Проект пруда парка культуры и отдыха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Целью курсового проекта «Пруда парка культуры и отдыха» является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта грунтовой плотины, с трубчатым водосбросом.



Введение

Гидротехнические сооружения - сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов, а также предотвращения или уменьшения вредных воздействий воды на окружающую среду.

Проект гидротехнических сооружений составляется на основании данных гидротехнических изысканий и водохозяйственных задач, которые должны решаться посредствам этих сооружений.

Процесс создания и дальнейшего использования гидротехнических сооружений состоит из четырех основных этапов:

· изыскания - получение данных о природных условиях района и места расположения сооружения: о рельефе местности, геологическом строении, гидрологических условиях водотока или водоема, климатических особенностей района;

· проектирование - установление на основе данных изысканий и поставленной водохозяйственной задачи будущего водного режима объекта, основных типов, размеров и материала сооружения, составление схем и конструктивных чертежей, установление метода строительства, необходимого оборудования, получение экономических показателей объекта строительства, прогноз социальных и экологических последствий строительства;

· организация и производство строительных работ по осуществлению сооружения - подготовка территории и оборудования для строительных работ, проведение всех требуемых работ, демонтаж строительного оборудования и временных устройств и сдача объекта в эксплуатацию;

· эксплуатация строящегося и построенного сооружения - управление его работой, надзор за соблюдением требований, заложенных в проекте, и состоянием сооружений и оборудования, текущий и капитальный ремонт сооружений.

Таким образом, актуальность данной дисциплины, обусловлена необходимостью ставить и решать вопросы, возникающие при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, применяющихся на водохозяйственных объектах.

Целью курсового проекта «Пруда парка культуры и отдыха» является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта грунтовой плотины, с трубчатым водосбросом.



1. ПРОЕКТ ПРУДА

1.1. Выбор месторасположения пруда

Водохранилище - искусственный водоем, образованный водоподпорным сооружением (плотиной) на водотоке для хранения вода и регулирования стока. Пруд - водохранилище небольших размеров с малой площадью зеркала (порядка 1 км²).

При проектировании пруда важным моментом является выбор места пол пруд и плотину. Учитывая повышенную потребность в воде садово-парковых объектов (полив зеленых насаждений, цветников и газонов, обеспечение работы водных устройств и другие расходы), необходимо предусматривать максимально возможный объем пруда. Однако пруд не должен занимать большую площадь парка, так как при этом увеличивается рекреационная нагрузка на остальную площадь. Кроме того, из экономических соображений пруд должен размещаться в понижении рельефа, что обеспечит его наполнение естественным путем.

Увеличить емкость пруда можно посредством доуглубления. При этом усложняется спуск воды из пруда, так как его дно будет расположено ниже уровня воды в реке. В результате потребуются дополнительные затраты средств на организацию искусственного спуска пруда (установка насосной станции). На участке, отведенном под парк, имеются два понижения, в которых можно устроить пруд: низинное болото и долина бывшего оврага, находящаяся в средней части парка. При устройстве пруда на месте низинного болота потребуется большой объем работ по удалению и транспортировке торфа с последующим возведением вокруг пруда оградительных дамб. Повышенный уровень воды в пруду может вызвать подтопление микрорайона, что затруднит организацию городской территории. Следовательно, наиболее целесообразно разместить пруд в долине бывшего оврага. Наблюдающийся поверхностный сток воды по тальвегу долины обеспечит естественное наполнение пруда, а его чаша в сочетании со склонами долины будет создана минимально возможным объемом работ по возведению плотины.

Плотину необходимо располагать таким образом, чтобы ее продольная ось с горизонталями склонов составляла угол, близкий к 90°. При проектировании размер зеркала будущего пруда и его объем можно изменять передвижением плотины по тальвегу долины. Для удобства обслуживания парка предусматривается проезд между прудом и восточной границей участка. Выбранное месторасположение плотины закрепляется на плане проведением прямой линии.

1.2 Определение емкости пруда

В прудах (водохранилищах) различают следующие уровни (горизонты) воды (рис. 1).

Рис. 1. Схема высотного расположения характерных объемов и уровней пруда и основных сооружений гидроузла: I - дно пруда; 2 - водоспуск; 3 - плотина; 4 - водозабор; 5 - водосброс; I-IV -- объемы: I - мертвый; II рабочий; III - полезный; IV - сливная призма: I +II - полный; уровни: У МО - мертвого объема, НПУ - нормальный подпорный; ФПУ * форсированный подпорный



Уровень мертвого объема (УМО) - уровень соответствующий неиспользуемой части объема пруда, называемой мертвым объемом (МО). По санитарным условиям в садово-парковых объектах глубина воды возле плотины при мертвом объеме должна быть не менее 2 м.

Нормальный подпорный уровень (НПУ) - уровень, до которого может регулярно наполняться пруд, и на длительное стояние которого рассчитана плотина. Объем воды между УМО и НПУ называют рабочим, а сумма мертвого и рабочего объемов воды равна полному объему пруда. Разность между рабочим объемом пруда и потерями воды из него на фильтрацию и испарение составляет полезный объем.

Подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в пруду в чрезвычайных условиях (например, при пропуске через пруд паводка), называют форсированным (ФПУ). Объем воды между НПУ и ФПУ, временно образующийся при пропуске паводка, называют сливной призмой. Высота ее принимается в 0.5-1,5 м в зависимости от модуля стока и величины водосборной площади пруда.

После выбора месторасположения плотины приступаем к определению емкости пруда. Сначала устанавливаем границы зеркала пруда при ФПУ. По техническим требованиям превышение верхней части плотины (гребня) над ФПУ в конечном итоге составит величину около 1,5 м. Своими концами плотина должна упираться в склоны, т. е. ее гребень не должен выходить за пределы поперечного профиля долины. К тому же, между прудом и восточной границей парка необходимо предусмотреть проезд автотранспорта. В результате, например, установили, что зеркало пруда при ФПУ соответствует 5-й горизонтали.

Устанавливаем относительную высоту наинизшей точки пруда возле плотины. Ось плотины находится перпендикулярно ко всем горизонталям, а также пересекает 1-ю горизонталь. Следовательно, наинизшая точка пруда расположена на 0,5 м выше 1-й горизонтали и ее относительная высота равна 0,5 м.

Далее для определения емкости пруда необходимо установить площади фигур в квадратных метрах, образованных продольной осью плотины и каждой из горизонталей - это - 1-я, 2-я, 3-я, 4-я и 5-я горизонтали. Каждая из указанных площадей устанавливается планиметром. При его отсутствии контуры фигур из плана переносятся на миллиметровую бумагу и в соответствии с масштабом плана определяется их площадь.

Сначала на площади, ограниченной 1-й горизонталью и осью плотины, подсчитывается количество квадратиков с площадью 1 см² и потом с площадью 1 мм². Количество первых квадратиков умножается на 2500, а вторых - на 25. Неполные квадратики возле границ площади округляются до целых. Искомая площадь будет равна сумме площадей всех квадратиков. Также устанавливается площадь, заключенная между 1-й и 2-й горизонталью. К этой площади прибавляется площадь, заключенная между 1-й горизонталью и осью плотины, что в сумме будет составлять площадь между 2-й горизонталью и осью плотины. Таким же образом устанавливаются площади, соответствующие 3-, 4- и 5-й горизонталям. Результаты определения площадей вносятся в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Определение емкости пруда

Отметки от самой низшей точки пруда до ФПУ, м	Площадь, ограниченная горизонталью, м2	Средняя площадь, м2	Толщина слоя воды, м	Объем воды между плоскостями двух смежных горизонталей, м3	Объем воды, соответствующий отметке данной горизонтали, м3
0,5	-	не опред.	0,5	10208
1	61250				10208
2	1158750				120208
3	102500				250833
4	118750				361458
5	157500				499583

Примечание. Сумма чисел 5-й графы равна значению последней строки 6-й графы



Объем воды в пруду ниже первой горизонтали (в нашем случае 1-я) подсчитывается но формуле

(1.1)

где h - вертикальное расстояние (0,5 м) от наинизшей точки возле плотины до нижней горизонтали (1-й), м; - площадь зеркала пруда, ограниченная 1-й горизонталью, м².

Остальной объем чаши пруда вычисляется по площади зеркала на соседних горизонталях и толщине слоя воды между ними по формуле

(1.2)

где - объем воды, заключенный между 1-й и 2-й горизонталями, м³; - площадь зеркала пруда, соответствующая 1-й и 2-й горизонталям, м³; h- толщина слоя воды, м.

Результаты послойного определения объема пруда указываются в 5-й графе табл. 1.1. В 6-й графе отражаются объемы пруда, соответствующие определенным горизонталям. Объем воды, соответствующий 1-й горизонтали, определен по формуле 1.1 и в нашем случае равен10208 м³. Объем воды, соответствующий 2-й горизонтали, будет равен сумме объемов воды до 1-й горизонтали и между 1-й и 2-й горизонталями. Таким же порядком определяются последующие объемы.

1.3 . Построение топографической характеристики пруда

Топографическая характеристика показывает изменение объема пруда и площади зеркала воды в зависимости от глубины воды в пруду. Необходимость в данной графической зависимости возникает не только при проектировании пруда, но и при его эксплуатации. Используя топографическую характеристику, по измеренному уровню воды в пруду можно определять площадь зеркала и объем воды, что необходимо для решения текущих вопросов, связанных с водоснабжением садово-парковых объектов.

Топографическая характеристика вычерчивается по данным табл. 1.1 в виде двух кривых, совмещенных на одном чертеже: кривой объемов V и кривой площадей f(рис. 2).

Для построения топографической характеристики лучше использовать миллиметровую бумагу формата А4. По вертикальной оси откладываются отметки горизонталей, начинал от самой низшей отметки пруда до ФПУ (графа 1, табл. 1.1). При этом ось абсцисс принимается соответствующей 0-й горизонтали. Вертикальный масштаб принимается 1:50.

По горизонтальной оси откладываются площади зеркала пруда (верхняя часть оси) и объемы воды (нижняя часть оси). Площади зеркала пруда, соответствующие определенным горизонталям, берутся из табл. 1.1 (графа 2), а объемы - из графы 6 этой же таблицы. Масштабы площадей и объемов определяются следующим образом. Например, площадь зеркала воды при ФПУ равна 157500 тыс. м². Стандартный лист формата А4 позволяет на рисунок использовать по наибольшей его ширине 25 см. При этом масштаб площади зеркала воды равен 6300 м² в 1 см, или 630 м² в 1 мм (157500/25). Используя данный масштаб, на верхней части оси абсцисс откладываются площади зеркала пруда, соответствующие определенным горизонталям (графа 2, табл. 1.1).

Аналогичным образом определяется масштаб объема воды. Например, объем воды в пруду, соответствующий ФПУ, равен 499583 м³. Следовательно, масштаб объема равен 19983,3 м³ в 1 см (499583/25). На нижней части оси абсцисс в данном масштабе откладываются объемы воды, соответствующие горизонталям (графа 6, табл. 1.1). Из отложенных на оси абсцисс площадей зеркала и объемов воды восстанавливаются перпендикуляры. Точки пересечения перпендикуляров с соответствующими им горизонталями последовательно соединяются между собой, образуя кривую площадей зеркала и кривую объемов.

Построенные по указанной методике кривые площадей и объемов имеют две общие точки. Одна из них соответствует низшей отметке дна пруда, а вторая - ФПУ. На топографической характеристике отражаются местоположения УМО и НПУ и указываются соответствующие им площади зеркала и объемы воды. По санитарным требованиям в садово-парковых объектах глубина пруда, соответствующая УМО, устанавливается на уровне 2 м. Следовательно, для определения относительной отметки УМО необходимо значение низшей отметки пруда увеличить на 2 м. Например, низшая отметка пруда равна 0,5 м (табл. 1.1). Следовательно, УМО будет соответствовать отметке 2,5 м (0,5 + 2). Площадь зеркала воды при данном уровне определяется следующим образом. Из точки на вертикальной оси. соответствующей 2,5 м проводится горизонтальная линия до кривой площадей зеркала воды. Это расстояние в миллиметрах умножается на установленный ранее масштаб площадей.

Для определения объема воды в пруду при УМО поступают аналогичным образом, но горизонтальную линию из точки 2,5 м на оси ординат проводят до кривой объемов и ее длину умножают на масштаб объема.

При определении местоположения НПУ учитываются экономические соображения и особенности водосборной площади пруда. С экономической точки зрения необходимо стремиться к тому, чтобы полезный объем пруда был наибольшим. При этом отпадет необходимость изыскивать дополнительные источники водоснабжения парка. Следует учитывать, чтобы принятый резервный объем, т. е. разность между ФПУ и НПУ, не оказался заниженным. В таком случае при бурном снеготаянии и выпадении обильных дождей уровень воды в пруду превысит ФПУ, что может вызвать разрушение плотины. Учитывая малую величину модуля стока из водосборной площади пруда, можно принять, что НПУ находится ниже ФПУ на 0,5 м.

Для НПУ определяется площадь зеркала воды и объем пруда. Методика их определения аналогична порядку определения данных величин при УМО, но горизонтальные линии до кривой площадей и кривой объемов проводятся из точки, соответствующей НПУ.

1.4. Определение потерь воды из пруда

Кроме расхода воды из пруда на водоснабжение садово-паркового объекта, происходят естественные потери воды. К ним относятся: испарение с водной поверхности, фильтрация воды через ложе пруда и тело плотины, а также потери на льдообразование. Естественные потери уменьшают полезный объем пруда, что необходимо учитывать в расчетах по водоснабжению садово-парковых объектов.

Потери на испарение. Испарение с водной поверхности зависит от температуры воды и воздуха, влажности воздуха и скорости ветра. Опытным путем установлено, что испарение с водной поверхности в лесной зоне колеблется от 350 до 650 мм в год. Обычно слой потерь воды на испарение определяется по специальным картам и эмпирическим формулам.

В нашем случае объем коды на испарение из пруда W_исп, м³, определяется по формуле

(1.3)

где W_исп - слой потерь воды на испарение, м³ (для географической широты Минска он равен 0,6 м); - площадь зеркала пруда при отметке НПУ; площадь зеркала пруда при отметке УМО, м²; значения площади зеркала пруда при НПУ и УМО в подразделе. 1.2.

Потери на фильтрацию. Потери воды из пруда на фильтрацию зависят от гранулометрического состава грунтов ложа пруда и плотины, а также от конструкции противофильтрационных устройств ложа и плотины пруда.

Потери воды на фильтрацию м³ , определяются по формуле

(1.4)

где - слой потерь воды на фильтрацию, м³; потери принимаются по рекомендации профессора М. В. Потапова и приближенно в год составляют, м: для слабоводопроницаемых грунтов (глины и тяжелые суглинки) -- 0,5; средних по проницаемости фунтов (средние и легкие суглинки) - 0,5--1,0; сильно проницаемых фунтов (супеси и пески) - 1,0-2,0.

Поскольку в нашем случае плотина имеет противофильтрационные устройства как в теле, так и в основании, а также предусмотрено устройство водонепроницаемости ложа пруда, слой потерь воды на фильтрацию можно принимать минимальным.

Полезный объем воды в пруду с учетом потерь на испарение и фильтрацию определяется по формуле

(1.5)

где - объем воды, который возможно использовать из пруда на водоснабжение садово-паркового объекта, м³ ; - объемы воды соответственно при НПУ и УМО (из топографической характеристики), м³; - потери воды на испарение и фильтрацию, м³.

1.5 Обоснование типа плотины и способа ее возведения

Тип плотины выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов компоновки узла сооружений в целом и с учетом назначения плотины, инженерно-геологических, климатических и других условий.

Плотины возводятся из бетона и железобетона, камня, дерева и фунтов.

Бетонные и железобетонные плотины рекомендуется располагать на скальных основаниях. Однако, несвязные грунты (галечниковые, гравелистые, песчаные и их смеси) имеют несущую способность, достаточную для возведения бетонных и железобетонных плотин с напором до 20-40 м. При этом требуется устройство фундаментной плиты из бетона, что ведет к удорожанию объекта. Недостаток бетонных и железобетонных плотин - затраты на их возведение, так как бетон и металл обычно не являются местными материалами (требуются значительные транспортные расходы) и могут быть в определенных условиях дефицитными и относительно дорогими.

Плотины, тело которых выполнено из камня (рваного, колотого, булыжника), уложенного в виде наброски (отсыпки), называют каменно-набросными. Строительство их распространено на горных участках рек в районах, богатых камнем.

Деревянные плотины распространены в районах, богатых лесом, но их существенным недостатком является недолговечность (15-20 лет).

Плотины, возводимые из грунтов, называются грунтовыми. Широкое распространение фунтовых плотин объясняется следующими их достоинствами. Материал для возведения плотин используют, как правило, местный, затраты на добычу материала минимальны. Плотины из фунта можно применять в большинстве географических районов. Грунт, уложенный в тело плотины, не теряет своих свойств со временем. Грунтовые плотины можно возводить практически любой высоты, все процессы при их возведении высокомеханизированны.

Наряду с достоинствами, грунтовые плотины имеют недостатки: ограниченные возможности сброса максимальных расходов через гребень плотины; наличие в теле плотины фильтрационного потока, потенциально создающего условия для фильтрационных деформаций; возможность больших потерь воды на фильтрацию, если тело плотины выполнено из фунтов с повышенной водопроницаемостью; трудность укладки насыпи при значительных и продолжительных минусовых температурах; неравномерность осадок по поперечному профилю плотины; ограничение в использовании некоторых видов грунтов для тела плотины и оснований.

По конструкции тела и противофильтрационных устройств различают следующие виды грунтовых плотин: из однородного и неоднородного грунта, с экраном из грунтового и негрунтового материала, ядром из грунтового материала, диафрагмой из негрунтового материала.

По противофильтрационным мероприятиям в основании различают плотины с зубом, замком, диафрагмой, со шпунтовой стенкой, с комбинацией шпунтовой стенки с зубом, с инъекционной завесой (доведенной до водоупора или висячей), с понуром.

Но высоте различают грунтовые плотины, низкие - с напором до 15 м; средней высоты - с напором 15-50 м и высокие - с напором более 50 м.

Для основной части профиля плотины используют все виды грунтов, за исключением содержащих водорастворимые включения солей хлоридных или сульфатно-хлоридных в количестве более 5% или солей сульфатных более 2% массы; содержащих не полностью разложившиеся органические вещества, находящиеся в аморфном состоянии, в количестве более 8% массы.

Лучшими грунтами для однородной грунтовой плотины считаются суглинки и супеси. Вполне пригодны песчаные и песчано-гравелистые грунты, однако ввиду их водопроницаемости необходимо предусматривать противофильтрационные устройства Для противофильтрационных элементов плотины применяют связные, пластичные, малопроницаемые грунты: глины, суглинки, а также торф при степени разложения не менее 50%.

Непригодны для укладки в тело плотины илистые грунты, а также легкоподвижные при насыщении их водой. Важное качество грунта для тела плотины - легкая уплотняемость его при укатывании. Выбор грунта для тела плотины обосновывается технико-экономическими расчетами.

При наличии в районе строительства достаточного количества относительно водонепроницаемых фунтов (суглинки, лёссы) строят плотину из однородного грунта. Преимущества однородных плотин - простота и быстрота возведения, возможность применения комплексной механизации, что значительно снижает стоимость работ по сравнению с другими типами грунтовых плотин.

При недостаточном количестве малопроницаемых грунтов плотину можно насыпать из имеющихся на месте песчаных грунтов, супесей или других проницаемых материалов. В этом случае будет происходить сильная фильтрация воды через тело плотины. Для предупреждения этого явления применяют противофильтрационные устройства в виде ядра, экрана, диафрагмы.

Пластичное ядро делают из глины или тяжелого суглинка и располагают вертикально под гребнем плотины, желательно ближе к верховому откосу, для того, чтобы уменьшить объем насыщенного водой грунта верховой призмы, обращенной к верхнему бьефу, и сделать более устойчивой низовую часть плотины, т. е. находящуюся со стороны нижнего бьефа.

Преимущества экранных плотин перед ядровыми состоит в том, что в таких плотинах вода насыщает значительно меньшую часть объема тела плотины (повышается ее устойчивость). Кроме того, экраны более доступны для осмотра и ремонта. Однако для экрана требуется больше материала и он более подвержен деформациям при осадке основания или тела плотины.

К грунтам основания предъявляются такие же требования, как и к грунтам тела плотины. Грунты у основания тела плотны с неразложившейся корневой системой и гумусированные почвы, а также имеющие ходы землеройных животных, как правило, удаляют.

По способу производства работ грунтовые плотины подразделяются на плотины с отсыпкой насухо пионерным способом и механическим уплотнением грунта, с отсыпкой грунта в воду, намывные, а также возводимые с помощью направленных взрывов.

Насыпной способ считается наиболее доступным и дешевым. При этом способе доставленный из карьера грунт разравнивают слоем толщиной 20-25 см в рыхлом состоянии. Грунт уплотняют самоходными или прицепными катками - гладкими или кулачковыми, иногда гусеничными тракторами или самоходными скреперами. Применяются также большегрузы на пневмоходу (массой до 26 т), уплотняющие слой грунта толщиной до 60 см, и виброкатки, уплотняющие слои грунта до 0,8 -1,0 м. Степень уплотнения грунта контролируется лабораторным путем и с помощью плотномеров.

Для достижения необходимой степени уплотнения грунта иногда требуется смачивание его водой, так как лучшее уплотнение грунта происходит при оптимальной влажности. Последнее зависит от характера грунта и массы катка. Для более тяжелых катков оптимальная влажность уменьшается, а для более легких - повышается. Влажность грунта определяется опытным путем в лабораторных и натурных условиях. После уплотнения слоя поверхность его боронуется для лучшего сцепления со следующим слоем.

Дальнейший порядок устройства плотины определяется характером грунта основания и тела плотины. В зависимости от глубины залегания водоупора возможны различные случаи устройства плотин.

При залегании у основания плотины маловодопроницаемого (глина или суглинок) грунта толщиной не менее 2 м перед укладкой тела плотины снимается только растительный слой на глубину до 30 см от поверхности.

При залегании маловодопроницаемого слоя не глубже 4 м, кроме снятия растительного слоя, в основании плотины устраивается замок. При залегании водоупора на глубине от 4 до 6 м устраивается замок глубиной 2-3 м и в его дно забивается шпунтовый ряд, прорезающий весь водопроницаемый слой и входящий в водоупор на 1 м. Шпунтовый ряд сооружается из брусьев или толстых досок и верхней частью входит в замок на 0,5 м.

Сопряжение тела плотины с берегами следует делать в виде наклонных плоскостей с короткими уступами для удобства работ. Обработка склонов вертикальными уступами не допускается, так как вследствие резких изменений высоты насыпи вдоль уступов образуются опасные поперечные трещины. Наличие их будет способствовать усиленной фильтрации воды и разрушению плотины.

Исходя из местных условий, принимается и обосновывается конструкция плотины с учетом ее внешнего вида и планировки садо-во-паркового объекта.

1.6. Определение высоты плотины

Порядок определения высоты плотины следующий. По данным табл. 1.1 (графа 1) устанавливается высота плотины при ФПУ. Для этого от отметки ФПУ отнимается значение наинизшей отметки пруда. Например, отметка ФПУ соответствует 5-й горизонтали, а наинизшая отметка пруда равна 0,5 м. Следовательно, высота плотины до ФПУ составит 4,5 м (5 - 0,5).

Однако гребень плотины должен быть выше ФПУ настолько, чтобы ветровые волны не набегали на него. Высота волнобоя, , м, определяется по формуле Замарина

(1.6)

где - разбег волны (наибольшая длина пруда от его конца до продольной оси плотины), км.

Наибольшая длина зеркала пруда при ФПУ составляет, например, 0,95 км. Следовательно, запас высоты плотины на волнобой по приведенной формуле составит 0,795 м (0,7+ 0,1 0,95).

Запас высоты плотины на волнобой можно определить по табл. 1.2.

Таблица 1.2 Запас высоты плотны на волнобой, м.

Глубина воды у плотины при отметке ФПУ, м	Длина зеркала пруда при отметке ФПУ L, км
	0,2	0,5	1,0	2,0	3,0
До 6	0,75	0,8	0,85	0,95	1,05
6-8	0,85	0,9	0,95	1,05	1,15

По данным табл. 1.2 высота волнобоя составляет 0,85 м. Из полученных двух величин по условиям безопасности работы плотины принимается для последующих расчетов большая величина волнобоя (0,85 м). Следовательно, с учетом волнобоя высота плотины составит 5,35 м (4,5 + 0,85).

При определении высоты плотины необходимо учесть толщину снимаемого растительного слоя, который удаляется с верхней части основания плотины (около 0,2 м).

После сооружения плотины происходит естественное уплотнение грунта, уложенного в тело плотины. В результате осадки высота плотины уменьшается. В связи с этим при постройке высота плотины увеличивается на 5-10%, что в нашем случае составляет около 0,5 м.

Следовательно, общую высоту плотины Н_пл, м, можно определить по формуле

(1.7)

где - высота плотины от наинизшей отметки пруда до ФПУ (табл. 1.1) без учета снимаемого растительного слоя, м; - высота волнобоя, м; С - запас высоты плотины на естественную осадку грунта тела плотины, м; - толщина снимаемого растительного слоя, м.

В нашем случае



При проектировании плотины необходимо знать относительную высоту гребня плотины, которая равна отметке ФПУ, увеличенной на высоту волнобоя и на запас высоты плотины на естественную осадку. В нашем случае относительная высота гребня плотины составляет 6,85 м (5,0 + 0,85 + 1).

1.7 Устройство гребни плотины

Гребень плотины в большинстве случаев используют для проезда автотранспорта. Ширина его в этом случае определяется категорией дороги и ее принимают по СНиП. Если по плотине проезд не предусматривается, то ширина гребня принимается в 3-4 м при высоте плотны до 6м,в 4-5 м - при 6 10 м и 5-7 м - при высоте плотины более 10 м.

В садово-парковых объектах, как правило, предусматривается проезд по гребню плотины. Необходимость его диктуется удобством обслуживания как объекта в целом, так и плотины с расположенными на ней сооружениями. При этом достаточно одностороннего проезда, при котором ширина гребня плотины принимается не меньше 4,5 м.

При устройстве проезда гребень плотины выполняют как дорогу в насыпи. Составными частями дороги являются проезжая часть, обочины, ограждения и дренажные устройства. В состав проезжей части входят покрытие и основание. Тип покрытия определяется категорией дороги. В большинстве случаев на твердое покрытие укладывают слой асфальта толщиной 3- 5 см.

Профиль дороги выполняют с двухсторонним поперечным уклоном в 2-3%. Уклон обочин несколько больше в связи с их большей шероховатостью. Вдоль гребня плотины с обеих сторон в пределах обочин ставят ограждения в виде столбов, низких стенок и парапетов.

В поперечном профиле дороги ограждения ставят на расстоянии не более 0,5 м от бровки гребня, а по длине плотины, если они выполняются в виде столбов и тумб, - через 4- 6 м.

1.8 Заложение откосов плотины

У плотин различают верховой и низовой откосы.

Верховым, или мокрым, называется откос, обращенный к воде, т. с. в сторону пруда, водохранилища, а на речных плотинах - в сторону верхнего бьефа. Противоположный верховому откос называется низовым, или сухим. Верховые откосы плотин находятся в более тяжелых условиях, так как испытывают давление воды и разрушающее действие волнобоя. Они насыщены водой почти на всю высоту.

В связи с этим верховые откосы устраиваются более пологими, чем низовые.

Крутизна откосов плотины характеризуется коэффициентом заложения откоса т. Он показывает, во сколько раз горизонтальная проекция откоса больше его высоты

(1.8)

где l - заложение, м; H_пл - высота плотины, м.

Коэффициенты заложения откосов плотины зависят от грунта тела плотины и ее высоты. При курсовом проектировании коэффициенты заложения откосов принимаются по табл. 1.3.

водосброс плотина откос пруд



Таблица 2.3 Коэффициенты заложения откосов

Грунт и откосы плотины	Коэффициент заложения откоса т при высоте плотины, м
	до 5	5-10	10-12
Суглинистый: верховой откос	2,0	2,5-2,75	3,0
низовой откос	1,75	2,0-2,25	2,75
Песчаный: верховой откос.	2,25	2,5-3,0	3,0
низовой откос	2,0	2,0-2,25	2,25-2,5'

Примечание Для супесчаного грунта значения коэффициентов принимаются средними между суглинистым и песчаным грунтами

С увеличением высоты плотины откосы делают более пологими. В этом случае иногда переходят к ломаному очертанию откосов, постепенно увеличивая пологость к низу.

На основании вычисленной высоты плотины и выбранных коэффициентов заложения верхового и низового откосов с учетом ширины гребня плотины определяется ширина плотины у основания в месте ее наибольшей высоты по формуле

(1.9)

Где ширина плотины у основания, м; b - ширина гребня плотины, м; - коэффициент заложения верхового откоса; т_н - то же низового откоса; Н_пл - высота плотины, вычисленная по формуле (1.7), м.

Например, высота плотины равна 6,0 м. Поскольку тело нашей плотины будет состоять из супеси, то коэффициент заложения верхового откоса равен 2,5, а низового - 2,0. Отсюда



1.9 Конструкция ядра и замка плотины

В качестве противофильтрационных устройств в геле плотины чаще всего устраивают экраны (в сочетании с понуром при глубоком залегании водоупора) и вертикальные ядра из глинистых фунтов. Наклонные ядра в грунтовых плотинах применяют редко. В связи с этим в плотине нашего объекта целесообразно устроить вертикальное ядро.

Отметка гребня ядра должна быть не ниже отметки ФПУ; одновременно должно быть обеспечено расстояние от гребня плотины до верхней части ядра больше глубины промерзания.

Ядро располагается внутри тела плотины по всей ее длине. Ось его может быть совмещена с осью плотины или смещена к верховому откосу. В нашем случае предусматривается совмещение оси ядра с осью плотины. Минимальный размер ядра поверху назначают из условий производства работ, но не менее 0,8 м. К подошве плотины ядро утолщается. Крутизна откосов т_я принимается равной 0,1, что соответствует изменению толщины ядра в 0,1 м на каждый 1,0 м высоты.

С учетом промерзания грунта принимаем, что верх ядра располагается на отметке ФПУ. Тогда высота ядра будет равна высоте плотины при ФПУ с учетом толщины снимаемого растительного слоя у основания плотины. В нашем примере высота плотины при ФПУ равна 4,5 м, а толщина снимаемого растительного слоя - 0,2 м. Следовательно, высота ядра составит 4,7 м.

Толщина ядра понизу В_я определяется по формуле

(1.10)

где - толщина ядра поверху, м; т_я - коэффициент заложения откосов ядра; - высота ядра, м.

Если принять толщину ядра поверху равной 1 м, то толщина ядра понизу будет равна 1,94 м (). В нижней части ядро соприкасается с замком.

Замок - водонепроницаемое препятствие в основании плотины, прорезающее водопроницаемый слой грунта и входящее в водоупор. Замок применяют, когда мощность водопроницаемого слоя грунта в основании не более 4 м. Для устройства замка по всей длине плотины, т. е. по дну и откосам балки, выкапывается траншея с заглублением в водоупор на 0,5 м. Траншея заполняется тем же грунтом, который будет использован для устройства ядра. Замок (траншея) устраивается трапецеидального сечения с шириной по дну 1 м и коэффициентом откосов 0,5. При подсчете высоты замка (глубины траншеи) учитывается глубина залегания водоупора на дне долины (указана в задании по курсовому проектированию) и толщина снимаемого растительного слоя. Ширина замка (траншеи) поверху определяется по формуле

(1.11)

где b_з-- ширина замка по низу, м; m_з -- коэффициент заложения откосов замка; H_з -- высота замка, м.

Например, в месте сооружения плотины водоупор залегает на глубине 1 м. После снятия растительного слоя толщиной 0,2 м и с учетом заглубления замка в водоупор на 0,5 м высота замка составит 1,3 м (1 - 0,2 + 0,5), а ширина замка поверху будет равна 2,3 м (1 + 20,51,3 =2,3).

1.10 Построение поперечного профиля плотины

Поперечный профиль плотины - ее поперечный разрез в месте наибольшей высоты. Принимается, что пруд расположен вправо от плотины. Для построения поперечного профиля лучше использовать миллиметровую бумагу в размере стандартного листа А4 с альбомным расположением. В этом случае на рисунок можно использовать около 25 см. Для определения масштаба ширина плотины понизу, вычисленная по формуле (1.9), делится на 25 см. Полученная величина масштаба округляется, чтобы было удобно его использовать при построении профиля. В нашем примере при ширине плотины понизу, равной 33,7 м, масштаб целесообразно принять 1 : 150 (3370/25 = 135).

Построение профиля плотины начинается с нанесения оси плотины в виде вертикальной прерывистой линии, которую необходимо смещать от центра листа в сторону низового откоса примерно на 1 см. Такое смещение необходимо в связи с тем, что заложение низового откоса меньше, чем верхового. Линия, соответствующая основанию плотины, проводится на 5-6 см от нижнего края листа. Ее относительная высота определена в подразделе 1.5. Используя данные подраздела 1.5, 1.6, 1.7 и 1.8, строится поперечный профиль плотины в принятом масштабе (рис. 3).

На профиле указываются: вертикальная шкала с относительными отметками; ширина плотины по гребню и основанию; высота плотины; коэффициенты заложения откосов; отметки гребня плотины, ФПУ, НПУ и УМО; глубина залегания водоупора; ядро, замок и их размеры; толщина снимаемого растительного слоя. На рисунке указывается масштаб и делается соответствующая подпись.

1.11 Построение продольного профиля плотины

Продольный профиль плотины одновременно является поперечным профилем долины по оси плотины. Пространственное расположение профиля соответствует взгляду наблюдателя со стороны пруда (рис. 4).

Построению профиля предшествует определение масштабов. Вертикальный масштаб зависит от высоты плотины с учетом возможности расположения профиля на листе формата А4. В нашем случае его целесообразно принять равным 1 : 100.

Горизонтальный масштаб зависит от длины плотины, которая определяется следующим образом. На плане парка по направлению продольной оси плотины интерполяцией находим конечные точки плотины, используя установленную в подразделе 1.5 относительную высоту гребня плотины с учетом запаса на волнобой и осадку. Расстояние между этими точками на плане с учетом его масштаба соответствует длине плотины. В нашем случае относительная отметка гребня плотины - 6,85 м. Расстояние между точками (концами плотины) на плане равно 13,9 см, т. е. длина плотины равна 695 м (13,9 50). В горизонтальном направлении при построении профиля можно использовать около 20 см листа формата А4. Следовательно, горизонтальный масштаб принимаем 1:3000 (69500 / 20). На расстоянии около 9 см от нижнего края листа проводится горизонтальная линия (основание профиля). Относительная отметка ее принимается такой, чтобы наинизшая отметка пруда (табл. 1.1) была больше. В нашем случае она равна 0,5 м, а относительную отметку основания профиля принимаем в 0 м.

Ниже основания профиля проводятся пять строчек шириной по 1 см. Первая служит для указания номеров пикетов или в нашем случае горизонталей; во второй указывается расстояние между смежными горизонталями в метрах; в третьей - отметка гребня плотины с учетом запаса на волнобой и осадку; в четвертой - отметка поверхности почвы без учета снимаемого растительного слоя в метрах; в пятой - высота плотины (разность между 3-й и 4-й строчками) в метрах.

На расстоянии около 7 см от левого края листа проводится вертикальная линия. На ней от основания профиля с учетом его отметки, установленной ранее, откладываются в масштабе относительные отметки 1, 2, 3 и т. д. Горизонтальные линии, проведенные через эти отметки, будут соответствовать горизонталям местности (плана). Вторая вертикальная линия проводится от первой на расстоянии, соответствующем длине плотины в масштабе 1:3000. На вертикальных линиях отмечаются точки, соответствующие отметке гребня плотины с учетом запаса на волнобой и осадку (подраздел 1.5). Эти точки соединяются горизонтальной линией, совпадающей с контуром гребня плотины.

На плане парка по оси плотины определяется расстояние между началом плотины и ближайшей горизонталью, м. В нашем случае это расстояние между точками с отметкой 6,85 м и 6-й горизонталью равно 85 мм, что с учетом масштаба плана 1:5000 соответствует 15 м.

Таким же образом, продвигаясь слева направо, определяется расстояние между 6-й и 5-й горизонталями, потом между 5-й и 4-й, между 1-й и наинизшей точкой (в нашем случае - 0,5), потом между ней и 1-й горизонталью, и, наконец, между 6-й горизонталью и точкой, соответствующей концу плотины. Всего определено 14 расстояний, которые в сумме должны равняться длине плотины. Эти расстояния, соблюдая последовательность, откладываются во второй строке профиля с учетом масштаба 1:3000 и отделяются друг от друга вертикальными линиями, которые соответствуют определенным горизонталям, указанным в первой строке профиля.

Продолжая данные линии вверх до пересечения с соответствующей горизонталью, находим точки поверхности почвы. Соединив их последовательно, получим поперечный профиль долины по оси плотины или продольный профиль плотины (рис. 4).

Па профиле указывается отметка гребня плотины, ФПУ, НПУ, УМО. Наносится пространственное местоположение водосброса, водозабора и водоспуска. Пунктирными линиями обозначается запас плотины на осадку и снимаемый растительный слой. Внизу профиля делается подпись с указанием номера рисунка, его наименования, вертикального и горизонтального масштаба.

1.12 Определение объема тела плотины

Принцип определения объема тела плотины основан на рассечении ее плоскостями, перпендикулярными оси. В результате получаем ряд элементарных призм, основаниями которых являются соседние поперечные сечения плотины, а высотами - расстояния между этими сечениями . Объем каждой призмы в квадратных метрах равен произведению полусуммы соседних поперечных сечений на расстояние между ними:

(1.12)

Порядок вычисления объема тела плотины приведен в табл. 1.4. Данные для 1-й графы (отметки горизонталей по оси плотины) выписываются из продольного профиля плотины (рис. 4. 4-я строка). Для заполнения 2-й графы необходимо высоту плотины от гребня до поверхности почвы (рис. 4, 5-я строка) увеличить на толщину снимаемого растительного слоя. В 3-й графе указана ширина плотины по гребню. Графы 4 и 5 заполняются на основании принятых ранее коэффициентов заложения откосов и высоты плотины (графа 2). Ширина основания плотины (графа 6) является построчной суммой граф 3, 4 и 5. Чтобы получить графу 7, необходимо построчно сложить данные графы 3 и 6 и полученную сумму разделить на 2.

Площадь каждой трапеции (графа 8) является построчным произведением данных графы 2 на данные графы 7. На основании графы 8 вычисляются площади средних трапеций (графа 9), которые являются полусуммой двух соседних трапеций и в связи с этим записываются в промежутке между строками. Расстояния между сечениями выписываются из продольного профиля плотины (рис. 4, 2-я строка). В 11-й графе помещаются объемы элементарных призм (построчное произведение 9-й и 10-й граф), сумма которых и составляет искомый объем тела плотины.



Таблица 1.4 Определение объема тела плотины

Отметки горизонталей по оси плотины, м	Высота плотины, м	Ширина плотины по гребню, м	Заложение откосов, м	Ширина основания плотины, м	Средняя линия трапеции, м	Площадь трапеции	Площадь средней трапеции, м2	Расстояние между сечениями, м	Объем, м3
			низового	верхового
6,85	0,2	4,5	0,4	0,5	5,4	4,95	0,99	1,6	30	48
6	0,85	4,5	1,7	2,1	8,3	6,4	5,44
								10,72	80	857,6
5	1,85	4,5	3,7	4,6	12,8	8,64	16,0
								23,55	75	1776,3
4	2,85	4,5	5,7	7,1	17,3	10,9	31,1
								40,85	40	1634
3	3,85	4,5	7,7	9,6	21,8	13,15	50,6
								62,65	60	3759
2	4,85	4,5	9,7	12,1	26,3	15,4	74,7
								89,0	85	7565
1	5,85	4,5	11,7	14,6	30,8	17,65	103,3
								119,8	50	5995
0,5	6,85	4,5	13,7	17,1	35,3	19,9	136,3
								119,8	50	5995
1	5,85	4,5	11,7	14,6	30,8	17,65	103,3
								89,0	100	8900
2	4,85	4,5	9,7	12,1	26,3	15,4	74,7
								62,65	70	4385,5
3	3,85	4,5	7,7	9,6	21,8	13,15	50,6
								40,85	65	2655,3
4	2,85	4,5	5,7	7,1	17,3	10,9	31,1
								23,55	100	2355
5	1,85	4,5	3,7	4,6	12,8	8,64	16,0
								10,72	75	804
6	0,85	4,5	1,7	2,1	8,3	6,4	5,44
								1,6	28	44,8
6,85	0,2	4,5	0,4	0,5	5,4	4,95	0,99	итого	908	46774,5



1.13 Построение плана плотины

Чертеж плана плотины (рис. 5) используется для разбивки плотины на местности. Вертикальный масштаб плана определяется наибольшей длиной плотины, а горизонтальный - ее шириной. При курсовом проектировании рекомендуется принимать такой масштаб, чтобы план разместился па листе формата А4. В нашем случае принимаем масштаб вертикальный - 1:4000, горизонтальный - 1:500. Первый из них соответствует масштабу продольного профиля (рис. 4). На расстоянии около 9 см от правого края листа проводится вертикально пунктирная линия, которая соответствует продольной оси плотины. Отступив на 5 см от нижнего края листа, на оси плотины отмечается начало, а с учетом длины плотины и масштаба 1:4000 - конец плотины. Используя принятую ширину гребня плотины и горизонтальный масштаб 1:500, симметрично осевой линии оконтуривается гребень плотины. Продвигаясь от начала плотины к концу, вправо и влево от контура гребня плотины проводятся горизонтальные линии.

Расстояние между ними соответствует расстоянию между горизонталями на местности (плане парка), которые определены при построении продольного профиля плотины (рис. 4, 2-я строка, а также табл. 1.4, графа 10).

На проведенных горизонтальных линиях с учетом горизонтального масштаба откладываются влево от гребня заложения низовых откосов, а вправо - заложения верховых откосов (табл. 1.4, графа 4 и 5).

Полученные точки соединяются между собой, образуя внешний контур плотины. Против каждого наложения откосов указывается его величина в метрах. На плане отмечается пространственное размещение зеркала пруда при НПУ, коэффициенты заложения откосов, ширина гребня плотины и ее длина. Чтобы показать, что полученная фигура представляет собой насыпь, а не выемку, от бровок гребня перпендикулярно оси плотины проводят чередующиеся короткие и длинные штрихи. Внизу плана указывается номер рисунка, его наименование и масштабы.

1.14 Устройство и гидравлический расчет водосброса

Водосбросы, являющиеся водопропускными сооружениями, предназначены для пропуска из водохранилища (пруда) в нижний бьеф паводковых расходов при заданных расчетных уровнях воды в верхнем бьефе (пруду).

По расположению в узле сооружений водосбросы подразделяют в основном на две группы: а) водосбросы береговые (вне тела плотины); б) водосбросы в теле плотины.

По конструктивному оформлению водосбросы имеют много разновидностей: береговые открытые, траншейные, шахтные, туннельные, трубчатые, сифонные и др.

Береговые водосбросы выполняют в виде открытых водосбросных каналов, туннелей и различных сочетаний водослива с каналом, шахтой и туннелем. Водосбросной тракт их в направлении потока имеет значительную длину. Береговые открытые водосбросы устраивают на гидроузлах как с фунтовыми, так и с арочными и контрфорсными бетонными глухими плотинами. Применяют их при расходах от 500 до 12000 м³/с.

В садово-парковых объектах расчетные расходы составляют небольшую величину. Кроме того, под береговой открытый водосброс необходимо отчуждение определенной территории, что нецелесообразно с точки зрения рационального использования площади садово-парковых объектов. В связи с этим в нашем парке следует предусмотреть устройство трубчатого водосброса башенного типа (рис. 6).

Трубчатые водосбросы устраивают в теле грунтовых плотин в основном небольшой высоты и значительно реже в плотинах высотой до 60-80 м. В состав трубчатого водосброса входят: а) головная часть в виде башни; б) донная труба, укладываемая на грунт основания; в) выходной оголовок с устройствами для гашения энергии потока в виде водобойного колодца, трамплина или гасителя другого типа.

Параметры водосброса устанавливаются гидравлическим расчетом. Сначала определяется расчетный расход воды с водосборной площади (водосбора) пруда по модулю стока и величине водосбора.

Рис. 6. Водопропускные сооружения: 1 - плотина; 2 - входная воронка водосброса; 3 - переходный участок; 4 - колено; 5 - водоспуск, совмещенный с водосбросом

На территории Беларуси наиболее объемным стоком является весенний. При значительной водосборной плошали и малой емкости пруда вода, поступающая в пруд в период снеготаяния, может превысить ФПУ и при переливе воды через гребень плотины произойдет ее разрушение. Поэтому водосброс рассчитывается на максимальный весенний сток 1%-ной обеспеченности. Приведенные в табл. 1.5 значения модуля стока соответствуют водосбору в 150 км2.

Для определения модуля стока конкретного водосбора (водосбора пруда) вычисляется коэффициент редукции К по формуле

(1.13)

где F - площадь водосбора, км².

Площадь водосбора пруда - это территория, с которой в пруд стекает вода поверхностным и подземным стоком. Она отграничивается от остальной территории водораздельной линией (водоразделом). Водораздельная линия проводится на плане парка путем соединения точек с наибольшими отметками. С западной стороны пруда водораздельная линия проходит по гребню плотины. С северной и южной сторон она будет соответствовать наивысшим отметкам возвышенностей, окаймляющих долину (пруд) соответственно с севера и юга, а с восточной - границей парка. После проведения водораздельной линии площадь водосбора пруда определяется геометрическим способом или палеткой.

Таблица 1.5 Значения модуля стока q, м³ /скм², различной обеспеченности для района расположения г. Минска

Вид стока	Обеспеченность,
	0,1	1	2	5	10	20	50
Максимальный весенний	0,621	0,435	0,378	0,300	0,243	0,183	0,099
Летне-осенний	0,128	0,090	0,078	0,062	0,050	0,038	0,020

Примечание. Для вычисления указанных значений использованы нормы стока по Лубяко (Блинцов, Ипатьев, 1980, с. 102), коэффициенты вариации максимальных расходов талых вод и переходные коэффициенты (Будыко, Блинцов, 1967. рис. 24, прил. 9)

Следует учесть, что при строгом подходе при проектировании водосбор пруда необходимо определять по топографической карте с учетом прилегающей территории, с которой также может наблюдаться поверхностный и подземный сток в пруд.

Площадь водосбора пруда оказалась равной 0,599 км². По формуле (1.13) определяем коэффициент редукции

Для нашего объема модуль максимального весеннего стока будет равен произведению значения данного стока, приведенного в табл. 1.5 (0,435 м³ /скм²), на коэффициент редукции

(1.14)

где -- расчетный модуль стока, м³/скм² ; q_T - табличное значение модуля стока для водосбора в 150 км².

Определяем расчетный расход воды Q_р, м³/с, с водосборной площади пруда по формуле

(1.15)

Последующим гидравлическим расчетом устанавливаются параметры водосброса. Приемной частью водосброса башенного типа является кольцевой водослив в виде воронки. Гидравлическим расчетом необходимо определить радиус входной воронки и диаметр вертикального конического переходного участка.

Радиус входной воронки R определяется по формуле

(1.16)

где - расчетный расход воды, м³/с; т - коэффициент расхода кольцевого водослива (принимается равным 0,45); g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²; Н₀ - общий напор на водосливе, м, определяемый по формуле

(1.17)



т. е. общий напор равен сумме напора на кромке входной воронки H, м, и скоростного напора ,где - скорость подхода воды к воронке, м/с.

В нашем пруду сливная призма (превышение ФПУ над НПУ) равна 0,5 м. Поэтому величину напора на кромке входной воронки можно принять равной половинному значению сливной призмы, т. е. H=0,25 м.

Предварительно принимаем значение радиуса входной воронки R= 0,5 м. Живое сечение на подходе к входной воронке , м², определяется по формуле

(1.18)

где равно длине окружности входной воронки при R =0,5 м. Скорость подхода потока к воронке , м/с определяется по формуле

(1.19)

По формуле (1.17) определяем общий напор

По формуле (1.16) определяем радиус входной воронки:

Данное значение радиуса входной воронки проверяется на неподтопляемость. Согласно условию неподтопляемости, радиус воронки должен быть больше общего напора на кромке воронки, увеличенному в 2,2 раза, т. е. R> 2,2Но, в нашем случае при H₀ = 0,34 м R = 0,75 м. Поскольку данное значение радиуса больше значения, вычисленного по формуле (1.16) (0,4 м), принимаем большее из них, т. е. R=0,75 м.

Вертикальный переходный участок от воронки к горизонтальной части водосброса имеет коническое сечение, так как с увеличением высоты падения потока скорость возрастает. Расчетом необходимо определить диаметр перех...