает как незатопленный водослив, поэтому
есть необходимость запростировать еще одну стенку.
Если (C < hа), стенка работает как затопленный водослив. Необходимость в проектировании еще одной стенки отпадает.
Длина колодца
Lкол = Lпр
II
Lпр = 3hс = 3ּ1,08 = 3,24 м.
Толщину дна лотка вычисляют по формуле В.М. Домбровского
__
____
Т = 0,033 ּ а ּ V √hо = 0,033 ּ1 ּ6,12 √0,17 = 0,08 м = 8 см,
13
3
где V – средняя скоростьь воды в лотке;
л
V = Vо;
hо – глуб
бина воды
ы в рассмаатриваемо
ом сечени
ии; h = hссI;
а – коэф
ффициент от грунтаа основан
ния – сугллинок – 1; супесь – 1,5; пессок
– 2.
Запас вы
ысоты боковых сттенок лоттка быстрротока наад уровнем воды нан
знач
чают в заввисимостти от расххода воды
ы, протекаающего чеерез него:
Расхход м3/с
Запаас над уроовнем вод
ды,м
1
0,2
1-10
0,3
10-30
0,4
30-50
0
0,5
50-1000
0,6
Для трап
пециидалльных бы
ыстротокков запасс высоты
ы стенок лотка над
н
уроввнем воды
ы увеличи
ивают на 15 %.
идравлический раасчет одноступенч
чатого пеерепада
3.2 Ги
пря
ямоуголь
ьного сеч
чения
Проекти
ирование одноступ
пенчатого
о перепад
да включчает гидравлическкий
расч
чет входаа и выходной части
и. При пр
роектироввании вхоода необх
ходимо прредусм
мотреть конструкт
к
тивное оформлен
о
ие переххода от кканала к собствен
нно
вход
дной частти. Этот переходны
п
ый участок называается аквванкамерой. Для поп
лучеения опрределенноой динам
мики воды
ы стенки
и паденияя большо
ое значен
ние
имеет характтер краев у кромки
и перепад
да, через которые вода при
и движении
перееливаетсяя (рис. 3)). Ровны
ые края со
оздают почти стекклянную пленку пап
даю
ющей воды
ы, рваныее, зубчаты
ые края со
оздают оп
пределенн
ный рисун
нок струй
йи
их разнообра
р
азное звуч
чание.
Расчет входа
в
состоит чащ
ще всего в определеении его пропускн
ной спосообностти Q при
и заданной
й ширинее b водоссливного фронта и
или опред
делении его
е
ширрины b прри заданн
ном расхооде воды Q. В том
м и другом
м случае имеется заз
данн
ная велич
чина разн
ности уровней Z веерхнего и нижнегоо бьефов,, стенки пап
дени
ия или наапора на водосливе
в
е.
а
б
в
Рис. 3 Влияни
ие кромки
и на харакктер паден
ния воды:
1 – напраавление поотока воды
ы; 2 – харакктер кромкки паденияя воды; а – вода падаает
гладкой, как сттена; б – сооздаются отдельные
о
водопадики
в
и; в – созд
даются конц
центрироваанные струи.
14
4
Пример
р расчетаа при след
дующих исходных
и
х данных (рис. 4):
hp = 1,7 м – глуби
ина воды в подводяящем кан
нале;
hа = 1,7 м – глуби
ина воды в отводящ
щем каналле;
3
Q – 5,0 м /с;
b кан = 2,0 м – ширрина дна водоотво
одящего канала;
к
m = 1,0 – коэффи
ициент отккосов под
дводящего и отвод
дящего кааналов;
р = 4,5 м – высота паденияя потока воды.
в
Расчет входного
в
о отверсти
ия переп
пада состтоит в оп
пределени
ии ширин
ны
лоткка – b.
Ширинаа прямоуггольного входа
в
b=
Q
5
=
= 1,42 м,
m ⋅ Ho ⋅ 2gHo
2
0,35
3 ⋅ 1,73 2 ⋅ 9,81 ⋅ 1,73
где m = 0,35 – коээффициен
нт расход
да водосли
ива с ширроким пор
рогом;
Но – поллный напоор на водоосливе
αV02
1,1 ⋅ 0,82
H0 = H +
= 1,7 +
= 1,73 м
2⋅ g
2 ⋅ 9,81
Рис. 4 Одностуупенчаты
ый перепад
д (стенка падения))
Н – глуб
бина воды
ы в водопоодводящеем каналее;
Vo – скоорость дввижения воды
в
в во
одоподводящем каанале траапециидалльногоо сеченияя равная:
Voo =
Q
Q
5
=
=
= 0,8 м / с,
2
W b ⋅ hp + mhp
2 ⋅ 1,7 + 1,0 ⋅ 1,7 2
где W – площадьь живого сечения потока
п
в водоподвводящем канале тррапеци
иидальноого сечени
ия.
15
Определяем критическую глубину на входе перепада
hk = 3
α ⋅ Q2
g ⋅ в2
=3
1,1 ⋅ 5 2
= 1,17 м .
9,81 ⋅ 1,42 2
Определяем первую сопряженную глубину
i
hc =
Q
5
=
= 0,34 м ,
в 2 g ⋅ Z 1,42 2 ⋅ 9,81 ⋅ 5,38
где z – вспомогательная величина
Z=
h
Vo
0,82
1,7
+P+ p =
+ 4,5 +
= 5,38 .
2g
2 2 ⋅ 9,81
2
Определение второй сопряженной глубины
3
⎡
⎤
⎛
⎞
8⋅h
8 ⋅ 1,173
ii
i
hc = 0,5 ⋅ hc ⎢ 1 + i k 3 − 1⎥ = 0,5 ⋅ 0,34⎜ 1 +
− 1 ⎟ = 2,9 м
3
⎜
⎟
0,34
(hc )
⎢⎣
⎥⎦
⎝
⎠
Высота водобойной стенки С после перепада определяется:
Полный напор над водобойной стенкой
Ho = 3
Q2
52
3
=
= 1,53 м ,
μ 2 ⋅ в2
1,86 2 ⋅ 1,42 2
__
где μ = 1,80 из μ = m√2g при m = 0,42.
Скоростной напор перед водобойной стенкой
Hv =
α ⋅Q2
ii
2 g ⋅ в 2 ⋅ (hc ) 2
=
1,1 ⋅ 5 2
27,5
=
= 0,08 м .
2
2
331,6
2 ⋅ 9,81 ⋅ 1,42 ⋅ 2,9
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 1,53 – 0,08 = 1,45 м.
Высота водобойной стенки
С =σ ·hcII – H = 1,05 · 2,9 – 1,45 = 1,59 м ≈ 1,6 м,
где r = 1,05 – коэффициент подтопления стенки.
Если (С < hа) стенка работает как затопленный водослив, необходимости
устройства гасителя энергии воды в виде еще одной стенки нет. Расчет закончен. Если (С > hа) стенка работает как незатопленный водослив, поэтому
есть необходимость запроектировать еще одну стенку.
16
Определение расстояния от стенки падения до водобойной стенки
складывается из дальности падения струи и длины гидравлического прыжка:
L = Lпад+ Lпр.
Дальность падения струи
Lпад = V p
где V p =
2 ⋅ p + hp
g
= 2,07
2 ⋅ 4,5 + 1,7
= 2,15 м ,
9,81
Q
5
=
= 2,07 м / с .
в ⋅ hp 1,42 ⋅ 1,7
Длина подпертого прыжка
Lпр = 3 · hcII = 3 · 2,9 = 8,7 м,
следовательно,
L = 2,15 + 8,7 = 10,8 ≈ 11 м
3.3 Гидравлический расчет многоступенчатого перепада
прямоугольного сечения колодезного типа
При глубоких вершинах оврагов головные сооружения устраивают в
виде перепадов (рис. 5). В практике наибольшее распространение получили
перепады, в поперечном разрезе напоминающие лестницу. Они называются
ступенчатыми.
Различают одноступенчатые (рассмотрен выше) и многоступенчатые
перепады. Перепады устраивают в основном прямоугольного или трапециидального сечения.
При высоте вершинного перепада 3-5 м применяют одноступенчатые
перепады, при большей высоте – многоступенчатые. Для успокоения падающей на каждую ступень воды в конце ее устраивают водосливную стенку, которая гасит избыточную энергию потока.
В большинстве случаев перепады сооружают из монолитного или
сборного железобетона, реже из дерева, плетня, камня и других местных материалов.
В каждом перепаде можно выделить следующие элементы: входную
часть (вход), стенку падения, водобойную часть (водобой), выходную часть
(выход).
Входная часть может быть различной конструкции. Высота и длина
ступеней должны быть подобраны так, чтобы конец перепада не врезался в
глубокую выемку, где обычно вскрываются грунтовые воды.
17
7
Количеество, вы
ысоту и длину
д
сттупеней подбираю
ют (с посследующи
им
расч
четом), чттобы переепад наиб
более про
осто, без больших выемок и большоого
объеема земляяных раб
бот вписы
ывался в профиль земляной
й поверхн
ности. Зн
ная
разн
ность отм
меток начала (∇Н1) и (∇ Н2) окончани
ия перепаада, делятт на высооту
ступ
пени переепада (Р).. Высоту ступени перепадаа чаще вссего прин
нимают раавной 1 м. Дли
ина ступеени определяется отношен
нием гори
изонтальн
ного пролложен
ния длины
ы склона на
н количеество ступ
пеней.
Устрой
йство перрепадов на
н насыпном грун
нте недоп
пустимо, так
т как при
п
павоодке это может
м
при
ивести к разрушен
нию соорружения.
Данные для расч
чета
– бетон;
м
Строиттельный материал
3
Q = 1,55 м /с
т верхнегоо и нижнеего бьефаа;
∇Н1 - ∇ Н2 = 5,3 м – разность высот
Р – 1,0 м – высота ступен
ни;
i = 0,0225
n = 0,014
Канал
лоток
л
Рис. 5 Схема многостуупенчатогго перепад
да прямоуугольного
о сеченияя
к
колодезно
ого типа
где Q- расчетный расход;
р
а – глуби
ина воды в водоподвоодящем кан
нале, м;
h – глуб
бина воды в лотке при
и равномерн
ном движении, м;
b – шири
ина каналаа или лоткаа по дну, м;
V0 – скоорость воды
ы в канале или
и лотке, м/с;
i0 – прод
дольный укклон дна каанала;
α - коэф
ффициент кинетическ
к
кой энергии
и потока;
m1 = 0,42 – коэффи
ициент расххода водослива в форрмуле
μ = m 2 g = 1,86
18
Расчет первой ступени
1. Определяется наивыгоднейшая ширина входного отверстия по дну
лотка перепада по формуле Ю.Н. Даденкова
в = 0,7655 Q 2 = 0,7655 1,52 = 0,765 ⋅ 1,18 = 0,9 м .
2. Определяем необходимую площадь живого сечения перепада с учетом допустимых скоростей движения воды (прил. 3)
ω=
Q
1,5
=
= 0,36 м 2 ,
Vдоп 4,2
где Vдоп = 4,2 м/с из (прил. 3).
3. Определяем необходимую глубину воды в лотке:
ho =
ω
в
=
0,36
= 0,4 м .
0,9
4. Производим проверку ho на пропуск заданного расхода Q = 1,5 м3/с
х = в + 2 ho = 0,9 + 2 · 0,4 = 1,7 м
R=
ω
x
=
0,36
= 0,21
1,7
n = 0,014 без учета аэрации
С = 55,7 (прил. 1 с учетом n и R)
V = C Ri = 55,71 0,21 ⋅ 0,025 = 55,7 ⋅ 0,744 = 4,03 м / с
Q = ω ⋅ v = 0,36 ⋅ 4,03 = 1,45 м 3 / с
Полученный расход 1,45 м3/с меньше заданного 1,5 м3/с. Однако расхождение меньше 5 % (3,4 %), поэтому окончательно принимаем ширину
лотка в = 0,9 м глубину воды ho = 0,4 м.
5. Определяем критическую глубину на пороге первой ступени
hk = 3
α ⋅ Q2
g ⋅ в2
=3
1,1 ⋅ 1,52
= 0,68 м .
9,81 ⋅ 0,92
6. Определяем первую сопряженную глубину (hIc) в сжатом сечении
после перепада по методу проф. Ю.Н. Даденкова. При этом принимаем во
внимание:
так как hк = (0,68) > ho (0,4), то глубина воды над перепадом hр = ho =
0,4 м (если hк < ho, то hр = 0,7 · hк);
i
hc =
Q
1,5
=
= 0,22 м ,
в 2 g ⋅ Z 0,9 2 ⋅ 9,81 ⋅ 2,85
где Z – вспомогательная величина:
Z=
hp
4,03 2
0,4
V2
+P+
=
+1+
= 2,85 .
2g
2 2 ⋅ 9,81
2
19
7. Определяем вторую сопряженную глубину
ii
3
8 ⋅ hk
8 ⋅ 0,683
−
=
⋅
+
− 1) = 1,58 м
1
)
0
,
5
0
,
22
(
1
I
0,223
(hc )3
i
hc = 0,5 ⋅ hc ( 1 +
8. Определение высоты водобойной стенки (С) после перепада производим в следующем порядке:
Полный напор над водобойной стенкой
Но = 3
Q2
1,5 2
3
=
= 0,93 м ,
1.86 2 ⋅ 0,9 2
μ 2 ⋅ в2
_
где μ – 1,86 из μ = m √2g при m = 0,42.
Скоростной напор перед водобойной стенкой
Hv =
α ⋅Q2
II
2 g ⋅ в 2 (hc ) 2
=
1,1 ⋅ 1,5 2
2,47
=
= 0,06 м .
2
2
39,57
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,9 ⋅ 1,58
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 0,93 – 0,06 = 0,87 м.
Высота водобойной стенки
С = σ · hcII – H = 1,05 · 1,58 – 0,87 = 0,78 м ≈ 0,8 м.
Длина первой ступени перепада определяется по формуле
Lст1 = Lпад1 + Lпр1 = 1,97 + 4,74 = 6,7 м,
где Lпад1 – дальность падения струи:
Lпад1 = V ⋅
2 ⋅ P + h0
2 ⋅ 1 + 0,4
= 4,03 ⋅
= 1,97 м
g
9,81
Длина подпертого прыжка
Lпр1 = 3 · hc II = 3 · 1,58 = 4,74.
Длину колодца принимаем 6,7 м.
Расчет второй ступени
Данные для расчета
Глубина воды над водобойной стенкой hp = Н = 0,87 м
Площадь живого сечения ω = в · hp = 0,9 · 0,87 = 0,78 м2
Скорость протекания воды над стенкой V =
Q
ω
=
1,5
= 1,92 м / с
0,78
Высота падения Р1 = Р + С = 1 + 0,8 = 1,8 м
1. Определяем скорость течения воды в сжатом сечении на второй ступени после падения
20
hp ⎞
⎛
0,87 ⎞
⎛
Vc = V 2 + 2 ⋅ g ⎜⎜ P1 + ⎟⎟ = 1,922 + 2 ⋅ 9,81⎜1,8 +
⎟ = 6,88 м / с ,
2 ⎠
2⎠
⎝
⎝
где Vc – скорость воды в сжатом сечении;
V - скорость протекания воды над стенкой;
Р2 – высота падения воды;
hр - глубина воды над стенкой
Площадь сжатого сечения воды на второй ступени
ωс =
Q
1,5
=
= 0,22 м 2 .
Vc 6,88
Глубина воды в сжатом сечении второй ступени
I
hc = hc =
ωc
в
=
0,22
= 0,24 м .
0,9
2. Определяем вторую сопряженную глубину при прыжке с глубиной
hcI = 0,24 м.
3
⎛
⎞
⎛
⎞
8 ⋅ 0,683
8⋅h
II
I
⎟ = 1,49 м
1
−
hc = 0,5hc ⎜ 1 + I k 3 − 1⎟ = 0,5 ⋅ 0,24⎜ 1 +
3
⎜
⎟
⎜
⎟
0
,
24
(hc )
⎝
⎠
⎝
⎠
3. Определение высоты второй водобойной стенки (С2) производим в
следующем порядке:
Полный напор над водобойной стенкой
Но = 0,93 м (вычислен ранее).
Скоростной напор перед водобойной стенкой (С2)
Hv =
α ⋅ Q2
II
2 g ⋅ в 2 (hc ) 2
=
1,1 ⋅ 1,52
2,47
=
= 0,07 м .
2
2
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,9 ⋅ 1,49
35,28
Напор над стенкой (С2) без скоростного напора
Н2 = Но - Нv = 0,93 - 0,07 = 0,86 м
Высота водобойной стенки
С2 = σhcII – H2 = 1,05 ·1,49 – 0,86 = 0,7 м.
Отсюда следует, что глубина воды перед второй водобойной стенкой
составит
С2 + Н2 = 0,7 + 0,86 = 1,56 м,
а высота падения на первой водобойной стенке
Р1 = Р + С = 1 + 0,8 = 1,8 м
т.е. С2 + Н2 < Р + С = 1,56 м < 1,8 м,
Следовательно, первая водобойная станка работает как незатопленный
водослив и расчет ее окончательный.
Если Нп + Сп > Р + Сп+1, т.е. стенка работает как затопленный водослив,
требуется сделать перерасчет первой стенки (можно изменить ширину лотка
(в) высоту ступени (р).
21
Определение длины второй ступени перепада
Lст2 = Lпад2+Lпр2 = 1,29+4,47 = 5,76 ≈ 6 м;
Lпад 2 = V ⋅
2 ⋅ P + hp
g
= 1,92
2 ⋅ 1,8 + 0,87
= 1,29 м .
9,81
Lпр2 = 3·hcII = 3 ·1,49 = 4,47
Из конструктивных соображений длина ступени принимается равной
Lст2 = 6,0 м.
Аналогично рассчитываются все последующие ступени. Однако, ввиду
незначительного дальнейшего изменения гидравлических элементов потока,
высоты стенки и длины ступени, все последующие стенки принимаем высотой 0,7 м и длину ступени 6,0 м.
Расчет последней стенки в нижнем бьефе
Если стенка работает как затопленный водослив, т.е. С<ho, то дополнительных гасителей энергии не требуется. Если же стенка работает как незатопленный водослив, т.е. С>ho, необходимо проверить достаточность одной
стенки. В этом случае последняя стенка рассматривается как перепад, и определяется необходимость устройства за ней стенки (порядок расчета см.
расчет первой ступени).
Так как С=0,7>ho=0,4, необходимо устройство гасителя энергии.
Принимаем для последней стенки некоторые гидравлические элементы
предыдущей ступени (в нашем примере - ступень № 2).
Н = hр = 0,87 м
V = 1,92 м/с
hк = 0,68 м
р = С = 0,7 м
1. Скорость в сжатом сечении
Vc = V 2 + 2 ⋅ g ( P +
hp
2
) = 1,92 2 + 2 ⋅ 9,81(0,7 +
0,87
) = 5,08 м / с
2
2. Площадь сжатого сечения
ωс =
Q
1,5
=
= 0,29 м 2
Vc 5,08
3. Глубина воды в сжатом сечении
I
h0 = hc =
0,29
= 0,32 м
0,9
4. Вторая сопряженная глубина
3
⎛
⎞
⎛
⎞
8 ⋅ 0,683
8⋅h
II
I
⎟ = 1,26 м
1
−
hc = 0,5 ⋅ hc ⎜ 1 + I k 3 − 1⎟ = 0,5 ⋅ 0,32⎜ 1 +
3
⎜
⎟
⎜
⎟
0
,
32
(hc )
⎝
⎠
⎝
⎠
5. Полный напор над водобойной стенкой
22
Но = 3
Q2
1,5 2
3
=
= 0,93 м
μ 2 ⋅ в2
1,86 2 ⋅ 0,9 2
6. Скоростной напор перед водобойной стенкой
Нv =
α ⋅ Q2
II
2 g ⋅ в 2 (hc ) 2
=
1,1 ⋅ 1,52
= 0,09 ≈ 0,1
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,92 ⋅ 1,26 2
7. Напор над стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 0,93 – 0,1 = 0,83
8. Высота водобойной стенки
С =σ·hcII – H = 1,05 ·1,26 – 0,83 = 0,48 см.
В виду того, что в водоотводящем канале возникают большие скорости
(от 1,92 до 1,58 м/с), требуется мощное укрепление русла. Для сокращения
длины кривой подпора применяем усиленную шероховатость в виде бетонных шашек высотой 0,1 м, располагаемых в шахматном порядке, с расстоянием по ширине 0,2 м на расстоянии до 5 – 6 метров.
3.4 Сооружения в виде водопропускной трубы с шахтным
колодцем
Шахтные водосбросы строятся для сбора воды в овраг с вертикальным
обрывом при разности бьефов оврага 4-10 м и расходах воды от 2 до 100 м3/с,
а также для устройства водосброса при строительстве плотин. Шахтный колодец применяется в тех случаях, когда возведение открытых водосбросов по
топографическим, инженерно-геологическим и организационным условиям
(хозяйственным и строительным) нежелательно. Шахтные водосбросы в последнее время получили весьма широкое распространение. Для шахтных водосбросов характерны: автоматическое действие по сбросу воды, малая
стоимость строительства и небольшие эксплуатационные расходы.
При расчете шахтного водосброса приходится определять не только
пропускную способность водослива, водоприемной шахты, но и пропускную
способность трубы.
При большом относительном напоре ∆ Н более 0,25-0,3 происходит
Д
значительное снижение пропускной способности из-за самозатопления кольцевого водослива. Поэтому целесообразно принимать ∆ Н не более 0,25.
Д
При этом условии водослив будет затопленным до тех пор, пока глубина воды в водопроницаемой шахте будет меньше ее высоты (т.е. ниже гребня шахты) (рис. 6).
23
3
Рис. 6 Схема шахтного
ш
о колодца
Условныее обозначен
ния
Q – расчеттный расхоод, м3/с;
hI – глуби
ина подперттой воды перед
п
трубо
ой, м;
ω – площаадь живогоо сечения тррубы, м2;
υ – скороссть воды в трубе, м/с;;
d – диаметтр водоотвводящей труубы, м;
d1 – глуби
ина водобой
йного колоодца, м;
D – диамеетр шахтноого колодцаа, м;
φ – коэфф
фициент скоорости 0,700;
P – высота шахтногоо колодца, м;
Н – глуби
ина воды перед
п
шахтн
ным колод
дцем, м; (оп
пределяетсся согласно
о гидравлическом
му расчету подводящеего русла);
L – длинаа трубы по оси,
о м;
io – уклон
н трубы;
g – ускореение силы тяжести
т
– 9,81
9
м/с2;
ξ - коэфф
фициент местного соп
противлени
ия при вход
де в трубу ((ξ = 0,50);
m1 – коэф
ффициент расхода черрез приемны
ый колодец
ц;
λ – коэфф
фициент треения 0,02.
Пример
р гидравлическогго расчетта
Данные для расчеета
Q = 4,0 м /с; Р = 5,0
5 м; Н = 0,6 м; L = 25,0 м; io = 0,02.
Гидрравлическкий расчеет водопрропускной
й трубы
3
Необход
димая плоощадь сеч
чения трубы
ω=
Q
υ
=
Q
d
2 g ⋅ ϕ ⋅ P + H − + io L
2
;
в первом
м приближ
жении принимаем d = 1,0 м; и φ = 0,770;
24
4
тогда ω =
1,0
+ 0,02 ⋅ 25,0
2
0,546 ⋅ 4
= 0,833 м
3,14
= 0,546 м 2
4,43 ⋅ 0,7 5,0 + 0,6 −
ω ⋅4
=
π
d=
Для дальнейших расчетов окончательно принимаем трубу d = 1,0 м с
площадью сечения ω = 0,785 м2, так как ω =
ϕ=
1
L
1+ξ + λ
d
=
π ⋅d2
4
1
=
3 ⋅ 14 ⋅ 12
= 0,785 м 2 .
4
25,0
1 + 0,5 + 0,02 ⋅
1,0
= 0,707
Глубина подпертой воды перед трубой:
2
2
⎞ d
⎛
Q
4
⎛
⎞
⎟ + − io L = ⎜
h1 = ⎜
⎟ + 0,5 − 0,02 ⋅ 25,0 = 2,64 м ,
⎜ 2g ⋅ω ⋅ϕ ⎟
2
4
,
43
⋅
0
,
785
⋅
0
,
707
⎝
⎠
⎠
⎝
так как h1<Pk, то, следовательно, водослив не затоплен.
Скорость воды в трубе
υ=
Q
ω
=
4
= 5,10 м / с
0,785
Гидравлический расчет шахтного колодца
Назначаем Д = 1,0 м, так как колодец не затоплен, коэффициент расхода
m1 = 0,42, тогда максимальное превышение уровня воды по формуле водослива с тонкой стенкой
⎛
⎞
Q
⎟
h1 = ⎜
⎜ m πД ⋅ 2 g ⎟
⎝ 1
⎠
2/3
4,0
⎛
⎞
=⎜
⎟
⎝ 0,42 ⋅ 3,14 ⋅ 1,0 ⋅ 4,43 ⎠
2/3
= 0,78 м .
Ввиду того, что h1>H, (0,78>0,6), сечение шахтного колодца недостаточно. Назначаем Д=1,5 м и повторяем расчет:
4
⎛
⎞
h1 = ⎜
⎟
⎝ 0,42 ⋅ 3,14 ⋅ 1,50 ⋅ 4,43 ⎠
2/3
= 0,59 м < H = 0,6 м .
Следовательно, принятый диаметр шахтного колодца обеспечивает пропуск воды в заданных проектных условиях.
Диаметр колодца можно определить и по формуле
D=
Q
m1πН
3/ 2
2g
=
4
= 1,47 м
0,42 ⋅ 3,14 ⋅ 0,6 3 ⋅ 4,43
Водобойный колодец назначаем конструктивно, в основном из соображений удобства очистки. Он является отстойником, где будут задерживаться
крупные камни, которые могут быть принесены потоком. Если камни отсутствуют, колодец можно не устраивать. Глубина колодца обычно назначается
в пределах 0,3 - 0,6 м. Для гашения падающей струи (при расходах близких к
25
5
maxx) колодец
ц не нужеен, так каак водянаяя подушкка образуеется вслед
дствие поодпораа у входа в водооттводящую
ю трубу.
денном примере
п
водоотвод
дная трубаа работаеет как нап
порная. При
П
В привед
малы
ых расхоодах труба может работать как безн
напорная, тогда раазмер шаххтногоо колодцаа назначаеется исхоодя из кон
нструктиввных сооб
бражений
й.
пуск (вод
дослив)
3.5 Труубчатый водовып
Для заб
бора воды
ы из водоохранилищ
ща при плотинах
п
устраиваю
ют водоввыпускки, при помощи
п
которых вода
в
подаеется в оросительн
ные, обвод
днительны
ые
канаалы. Консструкция водовып
пуска дол
лжна обесспечиватьь беспереб
бойную поп
дачуу воды и удобное обслужи
ивание соо
оруженияя. Сооруж
жение вып
полняют из
сборрного или
и моноли
итного жеелезобето
она. Труб
бы могут быть кр
руглого или
и
прям
моугольн
ного сечен
ния. Разм
мер опред
деляется расчетом.
р
. Для гаш
шения энеергии потока в конце тррубы устрраивают водобойн
в
ый колод
дец (при расходах
р
до
3
иной 0,3 - 0,5 м и дллиной
4 м /с) глуби
3 - 8 м (рис. 7).
Рис. 7 Схема тр
рубчатогоо водосливва:
1 – метааллическая решетка; 2 – входно
ой оголовокк; 3 – труба; 4 – задви
ижка; 5 – выв
ходн
ной оголовоок; 6 – водообойный коолодец; 7 – гравийно--каменная отсыпка
Расход
д воды в трубе
т
при
и подтопленном выходе
в
оп
пределяеттся по фоормулле
Q = μ ⋅ ω 2g ⋅ Z ,
циент расххода 0,4-0
0,6;
где μ – коэффиц
бы;
ω – площадьь поперечного сечеения труб
Z – разность отметок верхнего и ниж
жнего бьеефов, опр
ределяющ
щая
напоор Н.
м отверстии на выхходе
Диаметтр трубы при подттопленном
d=
4ω
π
,
где d – диаметрр трубы, м; ω - площадь
п
с
сечения,
м2, опред
деляется по
форрмуле
26
6
ω=
3
Q
μ 2g ⋅ H
П
Пример
р
расчета
водовыпу
в
ускной тр
рубы
Q – 0,88 м /с
Н – 3 м-напор
м
L – 30 м – длинаа трубы
μ – 0,5
ω=
d=
0,8
= 0,208 м 2
0,5 2 ⋅ 9,81 ⋅ 3
4 ⋅ 0,208
= 0,265 ≈ 0,27 м
3,14
3.6 Фон
нтан, прооектиров
вание и гидравлический р
расчет
В ланд
дшафтном
м проектировании
и примен
нение вод
ды имеетт нескольько
уроввней. Вод
да исполььзуется в утилитар
рных и декоратив
д
вных устр
ройствах. К
утиллитарным
м устройсствам, нааиболее часто
ч
при
именяемы
ым, относяятся питььевые фонтанч
чики, колоодцы, плеескательн
ные бассеейны, рыб
бные пруд
ды, каналлы.
д
вных усттройств слледует оттметить декоратив
д
вные стру
уйные фоонИз декоратив
таны
ы с объем
мной струуктурой и силуэтаами фонттанных сттруй. Огр
ромный эфэ
фектт имеет подсветка фонтан
нов, создаающая цеелый фей
йерверк мгновенны
м
ых
состтояний вооды и каж
ждый раз все новы
ый сценари
ий. Гранд
диозные сооружен
с
ния
таки
их фонтан
нов определяют иногда
и
ар
рхитектурру центроов городо
ов или меест
отды
ыха трудяящихся.
Особогго внимаания засллуживает искуссттво создаания разн
нообразны
ых
композиций водяных струй им
митирующ
щих цветы
ы, корзин
нки, гейзеры (рис. 8),
ные компоозиции (ррис. 9).
мноогоструйн
а
б
в
г
Рис. 8 Компози
иции водяяных струуй:
а – расп
пыляемая; б – сформи
ированная; в – целая толстая;
т
г – разбрызгаанная.
27
7
Рис. 9 Многосттруйные композици
к
ии с меняяющимисяя силуэтаами
Эффектт живопи
исности пространс
п
ства созд
дается игррой водяяных струуй,
отраажениями
и в зеркалле бассейн
на.
Основн
ное прави
ило для усстановлен
ния велич
чины фон
нтанной чаши заключаеттся в том
м, что раасстояние от края чаши доо наивыссшей водяяной стрруи
долж
жно равняяться поллуторной высоте сттруи (рисс.9).
Рис. 10 Типы
ы фонтанн
ных струй
й
в =
1,5 h
Р 11 Оптимальн
Рис.
О
ные парам
метры фонтана
28
8
Вода длля питани
ия фонтан
нов подаеется из воодопровод
дов, прудов, ключеей,
рек и другихх источникков водосснабжени
ия. Исполььзованнаяя вода чассто сбрассыи водоемы
ы. Иногдаа при болльших фоонтанах применяет
п
тся
ваеттся в водоотоки или
оборрот воды..
Для фоонтанныхх трубопроводов применяются сталььные и чу
угунные вов
допрроводныее трубы. На
Н трубах ставятсся вентели
и для реггулирован
ния расхоода
воды
ы и высооты струй
й. Исполььзуются цилиндри
ц
ческие, кконически
ие и конооидалььные насаадки из латуни
л
илли из бронзы. Иноогда делаю
ются и сп
пециальны
ые
типы
ы насадокк для при
идания стрруям разл
личных фоорм.
Г
Гидравли
ческий расчет
р
й расчет фонтанов сводиттся к опрределению
ю расход
дов
Гидраввлический
воды
ы, высоты
ы фонтанн
ных струй
й и их трааекторий..
При усстройстве фонтанов вода изз трубопровода черрез насадкку поступ
пает в атмосферру (рис. 12).
1
Р 12 Схема
Рис.
С
фон
нтана
В этом
м случае общий
о
наапор Н, беез учета местных
м
п
потерь наапора затррап
ние сопротивлени
ия по длин
не трубоп
провода и на высооту
чиваается на преодоле
подн
нятия стрруи: Н = hдл+hо,
где Н – общий напор,
н
м;
hдлл – потери
и напора по
п длине трубы, м;
м
hо – высотаа струи (сккоростной
й напор), м.
и напора по длинее трубы оп
пределяеттся по формуле hдл = ALQ 2 ,
Потери
где L – длина тррубопровоода, м;
Q - расчетн
ный расхоод, м3/с;
А – удельноое сопроти
ивление трубы
т
(таабл. 1).
29
Таблица 1 – Значение удельных сопротивлений А водопроводных труб
мм
А
мм
А
38
41840
250
2,11
50
10340
300
0,805
75
1113
400
0,176
109
268
450
0,094
125
82,4
500
0,054
150
31,4
600
0,021
200
6,86
700
0,0091
Для труб, бывших в употреблении, значение А умножается на 1,17.
Расход воды фонтанной струи
2 gH
Q = μω н
2 g ⋅ ALμ 2 ⋅ ω n + 1
2
,
где μ – коэффициент расхода насадок, цилиндрической – 0,82; конической при углах конусности 5о,13о,45о – соответственно 0,92; 0,945; 0,857; для
коноидальных – 0,97;
где ωн – площадь поперечного сечения выходного отверстия на2
садки,м ;
А – удельное сопротивление трубы;
L – длина трубопровода, м.
Скоростной напор у насадки, определяющий высоту струи, равен
ho =
H
2 gALμ 2ω н + 1
2
.
Вследствие сжатия и сопротивления, оказываемого струе воздухом,
фактическая высота струи меньше. Действительную высоту струи вычисляют
по формуле Люгера
hD =
ho
;
1 + ϕho
ϕ=
0,25
,
d n + (0,1 ⋅ d n )3
где dн – диаметр выходного отверстия насадки, мм;
φ – коэффициент.
Насадки, а, следовательно, и струи могут быть наклонены к горизонту.
Причем, чем больше угол наклона, тем круче будет восхождение L1 и нисходящие L2 ветви траектории струи.
Дальность или расстояние действия L наклонной струи будет слагаться
из длин проекции L1 и L2 т.е. L = L1 + L2. Дальность действия зависит от напора у насадки и угла наклона ее к горизонту.
Длину ветвей можно определить по формуле
L1 = В1· ho и L2 = В2 · ho,
где В1 – коэффициент восходящей ветви струи;
В2 – коэффициент нисходящей ветви струи.
Высота наклонной струи определяется по формуле Т = В3 ·ho,
где В3 – коэффициент.
Значение коэффициентов В1; В2; В3 приведены в табл. 2.
30
Таблица 2 – Значение коэффициентов для определения дальности и
высоты наклонной фонтанной струи
Коэффициент
В1
В2
В3
10
0,455
0,342
0,030
Значения коэффициента при углах наклона насадки к гор., град.
20
30
40
50
60
70
80
0,617
0,790
0,827
0,760
0,596
0,391
0,183
0,615
0,834
0,919
0,900
0,763
0,546
0,280
0,113
0,235
0,372
0,489
0,583
0,640
0,663
Пример расчета
Определить расход фонтана Q и высоту струи ho.
Н – 10 м, диаметр трубы 0,3 м, длина трубопровода – 1200 м, диаметр
выходного отверстия конической насадки – 0,04 м, коэффициент расхода
μ – 0,945, удельное сопротивление трубы – А = 0,805.
Определяем расход
Q = 0,945 ⋅ 0,00125
где ω н =
πd 2
4
=
2 ⋅ 9,81 ⋅ 10
= 0,0149 м 3 / с ,
2 ⋅ 9,81 ⋅ 0,805 ⋅ 1200 ⋅ 0,9452 ⋅ 0,001252 + 1
3,14 ⋅ 0,0016
= 0,00125 м 2 .
4
Скоростной напор
ho =
10
= 8,08 м ;
2 ⋅ 9,81 ⋅ 1200 ⋅ 0,9452 ⋅ 0,001252 + 1
0,25
ϕ=
= 0,0024 .
40 + (0,1 ⋅ 40)
Действительная высота струи
hD =
8,08
= 7,92 ≈ 7,9 м
1 + 0,0024 ⋅ 8,08
31
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Роль гидротехнических сооружений, создаваемых в местах
отдыха населения.
2. В чем проявляется воздействие движущейся или покоящейся воды
на гидротехнические сооружения?
3. Основное уравнение неравномерного движения жидкости, его значение и применение.
4. Дайте характеристику призматического и не призматического русла.
5. Дайте характеристику наиболее важным явлениям в практическом отношении в случаях неравномерного движения воды в открытых
руслах.
6. При каких условиях возникает кривая спада или кривая подпора в
движущемся потоке жидкости?
7. Дайте характеристику понятия «нормальная глубина потока».
8. Дайте характеристику удельной энергии сечения и удельной энергии потока движущейся жидкости.
9. Дайте характеристику понятия критической глубины потока движущейся жидкости.
10. При каких условиях возникает бурное или спокойное состояние движущейся жидкости в открытых руслах?
11. Дайте характеристику явлению «гидравлического прыжка».
12. Дайте характеристику понятию «сопряженные глубины» и их значению.
13. Что такое максимальные расходы и как их используют при проектировании плотинных водоемов.
14. Опишите внутрисуточный гидрограф стока и расскажите о методах
его использования.
15. Для чего нужны донные водоспуски и в чем особенности их расчета
и проектирования?
16. Как классифицируются трубы по гидравлическим признакам и каковы особенности их расчета?
17. Что такое гидропластика ландшафта и какова ее роль в ландшафтной архитектуре?
18. Какие мелиоративные и гидротехнические комплексы вы знаете и
что в них входит?
19. Что такое фонтан и как он функционирует?
20. Как классифицируются фонтаны?
21. Каковы особенности расчета фонтанных струй?
22. Как классифицируются водопады?
32
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература
1. Сабо, Е.Д. Гидротехнические мелиорации объектов ландшафтного
строительства [Текст] : доп. УМО по образованию в обл. лесн. дела в качестве учеб. для студентов высш. учеб. заведений, обучающихся по специальности 250200 дипломир. специалистов «Лесн. хоз-во и ландшафт. стр-во»/ Е.Д.
Сабо, В.С. Теодоронский, А.А. Золоторевский; под ред. Е.Д. Сабо. – М.: Академия, 2008. – 336 с.
2. Андрющенко, П. Ф. Водные ресурсы в ландшафтном строительстве [Текст] : учеб.пособие / П. Ф. Андрющенко, Т. А. Малинина, Т. П. Деденко; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2014.
– 118 с.
Дополнительная литература
1. Корпачев, В.П. Водные ресурсы и основы водного хозяйства: учеб.
для вузов / В.П. Корпачев, И.В. Бабкина, А.И. Пережилин, А.А. Андрияс –
СПБ: Издательство «Лань», 2012. – 320 с. Доступ к электронной версии книги на www.е/lanbook.com.
2. Андрющенко, П. Ф. Гидротехнические сооружения в садовопарковом строительстве [Текст] : метод. указания к выполнению лабораторных занятий для студентов по направлению подготовки 250203 – Садовопарковое и ландшафтное строительство / П. Ф. Андрющенко, А. Н. Дюков, Е.
А. Михина, Т. А. Малинина : М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО
«ВГЛТА». – Воронеж, 2013. – 18 с. Сетевой документ.
3.Андрющенко, П.Ф. Гидротехнические сооружения в садовопарковом и ландшафтном строительстве [Текст] : учеб. пособие : [для студентов и преподавателей лесохозяйств. фак. специальностей 250203 – Садово-парковое и ландшафт. стр-во, 250201 – Лесн. хоз-во] / П.Ф. Андрющенко,
А.Н. Дюков, Т.П. Деденко; Фед. Агентство по образованию, Гос. образоват.
учреждение высш. проф. образования «Воронеж. гос. лесотех. акад. – Воронеж, 2009 . – 111 с.
33
Приложение 1
Значение коэффициента С по формуле Н.Н. Павловского
R\n 0,012 0,013 0,014 0,017 0,020 0,022 0,025 0,027 0,030 0,035
0,10 60,3 54,3 49,3 38,1 30,6 26,0 22,4 19,6 17,3 13,8
0,12 61,9 55,8 50,8 39,5 32,6 27,2 23,5 20,6 18,3 14,7
0,14 63,3 57,2 52,2 40,7 33,0 28,21 24,5 21,6 19,1 15,4
0,16 64,5 58,4 53,3 41,8 34,0 29,2 25,4 22,4 19,9 16,1
0,18 65,6 59,5 54,3 42,7 34,8 30,0 26,2 23,2 20,6 18,8
0,20 66,6 60,4 55,3 43,6 35,7 30,8 26,9 23,8 21,3 17,4
0,22 67,5 61,3 56,2 44,4 36,4 31,5 27,6 24,5 21,9 17,9
0,24 68,3 62,1 57,0 45,2 37,1 32,2 28,3 25,1 22,5 18,5
0,26 69,1 62,9 57,7 45,9 37,8 32,8 28,8 25,7 23,0 18,9
0,28 69,8 63,6 58,4 46,5 38,4 33,4 29,4 26,2 23,5 19,4
0,30 70,5 64,3 59,1 47,2 39,0 33,9 29,9 26,7 24,0 19,9
0,32 71,1 65,0 59,7 47,8 39,5 34,4 30,3 27,1 24,4 20,3
0,34 71,8 65,7 60,3 48,3 40,0 34,9 30,8 27,6 24,9 20,7
0,36 72,4 66,1 60,9 48,8 40,5 35,4 31,3 28,0 25,3 21,1
0,38 72,9 66,7 61,4 49,3 41,0 35,9 31,7 28,4 25,6 21,4
0,40 73,4 67,1 61,9 49,8 41,5 36,3 32,2 28,8 26,0 21,8
0,42 73,9 67,7 62,4 50,2 41,9 36,7 32,6 29,2 26,4 22,1
0,44 74,4 68,2 62,9 50,7 42,3 37,1 32,9 29,6 26,7 22,4
0,46 74,8 68,6 63,3 51,1 42,7 37,5 33,3 29,9 27,1 22,8
0,48 75,3 69,1 63,7 51,1 43,1 37,8 33,6 30,2 27,4 23,1
0,50 75,7 69,5 64,1 51,9 43,5 38,2 34,0 30,4 27,8 23,4
0,55 76,7 70,4 65,2 52,8 44,4 39,0 34,8 31,4 28,5 24,0
0,60 77,7 71,4 66,0 53,7 45,2 39,8 35,8 32,1 29,2 24,7
0,65 78,7 72,2 66,9 54,5 45,9 40,6 36,2 32,8 29,8 25,3
0,70 79,4 73,0 67,6 55,2 46,6 41,2 36,9 33,4 30,4 25,8
0,75 80,2 73,8 68,4 55,9 47,3 41,8 37,5 34,0 31,0 26,4
0,80 80,8 74,5 69,0 56,5 47,9 42,4 38,0 34,5 31,5 26,8
0,85 81,6 75,1 69,7 57,2 48,4 43,0 38,6 35,0 32,0 27,3
0,90 82,1 75,5 69,9 57,5 48,8 43,2 38,9 35,5 32,3 27,8
34
Приложение 2
Таблица коэффициентов шероховатости n для искусственных русел
№
п/п
1
2
3
4
Характеристика русла
n
Тщательно остроганные доски, гладкая штукатурка из цемента.
Бетонный канал в средних условиях.
Хорошая бутовая кладка, грубая бетонировка.
В плотной глине, лессе, земле, гравии.
0,010
0,014
0,017
0,022
Приложение 3
Допустимые средние скорости воды, м/с
Материал, крепление
Хворостное покрытие
Крепление булыжником
Кирпич на цементном
растворе
То же, бутовая кладка
Бетон и железобетон с
цементной штукатуркой
0,4
1,8
2,5-2,9
1,6
Средняя глубина потока, м
1,0
2,0
3,0 и более
2,2
2,5
2,7
3,0-3,5
3,5-4,0
3,8-4,3
2,0
2,3
2,5
2,9-5,8
4,2-7,5
3,5-7,0
5,0-9,0
4,0-8,1
5,7-10,0
2,0-8,7
6,2-11,0
Приложение 4
Расстояние между дренами и глубина дрен, м
Почвы
Глины и тяжелые суглинки
Средние суглинки
Легкие суглинки
Супеси
Пески
Торф
Глубина дрен
0,8-1,0
Расстояние между дренами
12-15
0,9-1,2
1,0-1,2
1,0-1,2
0,8-0,9
0,8-1,0
16-19
19-22
22-26
26-30
30-40
35
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ……………………………………………………………………
1 Общая классификация гидротехнических сооружений……………….
2 Свойства воды, используемые в лесопарковом строительстве……….
3 Проектирование и расчет гидротехнических сооружений…………….
3.1 Быстроток……………………………………………………………….
3.1.1 Гидравлический расчет бетонного быстротока прямоугольного
сечения с водобойным колодцем и водобойной стенкой……………….
3.2 Гидравлический расчет одноступенчатого перепада прямоугольного сечения…………………………………………………………………..
3.3 Гидравлический расчет многоступенчатого перепада прямоугольного сечения колодезного типа……………………………………………
3.4 Сооружения в виде водопропускной трубы с шахтным колодцем…
3.5 Трубчатый водовыпуск (водослив)…………………………………..
3.6 Фонтан, проектирование и гидравлический расчет…………………
Вопросы для самоконтроля………………………………………………..
Библиографический список……………………………………………….
Приложения…………………………………………………………………
3
4
4
5
6
8
13
16
22
25
26
31
32
33
36
Петр Федорович Андрющенко
Татьяна Анатольевна Малинина
Татьяна Петровна Деденко
Водные ресурсы в ландшафтном строительстве
Методические указания к курсовой работе для студентов по
направлению подготовки 250700 – Ландшафтная архитектура
(квалификация (степень) магистр)
Редактор
Подписано в печать
2014. Формат 60х90/16 Заказ №
.
Объем п.л. Усл.п.л.
Уч.-изд.л. Тираж экз.
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
РИО ВГЛТА ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», 394613, Воронеж, ул. Тимирязева, 8
Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»
394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10
37
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
23
Размер файла
488 Кб
Теги
строительство, ландшафтный, водных, практическая, андрющенко, работа, ресурсы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа