2.5. Расчетно-графическая работа 4. «Исследование зависимости расхода воды от параметров канавы и расчет объема земляных работ по ее сооружению»

Цель работы – Установить параметры канавы, сооружаемой на одном из увалов долины, для отвода от водохранилища поверхностного водотока 5%-ной обеспеченности.

Основные понятия – Значение обеспеченности, на которое рассчитываются гидротехнические сооружения, определяется исходя их степени ответственности последних. Наименее ответственные сооружения (временного типа) рассчитываются для условий максимального стока 10%-ной обеспеченности. С повышением степени ответственности сооружений значение обеспеченности максимального стока, которое для этих сооружений соответствует расчетному расходу воды, сокращается (5; 3; 1; 0,1%). При эксплуатации водохранилища более трех лет минимальная обеспеченность – 5%.

Расчет канав производится исходя из максимальных расходов воды, пропускаемой по ним. Для небольших рек и ручьев максимальные расходы воды отмечаются, как правило, в период дождевых паводков. В соответствии со СНиП 2.01.14-83 максимальные мгновенные расходы воды дождевых паводков, м³/с, при отсутствии рек-аналогов следует определять по редукционной формуле:

,

где q₂₀₀ – модуль максимального мгновенного расхода воды ежегодной вероятностью превышения р = 1%;

n – коэффициент редукции модуля с увеличением площади водосбора;

δ₁, δ₂, δ₃ – коэффициенты, учитывающие долю озер и болот в площади водосбора, а также среднюю высоту отметок местности;

λ_р% – переходный коэффициент от вероятности превышения 1% к другой вероятности превышения.

При расчетах по настоящему заданию значения δ₁, δ₂, δ₃ принимаются равными единице. Канавы рассчитываются на 5% обеспеченность. Усреднено для:

Европейской части РФ: q₂₀₀ = 0,4 м³/с λ_5% = 0,8 n = 0,22

севера Иркутской области: q₂₀₀ = 0,6 м³/с λ_5% = 0,7 n = 0,35

Забайкалья: q₂₀₀ = 0,3 м³/с λ_5% = 0,7 n = 0,45

северо-востока РФ: q₂₀₀ = 0,6 м³/с λ_5% = 0,72 n = 0,30

Урала: q₂₀₀ = 0,5 м³/с λ_5% = 0,7 n = 0,4.

При сооружении земляных плотин долинного типа с перекрытием поверхностного водотока на заполнение создаваемого водоема не должно забираться более 25% расхода этого водотока. На горных работах исходя из величины максимальных расходов чаще используют руслоотводные канавы, сооружаемые по одному из увалов долины. Канава начинается выше водохранилища, огибает плотину на расстоянии не менее 6-8 м от нее с оставлением целика и спускается в тальвег ниже плотины не ближе, чем через 40-60 м от сухого откоса. Ниже плотины канава может быть выполнена как водослив, имеющий водосбросную часть, в т.ч. в виде быстротока, многоступенчатого перепада или пологопадающего канала.

Живое сечение канавы (канала) рассчитывается исходя из максимальных паводковых расходов (например, по методу Д.Л. Соколовского) или исходя из расхода, соответствующего определенной обеспеченности стока. Параметры канала определяются в основном составом окружающих пород и должны исключать возможность размыва и заиливания, то есть скорость течения воды в канале υ должна находиться в пределах

υ_р > υ > υ_з,

где υ_р – скорость течения воды в канале, при которой начинается размыв окружающих пород, м/с;

υ_з – скорость заиливания (или зарастания для южных районов страны), м/с.

Неразмывающая скорость течения определяется по приведенным в специальной литературе таблицам [10, 12, 17], либо по расчетным формулам, например

,

где h – глубина канала, м;

d_ср – средневзвешенный размер частиц окружающих пород, м;

,

где d_{1, 2….i} – средний диаметр установленных фракций горных пород (по результатам ситового анализа), м;

р_{1, 2….i} – процентное содержание пород данной фракции, %.

Скорость заиливания может быть вычислена из выражения

,

где α – коэффициент, характеризующий крупность наносов [12]:

для песчано-илистых наносов (d_н > 0,1 мм) α = 0,6-0,7

для илисто-глинистых (d_н = 0,01-0,1 мм) α = 0,4-0,6

для глинистых наносов (d_н < 0,01 мм) α = 0,35.

Основным расчетным уравнением равномерного движения водотока является формула Шези

,

где Q – расход воды, м³/с;

ω – площадь живого сечения, м²;

R – гидравлический радиус, м;

C – коэффициент Шези;

i – уклон дна канала.

Для расчета коэффициента Шези С используются различные формулы, из которых наиболее распространена формула Н.Н. Павловского

,

где n – коэффициент шероховатости стенок канала;

у – показатель степени (может быть принят равным 1/6).

Гидравлический радиус определяется из выражения

,

где χ – смоченный периметр канавы, м.

После определения площади живого сечения канавы (канала) устанавливаются его основные параметры: ширина и глубина, заложение откосов, запас глубины, величины берм со стороны увала и долины, радиусы закругления [3, 12, 17]. Исходя из поперечного профиля канавы и ее длины, определяется объем земляных работ по ее сооружению, выбираются тип и количество горного оборудования на ее проходку.

Порядок выполнения работы

Перед началом расчета канавы устанавливается расчетный расход воды, соответствующий 5%-ной обеспеченности стока (см. выше).

Первоначально исходя из заданного расхода воды, устанавливается гидравлически наивыгоднейший профиль канавы трапециевидного сечения. При вычислении задаются несколькими значениями возможной глубины водного потока h и вычисляют ширину канавы по дну b для условий гидравлически наивыгоднейшего сечения

,

где m – коэффициент заложения откосов канавы; величина m (см. приложение, задание 3) в соответствии с рекомендуемыми значениями [3, 12, 17].

Исходя из установленных габаритов канавы, вычисляются площадь живого сечения потока

,

величина смоченного периметра

,

гидравлический радиус и коэффициент Шези .

Коэффициент шероховатости принимается исходя из заданного состава пород по формулам или таблицам, приведенным в [3, 12, 17].

Уклон дна канавы выбирается из условия обеспечения неразмывающей скорости течения (υ_р > υ > υ_з). Для сокращения объема земляных работ υ рекомендуется принимать как можно ближе к υ_р, что позволит уменьшить поперечное сечение канавы и ее длину (за счет увеличения i). Таким образом, уклон может быть рассчитан из выражения

.

После этого по формуле Шези вычисляется расход воды по канаве. Для удобства вычислений результаты расчетов рекомендуется заносить в табл. 2.10.

Таблица 2.10

h	b				C	i	Q

На основании результатов расчетов строится график зависимости Q = f(h), по которому устанавливается необходимая глубина водного потока для пропуска заданного расхода воды. После этого, исходя из типа и параметров предложенного оборудования, а также рельефа местности, обосновывается возможность сооружения канавы с установленными параметрами. В противном случае, если какой-либо из параметров канавы не соответствует возможностям предложенного горного оборудования, ширина канавы по дну или ее глубина устанавливаются исходя из размеров рабочего органа горных машин, требований техники безопасности или других факторов (канава практического профиля). При этом второй основной размер поперечного сечения канавы первоначально принимается ориентировочно, для чего в таблице (аналогичной приведенной выше) второму параметру канавы (b или h) задается несколько приемлемых значений. Основные параметры канавы

;

;

,

По результатам расчетов Q = f(ω, С, R, i) строится график Q = f(h), устанавливается необходимая глубина потока в канаве и все другие ее параметры (b, ω).

Длина канавы для обоих случаев (в первом случае для гидравлически наивыгоднейшего сечения) устанавливается исходя из величины найденного уклона i. Трассы канав проводятся на плане местности, начиная от створа плотины вверх и вниз по долине, с учетом сохранения целика между плотиной и канавой не менее 5 м. Трассы канав должны пересекать горизонтали через расстояние (где ΔН – вертикальное расстояние между соседними горизонталями, м). При этом следует учитывать, что при необходимости уклон канавы может быть уменьшен с соответствующим увеличением ее сечения или увеличен с укреплением смоченного периметра (например, отмосткой крупнообломочным материалом).

Трасса канавы разбивается на участки, имеющие равные уклоны дна i, или равные поперечные уклоны увала долины – β. Для расчетов по заданию 4 рекомендуется трассу канавы разбивать на 3 участка.

Объем земляных работ по сооружению канавы

,

где ω_кр – площадь поперечного сечения канавы на р-ом участке, м²;

l_р – длина р-го участка, м.

Площади поперечного сечения канавы на различных ее участках определяются с учетом предложенного рельефа местности и величины поперечного уклона увалов долины. Для этого строится три поперечных профиля выделенных участков одного из увалов долины. На профилях увалов указывается местоположение канавы, и с учетом найденного живого сечения потока, а также рекомендаций, приведенных в специальной литературе [3, 12, 17], выполняется профиль канавы. После этого графо-аналитическим методом определяется площадь поперечного сечения канавы с учетом уклона увала и величины предохранительных берм.

Глубина канавы устанавливается из выражения:

,

где а – запас глубины, зависящий от расхода воды и извилистости трассы. Для относительно прямолинейных участков трассы запас глубины:

при Q < 1 м³ а = 0,25 м

при 1 < Q < 5 м³/с а = 0,3 м

при Q > 5 м³/с а = 0,35 м.

Площадь сечения канавы с учетом заоткоски без оставления бермы для сбора осыпающегося грунта:

.

В заключение производится сравнение объемов работ по сооружению канав с гидравлически наивыгоднейшим сечением и практического профиля и делаются соответствующие выводы.

Для облегчения вычислений и анализа большого количества вариантов проходки канавы рекомендуется производить расчеты с использованием ПЭВМ.