Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет природообустройства

Учебное пособие

Обоснование мероприятий по защите земель от затопления

В.Н.Маркин, Л.Д. Раткович, С.А.Соколова

Рекомендовано Методической комиссией Эколого-мелиоративного факультета МГУП в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 280302 - Комплексное использование и охрана водных ресурсов

МОСКВА 2010

ББК 31.5

УДК 628.1

Рецензенты:

Кандидат технических наук, профессор кафедрой гидрологии, метеорологии и регулирования стока Московского государственного университета природообустройства И.В. Прошляков

Заместитель директора по научной работе Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации

им. А.Н. Костякова, заведующий отделом управления водными ресурсами, доцент, кандидат технических наук М.А. Волынов

Маркин В.Н., Раткович Л.Д., Соколова С.А.

Обоснование мероприятий по защите земель от затопления. Учебное пособие. - М.: МГУП, 2010. - 59 с.

ISBN 5-89231- ……….

В пособии рассматривается подход к обоснованию необходимости проведения противопаводковых мероприятий и сравнение вариантов защиты земель наиболее приемлемых для конкретных условий. Приводятся примеры основных обосновывающих расчетов.

Пособие состоит из двух частей. В первой части рассматриваются теоретические вопросы, во второй - приводится пример выполнения работы. Учебное пособие может быть использовано студентами, обучающимися на Эколого-мелиоративном и строительном факультетах для выполнения курсовых работ и дипломного проекта.

Таб. 15, ил. 67. Библиогр.: 7 названий

ISBN 5-89231-…………….

© Маркин В.Н., Л.Д. Раткович, С.А.Соколова

Московский государственный университет

природообустройства, 2010

Содержание

Общие положения

1. Определение границ зоны затопления

1.1 Определение максимальных расчетных расходов весеннего половодья

1.2 Построение продольного и поперечного профилей реки

1.3 Определение границ затопления

2. Определение допустимых уровней и расходов воды

3. Особенности противопаводковых мероприятий

3.1 Создание противопаводкового водохранилища

3.2 Повышение отметок поверхности земли

3.3 Устройство дополнительного русла

3.4 Обвалование территории

3.5 Изменение параметров русла реки

4. Оценка затрат на проведение противопаводковых мероприятий

Список литературы

Приложение

Общие положения

половодье река противопаводковый русло

Наводнения - одно из самых масштабных стихийных бедствий, связанное с прохождением экстремально высоких половодий и паводков, русловых процессов, ледовых явлений (зимние наводнения), хозяйственной деятельностью (антропогенные наводнения). Наводнения сопровождаются затоплением земель.

В центральной нечерноземной зоне затопление земель во время половодий не редкость. Частота половодий, приводящих к затоплению земель продолжительностью от 1 до 50 суток и подъемом уровней воды на пойме от 1.25 до 8.8 м, составляет 82%.

Процентное распределение половодий, приводящих к затоплению, в зависимости от площади водосбора рек.

Последствия наводнений масштабны и часто носят катастрофический характер. Выход реки из берегов приводит к затоплению сотен и тысяч гектаров земель.

Однако следует учитывать, это проявление сил природы в свою очередь играет важную роль в формировании наземных и водных экосистем. В природных условиях периодические затопления способствуют выносу веществ на пойменные участки земель, что позволяет реке очистить свое русло. Одновременно повышается плодородие затопляемых почв и повышается биопродуктивность самого водного объекта.

В ходе наводнений часто имеют место человеческие жертвы, нарушаются коммуникационные связи, выводятся из сельскохозяйственного оборота земли, наносится ущерб постройкам.

Цель и задачи учебного пособия

Цель пособия - изучение студентами инженерных мероприятий по борьбе с затоплением и выполнением расчетов по проектированию таких мероприятий с выбором наиболее эффективного варианта. В частности, решаются следующие задачи:

- ознакомление студентов с видами противопаводковых мероприятий;

- изучение преимуществ и недостатков инженерно-технических мероприятий по защите земель от затопления;

- определение границ зон затопления;

- определение основных параметров сооружений и конструкций;

- проведение предварительных расчетов объема строительных работ;

- выбор наиболее эффективного варианта защитных мероприятий.

Причины затопления территорий

Затопление земель речных долин связано с подъемом уровня воды под действием естественных и антропогенных факторов.

К естественным факторам относится кратковременный выход воды из русла в следствии сезонных гидрологических явлений (таяние снегов, ливневые осадки), а также с динамикой русловых процессов.

К антропогенным факторам относятся - создание подпорных сооружений в русле реки, а также нарушениями, снижающие пропускную способность рек. В связи с этим можно выделить следующие причины затопления.

Тип водного питания рек:

· снеговой - характеризующийся высокой интенсивностью снеготаяния и количеством запасенного за зиму снега;

· дождевой - связанный с ливневым характером летне-осенних осадков и их объемом;

· ледниковый - при котором затопление земель может быть вызвано высокой интенсивностью таяния ледников и продолжительностью периода высоких температур;

· смешанный - при котором возможно затопление земель, как при таянии снегов (ледников), так и при прохождении ливней.

Режим наносов, вызывающий снижение пропускной способности речного русла в результате отложения наносов и зарастания.

Ледовый режим - приводящий к образованию заторов и зажоров на участках реки, снижающие живое сечение реки и как результат подъема уровня воды в реке.

Наличие гидротехнических сооружений - затеняющих живое сечение реки или непосредственно предназначенных для подпора реки. В обоих случаях происходит подъем уровней воды.

Данные причины затопления территорий связаны с определенными физико-географическими условиями, необходимыми для затопления земель или усугубления характера их проявлений:

§ ярко выраженный рельеф долины рек, характеризующийся малыми уклонами поверхности пойм и относительно большими уклонами всей водосборной площади;

§ малые уклоны рек;

§ условия использования водосборной площади (вырубка лесов, распашка территорий, увеличение доли урбанизированных территорий).

Виды противопаводковых мероприятий

Противопаводковые мероприятия делятся на четыре вида:

предупредительные (связанные с налаживанием системы мониторинга, системы оповещения населения и его эвакуации);

адаптационные (вынос хозяйственных и жилых построек за пределы зоны затопления, строительство домов на сваях, трансформация сельскохозяйственных угодий. В последнем случае, на полях расположенных в зоне затопления выращивают культуры, которые выдерживают временное затопление, например, многолетние травы).

инженерно-технические (берегоукрепление, увеличение пропускной способности русла, создание противопаводковых водохранилищ и т.п.);

Ландшафтные (направленные на изменение условий формирования паводкового стока на территории водосборной площади рек. Например, устройство лесополос, водоохранных зон, прудов накопителей, заболачивание территории, создание лесных массивов).

Использование земель в долине реки Сайл США (система прудов позволяет аккумулировать часть поверхностного стока, что приводит к снижению максимальных расходов, вызывающих выход воды из берегов).

Противопаводковые мероприятия назначаются в зависимости от:

условий рельефа местности;

Ярко выраженная ложбина

Равнинные условия

социально-экономических условий.

Защита индивидуального строения



Защита города дамбами

гидрологических условий.

Низкие уровни воды (защита индивидуальных строений водно-надувным защитным устройством).

Устройство каменной стенки при высоких уровнях подъема воды

Сложность проведения противопаводковых мероприятий связана с трудоемкостью и материалоемкостью. Кроме того, наводнения носят случайный характер, что затрудняет проведение предупредительных и снижает эффективность адаптационных мероприятий. Наибольшая отдача получается от проведения комплекса различных мероприятий, в том числе и инженерно-технических.

Инженерно-технические противопаводковые мероприятия

К инженерно-техническим мероприятиям по защите земель от затопления относятся следующие.

Повышение отметок поверхности земли, что возможно в условиях с высокой стоимостью земли и важности отдельных объектов предлагаемых для застройки. Например, в условиях города.

http://www.tgmcompany.ru/tech/index.htm

(Видеофильм о проведении намывных работ. ЗАО КОМПАНИЯ "ТРАНСГИДРОМЕХАНИЗАЦИЯ")

Устройство противопаводковых водохранилищ, которые позволяют частично или полностью снять опасность затопления земель, но приводят к дополнительному затоплению в пределах водохранилища.

Существует два вида противопаводковых накопителей:

- водохранилище регулируемого типа (имеются затворы, которые закрываются, когда ниже по течению от них интенсивность паводка достигает критического уровня, а когда наводнение там прекращается, они вновь открываются).

- водохранилище автоматического удержания паводкового сброса (на выходе из водохранилища автоматического удержания паводка устраиваются водосбросные сооружения, которые достаточны для пропуска нормального расхода, но избыточный поток не пропускают. При паводке поток на выходе такого водохранилища постоянен, а в остальное время он меньше и зависит от притока воды).

Плотина на Солнечной реке(Монтана)



Плотина на реке Вайкато (Новая Зеландия)

Устройство дополнительного русла. Это мероприятие позволяет отвести часть воды из реки по искусственному руслу. Данное мероприятие позволяет полностью предотвратить затопление земель.

Увеличение пропускной способности русла реки. В этом случае проводятся работы по увеличению ширины русла. При большим количестве донных отложений на отдельных участках проводятся дноуглубительные работы.



Укрепление берега габионами

Спрямление русла реки - также позволяет увеличить пропускную способность за счет увеличения уклона дна реки.

Естественное русло

Зона затопления

Вид участка реки до и после спрямления

Обвалование - одно из традиционных мероприятий, позволяющее предотвратить поступление воды во время половодий на отдельные участки речной долины.

Все рассмотренные выше мероприятия имеют свои преимущества и недостатки, поэтому в конкретном случае проводится экологическое и технико-экономическое обоснование их проведения. Кроме того, не всегда очевидна необходимость в них. В ряде случаев экономически более выгодно компенсировать материальные потери, чем создавать противопаводковые защитные сооружения, которые к тому же могут привести к дополнительному негативному воздействию на окружающую среду

Строительство дамбы обвалования

Преимущества и недостатки инженерно-технических мероприятий.

Мероприятие	Достоинства	Недостатки
Повышение отметок местности	Создание не затапливаемого участка земли в нужном месте необходимого размера.	· Сложность осуществление в застроенных районах. · Высокая стоимость. · Необходимость соблюдения норм осушения на созданной территории.
Противопаводковое водохранилище	Возможность использования водохранилища для разных целей.	· Создает дополнительное затопление и подтопление территории. · Сложное гидротехническое сооружение.
Увеличение пропускной способности естественного русла реки	Минимальное отчуждение земель.	· Нарушение экологических условий речного русла и части долины. · Ухудшение гидрохимического режима реки в период производства работ.
Спрямление рек	Увеличение площади земель пригодных для использования.	· Ликвидация биогеоценоза на участке спрямления реки. · Низкая эффективность по увеличению пропускной способности русла.
Обвалование территории	Относительно низкая стоимость.	· Необходимость создания специальной системы отвода воды с защищаемой территории. · Ухудшение эстетичного вида ландшафта. · Большая длинна дамбы, что увеличивает опасность аварий.
Устройство дополнительного русла	Полностью снимается опасность затопления земель без вывода их из хозяйственного оборота.	· Большой объем работ и сложность преодоления пониженных участков местности. · Ограниченные условия применения.

Проектирование мероприятий по защите земель ведется в соответствии с СниП 2.06.15-85 «СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА. ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ТЕРРИТОРИИ ОТ ЗАТОПЛЕНИЯ И ПОДТОПЛЕНИЯ».

Обоснование проведения того или иного вида инженерно-технических мероприятий основано на решении следующих задач:

1. Определение максимальных расчетных расходов и уровней воды (расходы воды рассчитываются для обеспеченностей Р =20%, 5%, 3%, 1%, 0.5% 0.1%, 0.01%, в зависимости от значимости защищаемых сооружений, класса капитальности сооружений и последствий затопления. В данной работе расчетная обеспеченность определяется по условию Технического задания);

Классы сооружений инженерной защиты назначаются не ниже классов защищаемых объектов в зависимости от народнохозяйственной значимости. При защите территории, на которой расположены объекты различных классов, класс сооружений инженерной защиты должен соответствовать классу большинства защищаемых объектов. При этом отдельные объекты с более высоким классом, чем класс, установленный для сооружений инженерной защиты территории, могут защищаться локально. Если технико-экономическим обоснованием установлена нецелесообразность локальной защиты, то класс инженерной защиты территории следует повышать на единицу.

Превышение гребня водоподпорных защитных сооружений над расчетным уровнем воды следует назначать в зависимости от класса защитных сооружений. При проектировании инженерной защиты на берегах водотоков и водоемов в качестве расчетного принимается максимальный уровень воды с вероятностью превышения, зависящей от класса сооружений инженерной защиты в соответствии с требованиями СниП II-50-74 для основного расчетного случая.

Классы защитных водоподпорных сооружений

Наименование и характеристика территорий	Максимальный расчетный напор воды на водоподпорное сооружение, м, для классов защитных сооружений
	I	II	III	IV
Селитебные Плотность жилого фонда территории жилого района, м2 на 1 га: св. 2500 от 2100 до 2500 « 1800 « 2100 менее 1800 Оздоровительно-рекреационного и санитарно-защитного назначения	* * * - -	До 5 « 8 « 10 Св. 10 -	До 3 « 5 « 8 « 10 Св. 10	- До 2 « 5 « 8 « 10
Промышленные Промышленные предприятия с годовым объемом производства, млн. руб.: св. 500 от 100 до 500 до 100	* * -	До 5 « 8 Св. 8	До 3 « 5 « 8	- До 2 « 5

При соответствующем обосновании защитные сооружения относят к I классу, если выход их из строя может вызвать последствия катастрофического характера для защищаемых крупных городов и промышленных предприятий.

Вероятность превышения расчетного уровня воды для сооружений I класса, защищающих сельскохозяйственные территории площадью свыше 100 тыс. га, принимается равной 0,5 %; для сооружений IV класса, защищающих территории оздоровительно-рекреационного и санитарно-защитного назначения, - 10 %.

Основная и проверочная обеспеченности сооружений противопаводковой защиты территории в зависимости от класса капитальности

Расчетный случай	Ежегодная вероятность превышения Р, %, расчетных максимальных расходов воды в зависимости от класса сооружения
	I	II	III	IV
Основной	0,1	1,0	3,0	5,0
Поверочный	0,01*	0,1	0,5	1,0

2. Определяются допустимые расходы и уровни воды, соответствующие пропускной способности русла реки, или приводящие к затоплению части земель в допустимых, для хозяйственной деятельности человека пределах;

3. определение границ затопления, для чего строятся продольный профиль реки и поперечные профили в расчетных створах, по данным натурных съемок;

4. рассмотрение вариантов противопаводковых мероприятий и расчет основных параметров сооружений;

5. оценка экологических, экономических и социальных последствий для выбора противопаводкового мероприятия, которое и предлагается для реализации в виде инженерного проекта (в данной работе проводится только оценка экономической эффективности).

1. Определение границ зоны затопления

В учебной работе основное внимание уделяется затоплению земель во время весеннего половодья и проведению расчетов при отсутствии данных наблюдений, что достаточно актуально для нашей страны. Основой расчетов является: максимальный сток, максимальный расход и форма гидрограф половодья или паводка.

1.1 Определение максимальных расчетных расходов весеннего половодья

Расчет максимальных расходов воды проводится для каждого i-го расчетного створа для обеспеченности Р% по формуле:

, м³/с (1.1)

где - слой стока половодья расчетной обеспеченности, мм;

,

- среднемноголетний слой стока половодья, мм;

- коэффициент перевода среднемноголетнего стока к стоку заданной обеспеченности;

Значения коэффициентов (Сs =2Сv).

Р, %	Коэффициент изменчивости Сv полов
	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5 0.6	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0
0.001	1.49	2.09	2.82	3.68	4.67	5.78	7.03	8.40	9.89	11.50
0.01	1.42	1.92	2.52	3.20	3.98	4.85	5.81	6.85	7.98	9.21
0.1	1.34	1.73	2.19	2.70	3.27	3.87	4.56	5.30	6.08	6.91
0.5	1.28	1.59	1.94	2.32	2.74	3.20	3.68	4.19	4.74	5.30
1	1.25	1.52	1.82	2.16	2.51	2.89	3.29	3.71	4.15	4.60
3	1.20	1.41	1.64	1.87	2.13	2.39	2.66	2.94	3.21	3.51
5	1.17	1.35	1.54	1.74	1.94	2.15	2.36	2.57	2.78	3.00
10	1.13	1.26	1.40	1.54	1.67	1.80	1.94	2.06	2.19	2.30
20	1.08	1.16	1.24	1.31	1.38	1.44	1.50	1.54	1.58	1.61

- площадь водосбора, подвешенная к i-му створу реки, км²;

- коэффициент дружности половодья (в работе принимается равным 0.008);

- коэффициент, учитывающий влияние озер на сток половодья:

, (1.2)

с - коэффициент, колеблющийся от 0,2 при мм до 0,4 при мм;

f_оз. - средневзвешенный коэффициент озерности;

- коэффициент, учитывающий влияние лесов и болот на сток половодья:

,(1.3)

f_лес. - степень залесенности бассейна, %;

f_бол. - степень заболоченности бассейна, %.

Если и , принимают ₂=1. При коэффициенте озерности влияние заозеренности и заболоченности не учитывают. При заболоченности и преобладании верховых болот коэффициент ₂ может быть увеличен до 30-40%.

- коэффициент, учитывающий несоответствие статистических параметров максимального стока и максимального расхода, а также асинхронность их наступления;

Значения параметра

Природная зона	Обеспеченность, %
	0.1	0.5	1.0	5.0
Европейская часть РФ	1.10	1.06	1.00	0.92

n - коэффициент учитывающий изменение модуля весеннего стока от площади водосбора (в работе принимается равным 0.17).

Максимальный уровень воды в реке, приводящий к затоплению земель определяется по кривой связи расходов воды и глубины воды в реке (рис. 1.1).

Гидрограф половодья (паводка) может строиться разными способами в зависимости от очертания. В учебной работе рекомендуется использование метода Кочерина, когда гидрограф половодья представляется в виде треугольника. При этом задаются следующие исходные данные: максимальный расход воды расчетной обеспеченностью (Qмах), продолжительность подъема половодья (tп) и спада половодья (tс). В работе величина tс принимается равной 3* tп. (см. рис. 1.2): tп = tс + tпод.

Рис. 1.1 Зависимость глубины воды в реке от расходов в створе 1-1.

Рис. 1.2 Вид гидрографа половодья.

Продолжительность половодья рассчитывается по формуле:

(1.4)

где - слой стока половодья расчетной обеспеченности, , мм;

- модуль стока половодья расчетной обеспеченности, м³/скм².

, м³/скм².(1.5)

1.2 Построение продольного и поперечного профилей реки

Продольный и поперечные профили реки необходимы для определения границ зоны затопления. Они строятся с использованием следующих исходных данных: карта долины реки (рис.1.3), длина реки (L), уклон (I), глубина русла (hp), уклоны водосборной площади в близи русла реки (Iп - для правого берега, Iл - для левого берега), ширина рек (b), графики зависимостей: глубины воды от расходов, отметок уровней воды от объемов в створе предполагаемого противопаводкового водохранилища.



Рис.1.3. Карта района затопления

По данным, полученным по карте, строятся продольный и поперечный профили реки. На рис. 1.4 представлен продольный профиль реки на участке А-В. Поперечный профиль реки представлен на рис.1.5.

Рис.1.4 Продольный профиль реки на участке А-В.



Примечание:

1. В - ширина русла по верху;

2. в - ширина русла по дну.

Рис.1.5 Поперечный разрез реки для створа 2-2.

1.3 Определение границ затопления

Границы зоны затопления определяются на основе картографического материала. Для этого, зная расчетные расходы в i-ом створе, с помощью графиков зависимости расходов от уровней воды в реке (1.1), определяются глубины воды hрi. На поперечных разрезах откладываются величины hрi от дна реки и определяется ширина зоны затопления (Врi). Аналогично, на продольном разрезе реки в рассматриваемых створах откладываются расчетные глубины и проводится линия уровня воды. После чего, по масштабу, определяется длина участка реки (L), на котором происходит затопление земель.

2. Определение допустимых уровней и расходов воды

В зависимости от условий использования земель во время половодья допускается или не допускается выход воды на пойму. Например, если водоохранная территория реки не используется для устройства водозабора, водовыпуска, обустроенного пляжа - то по экологическим соображениям следует допускать временное затопление водоохраной зоны, тем самым поддерживать исторически сложившееся условия. В этом случае допустимые уровни воды будут определяться размерами водоохраной территории.

Схема определения допустимого уровня весеннего затопления

Допустимые уровни воды назначаются в пределах русла реки, если выход воды на пойму приведет к подтоплению территории (из-за подъема уровня грунтовых вод), сбоям в работе сооружений, увеличению опасности водноэрозионных процессов и т.п.

Схема определения допустимого уровня воды во время весеннего половодья.

Зная допустимый уровень воды и глубину воды в реке, по графику зависимости расходов от уровней воды (1.1), определяются значения допустимых расходов (Qдоп.i) для всех расчетных створов. В рассматриваемом задании допустимые уровни воды ограничиваются отметками бровки коренного берега реки.

3. Особенности противопаводковых мероприятий

3.1 Создание противопаводкового водохранилища

Противопаводковое водохранилище устраивается выше защищаемой территории, по течению реки (створ А-А). Для оценки экономической эффективности необходимо определить емкость водохранилища и параметры основных сооружений, включая: мертвый объем и полезный, емкость форсировки, расчетный расход водосбросных сооружений, размеры плотины.

Рассматривая вопросы борьбы с затоплением, полезную емкость водохранилища принимаем равной емкости форсировки. Мертвый объем принимается конструктивно с максимальной глубиной 5-7 метров - для возможности использования водохранилища для целей рекреации и рыболовства.

Необходимый объем форсировки (W_ф) определяется по гидрографу половодья (рис. 1.2):

, млн. м³ , (3.1)

где -продолжительность половодья.

По топографической характеристике водохранилища (рис. 3.1), представляющей собой зависимость отметок уровней воды от объемов водохранилища определяется отметка ФПУ. Она требуется для определения отметки гребня плотины:

Гр = ФПУ + h_зап., м (3.2)

где h_зап. - превышение отметки гребня плотины над максимальным уровнем воды в водохранилище (учитывает высоту нагона и наката волны, величину запаса). В работе h_зап. принимается равной 1.5…3 м.

Рис. 3.1 Зависимость отметок уровней воды в водохранилище от объемов

Топографическая характеристика определяется по карте местности. Для этого определяется площадь ограниченная j -ой горизонталью и створом плотины (Fj).

Объем воды заключенный в пределах данной площади определится как произведение Vj = Fj *hсрj, где hсрj - средняя глубина воды в водохранилище при уровне воды ограниченном j- ой горизонталью: hсрj = 2*Нмах j/3 , где Нмах j - максимальная глубина воды в водохранилище при уровне воды ограниченном j- ой горизонталью.

С помощью отметки гребня плотины (Гр) определяется высота плотины (hпл.). Ширина плотины по гребню принимается равной 10м.

Устройство гребня плотины

Нмах ₇₀ = 70-66=4 м

h_{ср 70} = 2 4/3 = 2.67м V₇₀ = F₇₀ 2.67

Зависимость объемов воды в водохранилище от глубины.

Нмах ₈₀ = 80-66=14 м

hср ₈₀ = 214/3 = 9.33 м

V ₈₀ = F₈₀ 9.33

Нмах ₉₀ = 90-66=24 м

hср ₉₀ = 224/3 = 16 м

V ₉₀ = F₉₀ 16

Пример построения зависимости объемов воды в водохранилище от глубины

Объем земляных работ по созданию плотины (V_пл.) можно определить по формуле:

, млн. м³, (3.3)

, , м,

, м

где - длина плотины (определяется по карте);

, - соответственно, ширина плотины по гребню и средняя ширина плотины;

b - ширина русла реки по дну;

Дна - отметка основания плотины (определяется по поперечному профилю реки, который строится для створа расположения плотины А-А);

m₁, m₂ - соответственно, коэффициент заложения верхового и низового откосов (принимаются по таблице приведенной в разделе 3.2);

, - соответственно, уклоны левого и правого берегов водосборной площади водохранилища (в работе и определяются по карте).

Создание водохранилища имеет ряд негативных для окружающей среды последствий, например, связанных с дополнительным затопление земель, подтоплением прилегающих к водохранилищу земель, за счет подъема УГВ. Однако водохранилище можно использовать комплексно, например, для рыборазведения, рекреационных целей, как источник водоснабжения, выработки электроэнергии.

Рис. 3.2 Схема поперечного сечения тела плотины.

Эффект от комплексного использования водохранилища уменьшит срок окупаемости гидроузла. Поэтому при проектировании водохранилищ комплексного назначения предусматривается емкость форсировки в пределах 10 - 25% от объема половодья.

3.2 Повышение отметок поверхности земли

Поверхность территории надлежит повышать:

- для освоения под застройку затопленных, временно затапливаемых и подтопленных территорий;

- для использования земель под сельскохозяйственное производство;

- для благоустройства прибрежной полосы водохранилищ и других водных объектов.

При защите территории от затопления подсыпкой, отметку бровки берегового откоса территории следует принимать не менее чем на h_зап.=0,5 м выше расчетного уровня воды в водном объекте с учетом расчетной высоты волны и ее наката (в работе величина h_зап. принимается равной 1 м). Отметки поверхности подсыпанной территории при защите от подтопления определяются величиной нормы осушения с учетом прогноза уровня грунтовых вод. Отметка насыпы составит: П = УВ_мах + h_зап.

Рис. 3.3 Схема насыпи

При осуществлении искусственного повышения поверхности территории необходимо обеспечивать условия естественного дренирования подземных вод.

Рис. 3.4 Отвод воды по тальвегу и искусственному руслу ручья

По тальвегам засыпаемых или замываемых оврагов и балок следует прокладывать дренажи, а постоянные водотоки заключать в коллекторы с сопутствующими дренами.

При выборе технологии работ по искусственному повышению поверхности территории путем отсыпки грунта или намыва необходимо предусматривать перемещение грунтовых масс с незатапливаемых участков коренного берега или поймы на затапливаемые.

План участка и разрез по створу I-I.

Необходимость осушения искусственных подсыпок определяется гидрогеологическими условиями прилегающей территории и фильтрационными свойствами грунтов основания и подсыпки и засыпке временных водотоков, водоемов и разгрузки подземных вод необходимо предусматривать устройство в основании подсыпки фильтрующего слоя или пластового дренажа.

Заложение откосов принимается в зависимости от условий производства работ, грунтов, креплением и хозяйственной необходимостью (см. табл.).

Грунт	Верховой откос	Низовой откос
Песок	3 - 3.5	2.25 - 2.5
Супесь	2.75 - 3.25	2
Суглинок	2.5 - 3	2 - 2.25

Проведение намывных работ диктует устройство более пологих откосов m = 3.5 -5.

По условию задания создаваемая площадь насыпи имеет прямоугольную форму и расстояние от сооружений должно быть не менее L₁ 20м. Объем насыпи определяется по формуле:

(3.4)

где F_i - площадь поперечного сечения земляной насыпи в i -м створе, м²;

L_ср - средняя длина земляной насыпи (см. рис.3.4), м;

n - количество расчетных створов.



Зависимость точности определения площади насыпи от площади масштабного квадрата.

Площадь поперечного сечения земляной насыпи Fi можно определять любым способом, например, с помощью палетки (подсчет масштабных квадратиков): для приведенного выше рисунка (Схема для определения площади Fi): масштабный квадрат сетки имеет площадь f = 10м 1м =10 м². Площадь насыпи составит сумму количества целых квадратов N в площади насыпи и полу сумма не целых квадратов n:

(N + n) f = (17 + 15/2) 10 = 245 м².

Необходимо правильно выбрать размер масштабного квадрата, который зависит от требуемой точности вычислений . Если 10% то f 22 м² (см. рис. Зависимость точности определения площади насыпи от площади масштабного квадрата).

3.3 Устройство дополнительного русла

Трасса дополнительного русла проводится от места, где уровень воды поднимается выше допустимого, до створа расположенного вниз по течению, где пропускная способность реки обеспечивает пропуск всего объема половодья, не приводя к затоплению земель выше допустимого уровня. Длина дополнительного русла Lдр определяется по карте (рис. 4.5).

Параметры дополнительного русла определяются с учетом: проходимости для техники; возможности выращивания сельскохозяйственных культур (поэтому заложение откосов принимается m_др = 3…5). Глубина русла определяется исходя из условий его использования:

- для выращивания сельскохозяйственных культур (в этом случае не допускается подтопления корневой системы растений грунтовыми водами: hдр = ПЗ - УГВ - hкор - hк.п., где ПЗ, УГВ - соответственно отметка поверхности земли и уровня грунтовых вод; hкор =0.5 м - мощность корнеобитаемого слоя; hк.п. - высота капиллярного поднятия; в среднем для легких и средних грунтов hк.п. = 0.3 …2 м);

- устройства дороги (в этом случае соблюдаются условия дренирования дорожного полотна);

- только для отвода воды (глубина определяется технико-экономическими условиями).

Рис. 3.5 Трасса дополнительного русла

Ширина дополнительного русла по дну (Bдр) определяется по формуле Шези при уклоне дна дополнительного русла I, который определяется по карте и (в работе) после трассировки канала (в работе принимается постоянным).

,

где - площадь сечения потока (для трапецеидального русла);

- коэффициент Шези;

- гидравлический радиус;

- уклон дополнительного русла;

- глубина дополнительного русла;

- коэффициент шероховатости русла, = 0,03 - для поросшего травой русла.

На рис. 3.6 представлен график зависимости ширины дополнительного русла от расходов воды для следующих параметров: i = 0.001, 0.0001, 0.0005 , h_д.р. = 0.5, 1.0, 1.5, m_д.р. = 5. Расчетный расход определяется как разность между максимальным расходом воды в рек и допустимым расходом:

, м³/с (3.5)

Объем земляных работ рассчитывается по формуле:

, млн. м³ (3.6)



Рис.4.6 Зависимости ширины дополнительного русла от расходов воды

К преимуществам дополнительного русла относится то, что земля по трассе канала не выходит из оборота, а используется для сельскохозяйственных или рекреационных целей. Конечно это касается случая, когда водоотводной канал выполняется в земляном не глубоком русле, учитывающем глубину залегания грунтовых вод. Это преимущество теряется если создается русло с каким либо видом одежды и с большой глубиной.

Преимуществом является и то, что в принципе возможна трассировка дополнительного русла через населенный пункт. Однако возникают трудности с трассировкой, особенно если необходимо пересечения оврагов, ложбин, притоков реки и т.п.

3.4 Обвалование территории

Объем земляных работ при устройстве дамбы обвалования (с учетом выемки грунта в карьере и отсыпки в тело дамбы, с помощью увеличения объема тела дамбы в 2 раза) определяется по формуле:

 млн. м³, (3.7)

м,

м,

где - длина дамбы, определяется по карте;

- ширина дамбы по гребню, в работе принимается равной 6 м (из условия проезда машин);

- средняя высота дамбы;

и - соответственно, верховой и низовой откосы дамбы, в работе принимаются = = 2;

- запас высоты гребня дамбы над максимальным уровнем воды (в работе принимается равным 1,5 м).

Рис.3.7 Схема расположения дамбы обвалования

Длины дамбы определяется в пределах зоны затопления, с учетом величины , которая увеличивает длину на: 2L = / I_пз , где I_пз - уклон поверхности земли на участке выхода дамбы из зоны затопления.

К недостаткам дамбы следует отнести: отчуждение территории, изменение условий боковой приточности воды в реку с территории водосбора, изменение эстетичного вида ландшафта. Кроме того, большая протяженность дамбы увеличивает возможность ее прорыва.

3.5 Изменение параметров русла реки

Увеличение пропускной способности русла реки осуществляется путем проведения дноуглубительных работ и увеличению ширины русла реки на В. В этом случае определяются требуемые параметры русла для пропуска расхода Q_мах.

В данной работе рассчитывается только требуемая ширина по формуле Шези, (рекомендуется проводить расчеты с помощью графика зависимости ширины реки от расходов (рис.3.8)).



Рис. 3.8 Зависимости ширины русла реки от расходов воды

Объем земляных работ определяется по формуле:

V_ш = L_реки * В * hp , млн.м³ (3.8)

В = В_ш - b, м

где hp - исходная глубина русла реки, м.

К недостаткам данного мероприятия относятся: изменение условий обитания водных организмов в реке, воздействие на пойменный участок, проведение работ из под воды, возможность обмеления в засушливые годы.

Сводная таблица сравнения вариантов

Параметр сравнения	Метод защиты земель
	Водохранилище	Дополнительное русло	Обвалование территории	Повышение отметок местности
Объем зем. работ (V, млн. м3)
Удельная стоимость; сi, руб/м3
Стоимость работ; Сi, млн. руб.

При разработке мероприятий по предотвращению затопления земель могут рассматриваются комбинированные способы защиты. Например, создание водохранилища комплексного назначения, которое позволяет перехватить часть половодья и устройство дополнительного русла или дамб обвалования. Это снижает стоимости отдельных сооружений и позволяет уменьшить срок окупаемости суммарных затрат, за счет получения эффекта от использования водохранилища. В данном задании комплексные мероприятия не рассматриваются.

4. Оценка затрат на проведение противопаводковых мероприятий

Экономическую целесообразность инженерной защиты определяют по методу сравнительной эффективности. Показателем сравнительной эффективности капитальных вложений является величина приведенных затрат. Из числа сравниваемых выбирается вариант с минимальными приведенными затратами.

Приведенные затраты З_з рекомендуется определять по формуле:

(4.1)

где Е_н - нормативный коэффициент эффективности, принимаемый в размере 0,12;

К_з - капиталовложения в строительство сооружений инженерной защиты затапливаемых земель, населенных пунктов, промышленных и других предприятий;

И_з - ежегодные издержки по строительству сооружений инженерной защиты затапливаемых земель, населенных пунктов, промышленных и других предприятий.

Технико-экономические расчеты по выявлению оптимального варианта инженерной защиты в различных условиях природных зон страны следует выполнять с учетом:

- изменения окружающей среды (повышение отметок местности, обвалование территории, создание глубоких водоотводных каналов ведет к формированию нового искусственного ландшафта);

- изменений в почвенном, растительном покровах и животном мире (увеличение параметров естественного русла, спрямление русла реки ведет к уничтожению естественных условий обитания диких видов растений и животных);

- экономической оценки изменений природных условий и ресурсов прилегающих территорий (обвалование территории «отрезает» часть водосборной площади реки, нарушая естественные гидрологические условия);

- последствий влияния водохранилища (при создании водохранилища происходит дополнительное затопление земель, а прилегающие к территории подтапливаются в результате подъема уровня грунтовых вод);

- компенсационных мероприятий, направленных на восстановление природных систем.

Изменения в природных условиях прилегающих территорий необходимо выявлять с учетом экологической, технологической и экономической оценок.

· Экологическую оценку следует выполнять с учетом изменений уровней грунтовых вод, уровней воды в реке, условий затопления земель во время половодий и т.п.

· Технологическая оценка должна предусматривать рассмотрение изменений с позиций современных и перспективных требований различных отраслей хозяйств, производств и видов деятельности человека (сельского, рыбного охотничьего хозяйств, рекреации и т.д.).

· Экономическая оценка должна включать в себя ущерб от снижения (или эффект от повышения) биологической продуктивности сельскохозяйственных угодий, лугов и лесов на прилегающей территории.

При установлении экономической эффективности инженерной защиты береговых территорий при создании водохранилищ необходимо учитывать:

- положительные и отрицательные воздействия проводимых мероприятий на природную среду;

- экономические и социальные интересы водопотребителей и водопользователей, которые выражаются в эффекте или в ущербе всех заинтересованных и затрагиваемых отраслей или отдельных водопользователей, участников водохозяйственного комплекса (ВХК);

В данной работе сравнение вариантов проводится по удельным укрупненным показателям стоимости сооружения (с_i, руб/м³), приведенным к одному кубометру земляных работ. Общая стоимость работ (С_i) по проведению мероприятий по защите земель от затопления определяется по формуле:

, млн. м³ (4.2)

где i - номер рассматриваемого варианта защиты земель; V - объем земляных работ.

Пример расчетов

Исходные данные.

Защищаемая территория имеет прямоугольную форму с размерами 5 км Ч 2 км.

Параметры русла реки

Параметр	Номера точек
	1	2	3	4	5
Ширина, м	Вi	20	22	24	26	26
	bi	20	20	22	20	22
Глубина, h, м	3.5	2.5	1.8	2.5	3.0

Рис. I. Зависимости глубины воды в расчетных точках реке от расходов.

Расчетные характеристики половодья

Параметр	Номера точек
	1	2	3	4	5
Qmах, м3/с	300	310	325	330	335
Продолжительность половодья, tпол., сут	25
Продолжительность периода подъема воды, tп., сут.	8

I. Определение границы зоны затопления

Границы зоны затопления определяются на основании построения продольного профиля участка реки и поперечных профилей в створах зоны затопления. Продольный профиль (рис. I.1) показывает, что зона затопления располагается между створами 2-2 и 4-4, на протяженности L = 52 км. В пределах зоны затопления расположен поселок.

Построение поперечных профилей показывает, что поселок затапливается при прохождении половодья расчетной обеспеченности. Ширина зоны затопления левобережья в створе 3-3 составляет 700 м. Допустимый расход, проходящий в бровках русла реки, при глубине 1.8 м составляет 45 м³/с.

Рис.I.1 Продольный профиль реки на участке 1-5.

Примечание. Ширина русла показана условно.

Рис.I.2 Поперечный разрез реки для створа 2-2.



Рис. I.3 Поперечный разрез реки для створа 3-3.

Рис. I.4 Поперечный разрез реки для створа 4-4.

II. Устройство противопаводкового водохранилища

Противопаводковое водохранилище устраивается в створе 1-1. Для оценки экономической эффективности необходимо определить емкость водохранилища, включающую: мертвый объем воды, полезный и емкость форсировки. Полезная емкость водохранилища принимается равной нулю. Мертвый объем принимается глубиной 5 метров. В соответствии с рисунком 7 мертвый объем водохранилища составит 2 млн. м³

Необходимый объем форсировки (W_ф) определяется по формуле:

, млн. м³ ,

млн. м³ ,

где 0,0864 - коэффициент для перевода размерности.

Расчетное время затопления определяется по гидрографу половодья, который показан на рис.II.1.

Рис. II.1 Расчетный гидрографа половодья для створа 3-3

По топографической характеристике водохранилища (рис. II.2) определяется отметка ФПУ, для определения отметки гребня плотины:

Гр = ФПУ + h , Гр = 14,3 + 2 = 16 м

где h - превышение отметки гребня плотины над максимальным уровнем воды в водохранилище принимается равной 2 м.



Рис.11.1 Зависимость уровней воды в верхнем бьефе от объемов водохранилища.

Объем земляных работ по созданию плотины (V_пл) определяется по формуле:

м,

м,

млн. м³,

где L_пл - средняя длина плотины, b_пл, B_пл - соответственно ширина плотины по гребню (примем b_пл = 6 м) и средняя ширина плотины, b_1-1 =20м - ширина реки по дну в створе плотины (в работе плотины устраивается в створе 1-1), h_пл - высота плотины, Дно - отметка дна водохранилища (в работе заданы относительные отметки с Дно = 0.0), m₁, m₂ - соответственно, коэффициент заложения верхового и низового откосов (в работе принимаются равными m₁ = 3, m₂ = 2), , - соответственно уклоны левого и правого берегов водосборной площади в створе 1-1 составляют = = 0.05; 2 - коэффициент, учитывающий выемку грунта и насыпь.

Рис.II.3 Схема поперечного сечения тела плотины.

Проведенные расчеты параметров требуемого водохранилища показывают, что использование данного варианта приведет к значительному дополнительному затоплению и подтоплению земель, и применять данный метод, как самостоятельный вариант защиты земель не целесообразно.

III. Устройство дополнительного русла

Устройство дополнительного русла предлагается по трассе длинной Lдр=25 км, которая определяется по карте (рис. III.1).

Рис. III.1 Трасса дополнительного русла

Параметры дополнительного русла определяются с учетом: проходимости для техники, поэтому заложение откосов ; возможности выращивания сельскохозяйственных культур. Глубина русла .5 м.

Ширина по дну дополнительного русла () определяется из формулы Шези при средне взвешенном уклоне дна , который определяется по продольному профилю реки для участка между створами 2-2 и 4-4 (см. рис.I.1). Для этого вначале определяется отметка уровня воды в створе, где заканчивается зона затопления (ниже створа 4-4 по течению реки): УВ = УВ_2-2 - L_pfn *Iср.взв = 30-52000*0.000126=23.45м. Уклон дополнительного русла составит: = (УВ_2-2 - УВ)/L_д.р. =(30-23.45)/25000=0.00026.

Расход воды, который надо пропустить по дополнительному руслу определяется как разность между максимальным и допустимым расходами:

= 325 - 45 = 280 м³/с.

При данном расходе ширина канала по дну составит В_др. = 275 м. График зависимости ширины дополнительного русла от расходов воды представлен на рис.III.2, который рассчитывается по формуле Шези для условий показанных на рис. III.3 принимая, что коэффициент шероховатости равен n=0.03.

Q_д.р.=280м³/с Скорость воды

Vдр=1.1 м/с

В_др=275м

Рис.III.2 Зависимость расходов воды от ширины трапециидального русла по основанию: n=0.03, I=0.00026.

Рассчитанные параметры дополнительного русла, позволяют пропускать расчетный расход воды со скоростью v=1.1 м/с, что допустимо по условию размыва при одерновке русла (табл.III.1).

Табл.III.1. Значения не размывающей скорости потока воды, м/с.

Характеристика грунта	Глубина потока, м
	0,5	1,0	3,0	5,0
Отсутствие крепления
Гравий	0.54	0.64	0.84	0.96
Песок	0.45	0.54	0.71	0.81
Супесь	0.36	0.43	0.56	0.64
Суглинок	0.44	0.48	0.55	0.58
Глина	0.053	0.57	0.65	0.69
Закрепленное русло
Одерновка	1.00	1.25	1.50	1.50
Каменное мощение	2.4	2.8	3.5	3.8
Бетонная облицовка	12.5	13.8	16.0	17.0
Габионы	4.7	5.5	6.8	7.3

Объем земляных работ рассчитывается по формуле:

, млн. м³

млн. м³

Рис. III.3. Поперечное сечение водоотводного канала

IV. Обвалование территории

На рисунке IV.1 показана схема расположения дамбы обвалования. Высота дамбы определяется по формуле:

м,

где УВ_мах - отметка максимального уровня воды, ПЗ - отметка поверхности земли в створе дамбы, - запас высоты гребня дамбы над максимальным уровнем воды, принимается равным 1.5 м.

Рис. IV.1 Схема расположения дамбы обвалования

Защита земель от затопления с помощью создания дамб обвалования приводит к сужению потока паводковых вод (b1) , что в свою очередь приводит к подпору, а значит к подъему воды на вели...