1123

2

УДК630*385

Гидротехнические сооружения в лесном деле[Текст]: методические указания к выполнению практических занятий для студентов по направлению подготовки 250100 – лесное дело (квалификация (степень) магистр)/ П.Ф. Андрющенко, Т.А. Малинина, Т.П.Деденко: М-во образования и науки РФ, ФБГОУ ВПО «ВГЛТА» .-

Воронеж. 2014 . - 19 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФБГОУ ВПО «ВГЛТА»

Методические указания составлены в соответствии с Федеральным Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 250100 – лесное дело (квалификация (степень) магистр), утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ 1.12.2011г., регистрационный № 128 и учебным планом управления, утвержденным ректором ВГЛТА

2013г.

3

Введение

В жизни и хозяйственной деятельности человека вода имеет исключительно большое значение. Вода используется в самых разнообразных целях: повышение продуктивности лесных насаждений и сельскохозяйственных земель, получения энергии, водоснабжении, судоходства, гидромелиорации ландшафта.

Строительство гидротехнических сооружений имеет давнюю историю. Первая каменная плотина, о которой дошли до нас сведения, была построена в Египте за 4000 лет до н.э. Во многих городах древнего мирасуществовали водопроводы.

Водяные мельницы на Руси описываются в памятниках письменности XII века. Гидротехнические сооружения в окрестностях Петербурга, созданные в XVIII веке русскими гидротехниками, выдержали испытание веков. Каналы, многие плотины, простояв столетия, продолжают действовать и в настоящее время. В Х1Х веке, в частности, в 1841-1843 годах были впервые осуществлены работы по осушению лесных заболоченных земель в Лисинской лесной даче Петербургского лесного института, где в настоящее время произрастает сосново-еловый древостой 1-П класса бонитета. В дальнейшем этот опыт нашел широкое применение в системе лесного хозяйства.

Подготовленное методическое указание к выполнению практических занятий для студентов изучающих курс гидротехнические сооружения в лесном деле будет способствовать углубленному пониманию вопросов связанных с определением основных характеристик стока, максимальных расходов стока при наличии материалов наблюдений и их отсутствии, критических и сопряженных глубин водного потока, что положено в основу проектирования и расчета гидротехнических сооружений: быстротока, одноступенчатого и многоступенчатого перепада, сооружения в виде водопропускной трубы с шахтным колодцем или трубчатого водовыпуска, фонтана, а такжелесныхгидромелиоративныхосушительных и оросительныхсооружений.

1. Форма исодержаниепрактических занятий

Рекомендуется выполнять после изучения и проработки лекционного материала, рекомендуемой литературы, методических указаний к выполнению практических занятий, курсовойработы.

В ходе выполнения практических занятий студент должен получить знания и навыки использования методики для определения параметров гидротехнических сооруженийдляпроектирования.

2. Цельпрактических занятий

Целью практических занятий изучения дисциплины является теоретическая и практическая подготовка студентов по рациональному использованию водных ресурсов при благоустройстве всех видов территорий в результате проектирования и строительствагидротехнических сооружений.

Для достижения поставленной цели студент должен выполнить следующую работу:

-ознакомиться с общими вопросами организации и производства гидротехнических сооружений при благоустройстве всех видов территорий государственного лесного фонда, лесопарков, парков;

-изучить теоретические вопросы проектирования гидротехнических сооружений: осушение, орошение, фонтаны, перепады, быстротоки, водоемы, каналы, подпорныестенки и т.д.;

-овладеть нормативно-правовым обеспечением в лесном деле гидротехнических систем больших и малых форм, создающих кроме всего, свой микроклимат, влияющих нафенологическиефазы растений и продуктивностьлесных насаждений.

3 Методикавыполнения

3.1 Определениеосновных характеристик стока

Стоком называется движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных породв процессекруговоротаее в природе.

1.Расход Q – объем воды протекающей через поперечное сечение водотока

вединицувремени , м3/с.

2.Средний расход Qср. – расход воды водотока за определенный период (сутки, месяц, год ит.д.) , м3/с.

ный интервалвремени (сутки, месяц, год и т.д.) , м3.

Wc = Q t ,

гдеQ – средний расход воды, м3/с; t – времярасчетного периода, с(в сутках t = 86400

с).

4. Модуль стока q – количество воды, стекающей с единицы площади водосборав единицу времени, л/сс1 гаили м3/сс1 км2

q = QF

гдеQ – расход водыв водотоке, л/с; F – величинаводосборной площади, га.

5. Слой стока – hст - количество воды, стекающее с водосбора за определенный интервал времени, равное толщине слоя воды, равномерно распределенной по площади водосбора.

= 1000 hст Wc F

гдеWc - объемстокам3; F – площадьводосбора, м2 .

6. Годовой слой стока (мм/год) по модулю стока можно вычислить по зависимости:

hст = 3154 q,

гдеq – среднегодовой (или средний запериод) модульстока, л/сс1 га.

7.Коэффициент стока – K – отношение величины (объема или слоя) стока

кколичеству выпавших наплощадьводосбораосадков, обусловившихсток:

K = OC

ГдеС– величинастока; О– величинаосадков.

8.Норма стока - средняямноголетняявеличинастока.

6

Задание

Определить основные единицы стока реки Дон, г. Задонск (водомерный пост) за январь2001 г.

S пл. - водосбора150 (F) тыс. км2. Qcр. – составляет 137 м3/с

Определитьосновныехарактеристики стока.

`

3.2 Общие принципы расчета максимальных расходов стока

Максимальные расходы воды малых рек и временных водотоках являются очень важным элементом режима. Определение максимальных расходов необходимо для расчета водосбросных отверстий плотин и запруд, отверстий железнодорожных и шоссейных мостов, труб и многих других гидротехнических сооружений. Прохождение максимальных расходов нередко связано с разрушением ГТС, если расчетная величина максимума и его повторяемость не были определены с достаточной достоверностью при составлении проектов этих сооружений. С другой стороны, преувеличенная расчетная величина максимального расхода значительно удорожает стоимость сооружения. Как правило, стоимость водосбросных сооружений от всего гидротехнического сооружения составляет от 50 до 100 %.

Зачастую данных наблюдений за стоком оказывается недостаточно или они полностью отсутствуют. Поэтому максимальные расходы воды в большинстве случаев определяются не по данным гидрометрических наблюдений, а косвенным путем – по метке высоких вод, реке аналогу или по эмпирическим формулам.

При расчетах ГТС также необходимо решить, какой из максимумов в данном водотоке является расчетным, т.е. наиболее высоким – снеговой, дождевой или смешанный. ГТС рассчитываются на пропуски максимальных расходов определенной обеспеченности.

Обеспеченность расхода (или уровня) показывает вероятность появления или превышения данного расхода и вычисляется в процентах (до 100 %). Например, с вероятностью 100 % можно утверждать, что в непересыхающих водотоках будет постоянно наблюдаться движение воды.

Обеспеченность наглядно характеризуется кривой обеспеченности (рис. 1).

7

Рис. 1 График обеспеченности расхода

3.2.1 Расчет максимальных расходов стока при наличии материалов наблюдений

Вследствие большой изменчивости расходов для построения кривой обеспеченности необходимо иметь достаточно продолжительный ряд наблюдений. Вполне достоверный результат можно получить при наличии ряда наблюдений не менее 30-50 лет. Однако в практике гидрологических расчетов, особенно при проектировании осушения земель в удаленных районах, не всегда есть возможность использовать длительные наблюдения.

Всвязи с этим приходится ограничиваться наблюдениями за 12-15 летний периоды.

Воснову обработки положены методы математической статистики. Расходы

разных лет (Qn) располагают по мере убывания их величины. Определяют среднеарифметическую величину расхода Qср.

Qср = ∑NQn .

Зная среднее значение расхода, вычисляют модульный коэффициент К, который определяется как отношение величины Q расхода каждого из членов ряда к среднему значению Qср.

K = Qn

Qср

По формулам эмпирической частоты определяют обеспеченность Р%

где m – порядковый номер, N – число наблюдений.

Задание.

Река Потудань, ( (F= 583 км2) средние расходы за период 1964-1978 гг. Опреде-

8

лить обеспеченность максимального расхода Qср. - %.

Таблица 2

Пример расчета

3.2.2 Расчет максимальных расходов стока при отсутствии материалов наблюдений

При отсутствии материалов наблюдений для построения теоретической кривой обеспеченности вычисления, производят по формуле

Qр% = (Фр%·Сv + 1) Qср,

где Qр% - расход воды данной обеспеченности

Фр% - отклонение ординат кривой от середины (число Форстера) Сv – коэффициент вариации, равный

Кривая обеспеченности обычно ассиметрична относительно среднего значения. При небольших коэффициентах вариации для снеговых максимумов коэффициент ассиметрии равен Сs = 2 Сv; для дождевых Сs = 4Сv.

Повторяемости (h) (через число лет) любого обеспеченного расхода опреде-

9

ляется при условии Р до 50 %.

n = 100

P%

Задание

Река Потудань, F = 589 км2

Определить обеспеченность максимального расхода Qp %.

4. Определение критической глубины водного потока

При плавно изменяющемся установившемся неравномерном движении полная удельная энергия потока, рассмотренная относительно плоскости, проведенной через наинизшую отметку дна, есть удельная энергия сечения (рис.2 ).

10

Рис. 2 Удельная энергия сечения

Удельная энергия потока Е, как известно, выражается трехчленом уравнения Д. Бернулли

E= Z + P + αV 2

γ2q

Для любой точки M произвольного живого сечения можно написать Р = γh или h = γP .

Удельная энергия в этом случае обозначается через Э и называется удельной энергией сечения

Э = h + αV 2 .

2q

Понятие удельной энергии сечения (Э) не следует смешивать с понятием удельной энергии потока (Е). Удельная энергия потока (Е) определяется для разных живых сечений относительно одной и той же плоскости, проходящей ниже самой низшей точки дна самого нижнего сечения. Эта энергия (Е) уменьшается вниз по течению потока, так как движение жидкости и происходит за счет этой энергии.

Удельная энергия сечения (Э) в разных сечениях определяется относительно разных плоскостей сечения, проходящих через наинизшую точку дна рассматриваемого сечения. Эта энергия (Э) является некоторой частью удельной энергии потока и изменяется иначе, что мы и рассмотрим ниже.

График удельной энергии сечения показывает изменение энергии с глубиной

(h) и изменение скорости (V) и имеет вид параболы (рис. 3).

Исследовав формулу удельной энергии сечения при прямом и обратном ук-