3.2 Проектирование систем водопадов, порогов, каскадов

Водопад – это специальное гидротехническое сооружение, представляющее собой поток воды, ниспадающий с высоты в несколько метров. Лучший эстетический эффект достигается за счет формы водопада, когда ширина больше глубины потока.

Конструктивно водопад представляет собой вертикальный бетонный перепад высотой не менее 2 м с ограничивающими боковыми стенками. Вода, низвергаясь в пределах перепада, попадает в водобойный колодец, где происходит гашение энергии потока. Из водобойного колодца поток поступает на каскады или пороги.

Каскады устраиваются по принципу перепадов. В отличие от открытых русел гидротехнических сооружений (каналов), где обычно устраиваются перепады при значительных уклонах отдельных участков, в садово-парковых объектах данные гидротехнические сооружения устраиваются для создания эстетического эффекта. Если для гашения энергии потока в руслах каналов бывает достаточно устройства одноступенчатого перепада со ступенью высотой 2 м, то в садово-парковых объектах с эстетической точки зрения в данном случае лучше устроить, например, четырехступенчатый каскад.

Следовательно, каскад в садово-парковых объектах – это многоступенчатый перепад, устраиваемый при значительных уклонах местности. Транзитная часть каскада выполняется в виде ряда ступеней из одинаковых или разных по размерам элементов, образованных продольными (боковыми) и поперечными стенками. Длину каждой ступени принимают не менее двух высот перепада уровней на ней. При устройстве каскадов целесообразно высоту перепада уровней на соседних ступенях принимать не меньше 0,5 м.

Пороги в садово-парковых объектах устраивают по принципу быстротоков. Быстроток представляет собой облицованный лотковый канал постоянной или переменной ширины с вертикальными откосными стенками. Уклон обусловливает бурный или сверхбурный режим движения потока, а помещенные на днище канала в хаотическом порядке крупные камни придают потоку порожистый характер.

В зависимости от рельефа одна трасса потока может включать разное сочетание указанных водных устройств, образуя единую систему. В начале данной системы могут располагаться пороги, переходящие в водопад и потом в каскад. Или же начало системы может быть представлено каскадом, за которым следует водопад и пороги. Возможно и другое сочетание водных устройств.

К устройству систем предъявляются разные требования в зависимости от планировки садово-паркового объекта. При регулярной планировке система водных устройств является главенствующим элементом композиции, подчиняющим себе решение окружающего пространства. При пейзажной планировке система водных устройств должна выглядеть естественно и вписываться в пейзаж. Для этого необходимо живописно изрезать берега, свободно бессистемно расположить камни и валуны, разместить деревья и кустарники и подвести дорожки с грунтовым или песчано-гравийным верхним покрытием. При регулярной планировке систему оборудуют малыми архитектурными формами с применением добротных обработанных материалов: гранита, мрамора, плитняка, туфа разных окрасок и т.п.

В начале системы устраивается водоприемная камера, представляющая собой бетонный колодец. Водоприемная камера служит для накопления определенного объема воды, который при заданной ширине водослива обеспечивал бы постоянный напор. В садово-парковых объектах целесообразно воду, использованную фонтаном, направлять для обеспечения работы системы. При этом вода из чаши фонтана по закрытому трубопроводу подается к водоприемной камере. Как правило, расход воды системой превышает расход фонтана. В связи с этим недостающее количество воды требуется подавать через дополнительный трубопровод, который прокладывается, например, от водонапорной башни до водоприемной камеры системы. Из водоприемной камеры вода поступает на начало системы, которое представляет собой водослив с широким порогом.

Расход воды одной системой (Q, м³/с) через водослив с широким порогом определяется по формуле:

Q = mbH ,

где m – коэффициент расхода водослива с широким порогом (0,35); b – ширина порога водослива (из задания 1,1), м; Н – напор на водосливе (0,2), м.

Таким образом, расход воды для двух систем будет одинаковым и составит 0,15 м³/с (0,35 ∙ 1,1 ∙ 0,2 √(2 ∙ 9,81 ∙0,2)).

Для определения диаметра трубопровода, подающего воду от водонапорной башни к первой системе, определяется расход данного трубопровода (Q_т, м³/с).

Q_т = Q_с – Q_ф = 0,15 – 0,05= 0,1 м³/с,

где Q_с – расход системы, м³/с; Q_ф – расход фонтана, м³/с.

Последующие вычисления выполняются аналогично определению диаметра трубопровода, питающего фонтан. Общий напор в трубопроводе (Н, м) будет равен разности относительных отметок уровня воды в водонапорной башне (Н_уб, м) и начала первой системы (Н_с, м), т.е. Н = Н_уб – Н_с = 14,5 – 3,5 = 11,0 м. Длина трубопровода ℓ, измеренная по плану парка между водонапорной башней и системой, составит 295 м.

Согласно уравнению Д. Бернулли в напорных системах общий напор расходуется на преодоление сопротивлений (h_дл + h_м, м) и при свободном истечении – на образование скоростного напора (h₀, м), т.е. Н = h_дл + h_м + h₀. Для определения скоростного напора можно использовать значения предельных скоростей, которые обусловлены экономическими соображениями и зависят от материала труб и расхода. В стальных трубопроводах при расходах от 2 до 3000 л/с предельная скорость потока (v_пр, м/с) составляет 1,0–1,7 м/с. Приняв конкретную величину предельной скорости, вычисляем скоростной напор по формуле:

h₀ = v² / 2g = (1,5)² / 2 · 9,81 = 0,11 м.

Принятый нами скоростной напор h₀ =0,11 м. Используя выше указанную формулу, определяем сумму потерь напора по длине и потерь напора за счет местных сопротивлений (h_дл + h_м = Н – h₀ = 11,0 м – 0,11 м = 10,89м). Местные потери h_м составляют 5–10% от суммы потерь напора (h_дл + h_м). Примем эту величину, равной 10%, что составит 1,1 м, а потери напора на преодоление сопротивлений по длине составят 9,79 м (10,89 м – 1,1 м).

А = h_дл / lQ² = 9,79 / (295м · (0,1)²) = 3,33 с²/м⁶

Необходимо определить диаметр трубы фонтана исходя из формулы определения удельного сопротивления:

А = 8 λ / g π² d⁵,

d = ⁵√8 λ / А g π² = ⁵√8 · 0,025 / (3,33 · 9,81 · (3,14)²) =0,228 м.

где λ – коэффициент сопротивления по длине (λ = 0,025); g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²); А – удельное сопротивление, с²/м⁶.

Диаметр трубы первой системы будет равен 0,228 м = 228 мм. Учитывая стандарты труб, принимаю диаметр трубопровода 250 мм.