Проектирование водохранилища

 
 

Объем воды, который может вместить чаша водохранилища при данных топографических  условиях можно определить, посмотрев  на последнюю цифру графы 7 или  просуммировав данные графы 6.

Полученную  емкость водохранилища (W) необходимо сравнить с объемом возможного притока воды в водоем (S_50%). При этом могут быть два случая, рассмотрим их ниже:

1) когда   S_50%>W в этом случае общий объем пруда будет равен емкости чаши водохранилища (W_общ)

2)когда   S_50%<W в этом случае общий объем пруда будет равен объему возможного притока воды  (S_50%)  и оно берется за расчетное значение

Для более  точного определения расчетного горизонта воды в водохранилище (НПГ) построим интегральные кривые площади  зеркала и емкости водохранилища.

4.   Построение интегральных кривых площади зеркала и емкости водохранилища.

 

Интегральные  кривые необходимо иметь для производства дальнейших расчетов. Выполняются они  по данным Таблицы 1 «Расчет емкости чаши водохранилища». На оси ординат наносим наименование горизонталей (отметки), а на оси абсцисс – шкала объёмов и шкала площадей. Масштаб выбираем произвольно. Для построения кривой из Таблицы 1 по каждой горизонтали выбираем соответствующие им значения площади горизонтали (графа 3) и объём до данной горизонтали (графа 7), и наносим эти точки на график. Соединяя плавной кривой нанесённые точки получим интегральные кривые площади и объёма водохранилища. Кривые W=f(h) и F=f(h) показывают, как изменяются объём и площадь водохранилища в зависимости от глубины пруда.

Откладывая  на шкале ёмкости водохранилища  объём возможного притока в пруд, определяем расчетный нормально  – подпертый уровень (НПУ).

Интегральные  кривые представлены на Рисунке 2 «Интегральные кривые водохранилища».

5.   Определение полезного объёма пруда.

 

При водохозяйственных  расчетах ориентироваться на использование  полного объёма пруда нельзя, так  как за летний период значительное количество воды будет потеряно на испарение и фильтрацию.

При весеннем наполнении пруда вода, притекаемая  в водоем содержит большое количество наносов, которые затем оседают  на дно пруда и уменьшают его  объём. Это вызывает необходимость  не реже одного раза в 15…20 лет производить  чистку пруда. Кроме того, в пруде  постоянно находится некоторый  объём воды, чтобы водохранилище  в летнее – осенний период не пересыхало, а в зимний – не промерзало.

В пруде  должен всегда находиться объём воды, необходимый для жизни рыб. Слой воды в пруде (помимо наносов) должен быть не менее 1,5…2,0м. Объём воды (отвечающий этому слою) и рассчитанный объём заиливания называется мертвым объёмом пруда. 

Таким образом, общий объём пруда W_общее,м³, может быть определен так: 

W_общее=W_полез+ W_ГМО+W_исп+W_фильтр                               (6) 

где: W_полез- полезный объём пруда, м³

       W_ГМО- мертвый объём пруда, м³

        W_исп- объём испарения, м³

        W_фильтр- объём фильтрации, м³

1. Определение мертвого объёма.

 

Мертвый объём состоит из объёма наносов, которые накапливаются в пруде  за период между чистками пруда и  объёма воды составляющего слою 1,5…2,0м.

Объём наносов W_{наносов},м³ определяем по формуле: 

W_{наносов}=                                                     (7) 
 

где: μ- мутность воды, притекаемой в водоём (количество килограмм наносов, содержащихся в каждом кубическом метре воды)

        t- период между чистками пруда 10 лет

        J- объёмный масса наносов 1.5 т/м³

       1000- переводной коэффициент из  кг в тонны м³ 

W_{наносов}= =3792,6 м³ 

Полученный  по формуле объём наносов откладываем  на шкале объёмов интегральной кривой и проводим линию до пересечения  с кривой объёмов. От точки пересечения  проводим горизонтальную линию на шкале  отметок, на которой находим глубину  возможного заиления пруда за t лет. H_{наносов}=35,4м.

К отметке  наносов добавляем 1,5…2,0м и получаем отметку мертвого объёма пруда. H_ГМО=36,9м. Зная отметку мертвого объёма пруда, пользуясь интегральной кривой объёма пруда, определяем мертвый объём (W_ГМО=134000м³).

2.   Определение объёма испарения и объема фильтрации.

 

Для определения  объёма испаряющейся воды необходимо знать слой испаряющейся воды и площадь, с которой происходит испарение. Тогда объём испарения W_исп,м³, будет равен: 

W_исп =F_исп ·h_исп                                                                                (8) 
 

где: F_исп- площадь испарения, м²

        h_исп- слой испарения, м 

Слой  испарившейся воды h_исп, мм, может быть определён по формуле И.В. Тихомирова:

h_исп=Д∙(15+3∙v)                                                   (9) 

где: Д- дефицит влажности воздуха, мб;

        V- скорость ветра, м/с 

Для курсового  проектирования дефицит влажности  воздуха (Д) в среднем за период может  быть принят в пределах 8…12 мб. Скорость ветра в пределах 5…7 м/с.

h_исп=10∙(15+15)=300мм=0,3м 

Площадь испарения в течении всего  периода будет изменяться: весной она будет равна площади полной ёмкости пруда, а осенью – площади  мертвого объёма пруда.

За расчетную  принимаем среднюю площадь, которая  определяем по отметке испарения.

Отметка площади испарения F_исп, м, равна: 

F_исп=                                                   (10) 

где: НПГ- отметка наивысшего подпертого горизонта воды в пруде;

        ГМО- отметка горизонта мертвого объёма 

НПГ и ГМО берём по интегральной кривой по шкале отметок. По отметке испарения, пользуясь кривой площади зеркала водохранилища F=f(H), находим площадь испарения F_исп.  

F_исп==126750 м² 

Объём испаряющейся воды определяем по формуле  испарения. Объём воды, который теряется на фильтрацию будет зависеть от свойства грунтов, подстилающих ложе водохранилища.

W_исп =126750 ·0,3=38025 м² 

Если  берега и дно оврага образованы водонепроницаемыми грунтами (глина, тяжелые суглинки), то объём воды на фильтрацию принимаем  равным 5…10% от общего объёма пруда, при  слабопроницаемых грунтах 10…15%. 

W_фильтр=5%∙379260=18963 м² 

Таким образом, полезный объём пруда: 

W_полезн=W_общее-(W_исп+W_фильтр+W_гмо)                               (11) 

где: W_общее - общий объём воды в пруде, м³ 

W_полезн=379260 - (38025+18963+134000)=188272м³

6.   Проектирование плотины.

Земляная  плотина представляет собой хорошо утрамбованную насыпь, выполненную  из слабоводопроницаемого грунта. Лучшим материалом для насыпи плотины является суглинистые и супесные грунты с  содержанием в них 50…60% песка. На Чертеже 1 «Поперечное сечение земляной плотины» показан поперечный разрез плотины с замком.

1. Определение размеров элементов  плотины.

 

Отметка гребня плотины (ГП) должна быть больше, чем уровень воды перед плотиной (НПГ) не менее, чем на 1,0 м (h_зап).

Величина  сухого запаса гребня плотины (ГП) над  расчетным горизонтом (НПГ) h_зап, м, определяем по формуле: 

h_зап=(0,7+h_волны)                                                  (12) 

где: h_волны- высота разгона волны, м 

Высота  разгона волны h_волны,м, определяется по формуле Замарина В.А.: 

h_волны=0,5+0,1∙L                                                (13) 

где: L- длина разгона волны, которая определяется по наибольшему измерению диагонали зеркала пруда, км

L=1,39км

h_волны=0,5+0,139=0,639м 

Тогда h_зап=0,7+0,639=1,339 м 

Ширина плотины по гребню по заданию равна 4м

Откосы плотины зависят от свойства грунта, из которого выполняется плотина. Верховой откос, то есть обращенный к воде по заданию равен принимаем с заложением m₁=5 это значит, что ширина основания под этим откосом в 5  раза больше высоты плотины. Низовой откос обычно делают с заложением m₂=2. Коэффициент верхового откоса обозначается буквой m₁, низового – m₂.

Ширина плотины у основания В, м, определяем по формуле:

 

B = b+H_max∙(m₁+m₂)                                          (14) 

где: b- ширина плотины по гребню, м

      H_мах- высота плотины, м

        m₁- коэффициент заложения верхового откоса

        m₂- коэффициент заложения низового откоса  

B = 4+4,3∙(5+2)=34,1м 

Если под основанием плотины водопроницаемые грунты залегают на некоторой глубине, то в этом случае, чтобы уменьшить фильтрацию воды под плотиной прибегаем к устройству глинного замка. Глубина замка определяем из условия, чтобы он врезался в водонепроницаемый слой на 0,5…0,7 м. Ширина замка по дну принимаем равной 1/3 ширины по гребню, то есть 1,5 м. Стенки замка выполняем с заложением откосов m=1,5…1,0.

После установления всех размеров плотины  выполняем следующие чертежи:

- продольный  профиль по створу плотины  в масштабе: горизонтальный М  1:2000, вертикальный М 1:50 (см. приложение Чертеж 2 «Продольный профиль по оси земляной плотины »);

- поперечный  разрез плотины в масштабе  М 1:200 (см. приложение Чертеж 1 «Поперечное сечение земляной плотины»).

На чертежах должны быть нанесены высотные отметки  всех элементов плотины, увязанные  с планом.

7.   Определение объема земляных работ по устройству пруда.

1. Насыпка тела плотины.

 

Объём земляных работ по насыпке тела плотины  W, м³, определяется по формуле:

W= F_cp∙l                                                    (15) 

где: F_ср- площадь поперечного сечения земляной плотины при средней высоте плотины, м²

        l- длина плотины по гребню, м (берется из продольного профиля плотины l=196м) 

Величина  средней площади поперечного  сечения плотины F_ср, м², определяем по формуле: 

F_cp= H_cp                                               (16) 

где: b- ширина плотины по гребню, м

        В_ср- ширина плотины по подошве, м 

Ширина  плотины по подошве В_ср,м, определяется по формуле: 

B_cp = b+H_ср∙(m₁+m₂)                                                  (17) 

где: H_ср- средняя высота плотины, м

Величина  средней высоты плотины H_ср,м, определяется по продольному профилю (Чертеж 2) из условия: 

H_ср                                                                                                (18)