МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ»

Кафедра гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики

Курсовая работа

по дисциплине: «Мелиорация водосборов»

Выполнил: Соболев А.В.

Группа: КВ-4,5

Проверил: Ладенко С.Ю.

Санкт – Петербург

2012 год.

Содержание:

1. Проектирование горизонтальной осушительной системы.

1. Цель работы:

Выполнить отвод поверхностного стока с осушаемой территории. Произвести выбор и обоснование элементов закрытой осушительной системы для осушения строительной площадки.

1.2 Задачи:

1. Произвести гидравлический расчет нагорного канала для отвода поверхностного стока.

2. Выполнить компоновку закрытой осушительной системы.

3. Выполнить гидравлический расчет дрен и коллекторов.

4. Обосновать выбор элементов дренажной системы.

1.3 Исходные данные:

Строительная площадка размером LxB 900х400 м находится на территории Ленинградской области. Грунты основания – пески средней крупности с коэффициентом фильтрации k=9.3 м/сут., на глубине 3,9 м подстилаемые тяжелыми глинами, служащими водоупором.

Глубина фундамента проектируемой постройки h_ф=2,3 м определяет необходимое понижение уровня подземных вод (норму осушения) h_но= 2,5 м.

На площадку поступают поверхностные воды с вышерасположенной территории, площадь водосбора которой 335 га.

1.4. Общие сведения об осушительной системе.

Цель осушительных мелиорации - регулирование водного режима земель, испытывающих постоянное или периодическое переувлажнение в связи с застоем воды на поверхности или высокого уровня подземных вод, препятствующее эффективному использованию земель. Осушение заключается в недопущении поступления или в обеспечении своевременного отвода избыточной воды из расчетного слоя почвы и грунта, позволяющее регулировать водный и связанные с ним воздушный, тепловой и питательный режимы.

Осушительная система — это комплекс природных, хозяй­ственных и инженерно-технических элементов, предназначенный для регулирования водного режима на переувлажненных землях.

Осушительная система состоит из регулирующей, проводящей, ограждающей сети; дорог; гидротехнических сооружений; природоохранных сооружений и устройств; средств связи, контроля и управления; производственных и жилых зданий и построек службы эксплуатации.

Принципиальная схема осушительной системы приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема осушительной системы

1 – ловчая или нагорная канава (ограждающая сеть); 2 – дрены или осушительные канавы (регулирующая сеть); 3 – коллектор или сборный канал (проводящая сеть); 4 – водоприемник

Проектирование осушительной системы начинается с трассировки ограждающей сети для исключения возможности поступления вод извне на осушаемую территорию.

Для перехвата грунтовых вод применяют ловчие каналы, головные и береговые дренажи или ряд ограждающих вертикальных скважин.

Для перехвата поверхностных вод устраивают нагорные каналы (канавы). Поверхностный сток формируется обычно как атмосферными осадками, так и водами, поступающими извне по склонам сложившейся выше сети естественных водотоков. Задачей организации отвода поверхностного стока является исключение возможности поступления поверхностных вод извне и создание сети на самой территории, обеспечивающей сбор и сброс поверхностных вод в водоприемник. Нагорные каналы располагают обычно вдоль границы защищаемой территории с нагорной стороны, или по «верхним» границам с выводом в проводящие каналы или непосредственно в водоприемник.

Верховой откос и часть прилегающей территории засеваются травами для защиты от размыва, между распаханным водосбором и каналом практикуется посадка кустарника. Грунт, вынимаемый из канала, укладывают в кавальер с низовой его стороны, что защищает осушаемую территорию от затопления при переполнении канала.

Основные принципы трассировки нагорного канала состоит в следующем - нагорный канал должен проходить вдоль границы защищаемой территории в выемке или полувыемке по границе территории с нагорной стороны (рис.2)

Рис. 2. Схема осушения территории

1 – осушаемая территория; 2 – нагорная канава; 3 –устье

Регулирующая сеть принимает избыточные поверхностные и грунтовые воды и отводит их в проводящую сеть. Выбор регулирующей сети зависит от метода осушения. Регулирующая сеть может быть открытой (каналы) и закрытой (дрены).

При проектировании сети необходимо учитывать, что скорость течения воды по пути следования от регулирующей дрены через коллек­торы и устье к водоприемнику не должна снижаться. Чтобы не допустить отложения наносов, поступивших в дрену и обеспечить их транспортирование в водоприемник уклоны на протяжении всего пути не должны уменьшаться.

Проводящая сеть предназначена для приема воды, поступающей из регулирующей сети. Она может состоять из магистрального канала, закрытых и открытых коллекторов. Расположение в плане элементов проводящей сети зависит от рельефа местности, метода осушения, использования территории.

Коллекторы рекомендуется располагать вдоль проездов и дорог на расстоянии между ними до 400 м, считая, что длина дрены не будет превосходить 200 м. Длина коллектора - от 300 м до 800 м, в отдельных случаях до 1000 м. Коллекторы зачастую выполняются из перфорированных труб, тогда они кроме основной своей функции - проводящей, выполняют также роль осушителей.

1.5 Расчетно-пояснительная записка.

Проектирование осушительной системы строительной площадки начинаем с гидравлического расчета нагорного канала. Выполняется в следующей последовательности:

1. Определение расхода канала:

Q_к=qF_k, м³/с;

где F_к - площадь водосбора участка канала, га;

q - модуль поверхностного стока периода весеннего снеготаяния.

q = 0,006 м³/с∙га.

Q_к=0,006∙335=2,01 м³/с

2. Определение глубины канала:

Учитывая объем стока и геологическое строение строительной площадки (пески средней крупности), назначаем стандартные размеры канала с трапецеидальной формой поперечного сечения: ширина по дну h_к =1,5 м, заложение откосов m= 1:2. Высота бровки над расчетным уровнем воды принимается по табл.12 приложения 2 [1]: h_бр=0,3 м.

Определение глубины канала выполняем методом подбора.

• задаемся глубиной в канале - h_i = 0,2 м;

• определяем площадь живого сечения канала по формуле:

- находим величину смоченного периметра по формуле:

- определяем гидравлический радиус, как отношение:

;

- определяем модуль расхода при глубине h_i:

; м³/с.

Коэффициент шероховатости определяем по табл.3 приложения 2 [1] для одернованного русла канала n=0,035, так как крепление откосов канала проектируем посевом трав по откосам.

Все вычисления сводим в таблицу 1.

Таблица 1

Определение площади поперечного сечения канала

Глубина наполнения, h, м	Площадь поперечного сечения, ω м2	Смоченный периметр χ, м	Гидравлический радиус, R, м	Модуль расхода, К м3/с
0,2	0,38	2,40	0,159	3,18
0,4	0,92	3,29	0,279	11,24
0,6	1,62	4,19	0,387	24,57
0,8	2,48	5,08	0,488	43,91
1	3,5	5,98	0,585	69,97
1,2	4,68	6,88	0,681	103,46
1,4	6,02	7,77	0,775	145,07

По полученным значениям табл. 1 строим график зависимости модуля расхода от глубины в канале (рис. 3).

Рис. 3. График зависимости модуля расхода от глубины в канале.

3. Определение скорости течения воды в канале.

Расчет скоростей выполняем в следующей последовательности:

- задаемся уклоном канала в диапазоне 0,0005 < i < 0,001;

- определим значения модуля расхода по формуле

, м³/с;

для значения i=0,0005 K_к =2,01*√0,0005=91,36 м³/с;

- по графику зависимости модуля расхода от глубины в канале определяем глубину h_к, м;

h_к =1,13 м.

- определяем площадь сечения – ω, м²;

ω_к, =(1,5+2*1,13)*1,13= 4,25 м²

- определяем скорость течения воды в канале – V_к , м/с;

- если полученная скорость течения воды в канале находится в диапазоне

V_нзл < V_к < V_нрз,

расчет прекращаем, если нет, выбираем следующее значение i=0,0006 и повторяем расчет скорости V_к и т.д. до получения значения V_к, удовлетворяющего условиям неразмываемости и незаиляемости.

Определяем значение скорости при уклоне i=0,0005:

; м/с.

V_к =2,01/4,25=0,47 м/с.

Скорость движения воды в канале должна удовлетворять условиям незаиляемости и неразмываемости.

Незаиляющая скорость, в соответствии со СНиП 2.06.03-85 [1]:

V_нзл=0,3R^0,25 м/с

R=0,647 м

V_нзл=0,3*0,647^0,25 =0,27 м/с

Неразмывающая скорость по таблице 4 приложения 2 [1] V_нрз=0,70 м/с при h_к =2,0 м.

Полученная скорость 0,27 м/с лежит в заданном диапазоне 0,26 < V_к < 0,70, принимаем выбранные значения параметров нагорного канала:

- ширина по дну b=1,5 м;

-заложение откосов m=2;

- проектная глубина канала h_к=1,13 м;

- высота бровки h_бр=0,3 м;

- ширина по урезу воды В=2mh_к+b=6,02 м;

- ширина по бровке В_бр=2m(h_к+h_бр)+b=7,22 м.

Крепление нагорного канала – засев трав по откосам.

Рис. 4. Поперечное сечение нагорного канала.

Проектирование схемы компоновки регулирующей сети.

После выполнения расчета нагорного канала приступаем к расчету компоновки регулирующей сети. В практической работе будем проектировать дренаж из асбоцементных труб.

При проектировании закрытого горизонтального дренажа дол­жны быть установлены и обоснованы глубина и уклон их заложе­ния, расстояния между дренами, диаметры труб, длина дрен, со­став и толщина фильтра.

Уклон дрены назначают из условия обеспечения допустимых скоростей воды в ней. Минимальный уклон по условию незаиле­ния принят 0,003.

Длины дрен принимаются в соответствии со СНиП 2.06.03-85 [1], как правило до 200 м, в отдельных случаях до 250 м, в мелкозернистых водонасыщенных песках и илах - не более 150 м.

При определении глубин заложения дрен должны обеспечиваться следующие условия:

- дрены должны обеспечивать проектное понижение уровня грунтовых вод;

- дрены должны располагаться на такой глубине, чтобы не повреждались машинами и механизмами;

- глубину заложения дрен нужно выбирать с учетом типа водного пита­ния, водопроницаемости и механического состава отдельных слоев поч­вы;

- дрены должны быть расположены ниже промерзающего слоя почвы, иначе при замерзании в них воды образуются ледяные пробки, и в весенний период они будут препятствовать работе дренажа.

1. Определение максимальной величины ординаты депрессионной кривой h₁.

h₁ = Н - h_но=3,9-2,5=1,4 м.

где Н - расстояние до водоупора, м;

h_но - норма осушения, м.

2. Определение расстояния между дренами для совершенных дрен, расположенных на водоупоре:

, м

L_др =2*1,4*√(9,3/0,01)=85,4 м.

где k - коэффициент фильтрация грунта, м/сутки;

Р_mах - максимальный слой инфильтрации, м/сут., принимается по таблице 6 приложения 2 [1] для песка, Р_mах =0,005-0,01 м/сут.

Полученные значения расстояний L_др округляем до десятков. Принимаем значение L_др=90 м.

3. Компоновка осушительной сети.

Расположение дрен от верхней границы осушаемого участка и с боковых границ принимается равным половине расстояния между дренами, т.е.

S = Lдр/ 2=90/2=45 м.

Учитывая то, что максимальная длина дрен должна быть не более 200 м, проектируем размещение дрен и коллекторов по территории строительной площадки, учитывая, что нижняя граница осушаемой территории отстоит от уреза воды на расстоянии водоохранной зоны 50 м.

Рис. 5. План компоновки осушительной сети.

1 – нагорный канал; 2,3 – закрытые дрены; 4 – магистральные коллекторы; 5 – устье

4. Определение времени работы дренажа.

Для определения времени, в течение которого уровень грунтовых вод между дренами должен понизиться до расчетного, воспользуемся формулой:

где R=L_др/2 - половина расстояния между дренами, м.;

β- коэффициент водоотдачи осушаемого грунтового массива;

.

β =0,27

T=17.6 сут.

Определение фактических расходов воды в дренах и коллекторах.

1. Определение фактических расходов воды в дренах.

Фактический расход воды в дренах определяем по формуле:

Q_др=Р∙I∙L_др , м³/с;

где I - длина дрены, определяемая по компоновочной схеме, плюс половина расстояния между дренами, м.

I= I_др+0,5 L_др

I=190+0,5∙90=235 м.

Расходы подсчитываем при Р_max и Р_min, тогда:

Q_{др max}= Р_max I L_др ;

Q_{др min}= Р_min I L_др .

Q_{др max}= 0,01∙235∙90=211,5 м³/сут.=0,0024 м³/с.

Q_{др min}= 0,005∙235∙90=105,75 м³/сут.=0,0012 м³/с;

Максимальные расходы требуются для определения размеров труб и для проверки соответствия скорости в трубах при максимальном возможном расходе в половодье неразмывающей скорости. Минимальные расходы в трубах требуются для проверки скорости в трубах при минимальных возможных расходах в половодье на соответствие незаиляющей скорости.

2.Определение фактических расходов воды в коллекторе.

Расход воды в коллекторе подсчитываем по формуле:

Q_кол=n Q_др м³/с;

где n - число дрен, впадающих коллектор (присоединенных к нему, считая от начала).

Для того, чтобы диаметр труб коллектора не был преувеличен и имел достаточное заполнение, коллектор разбиваем на участки и для каждого участка определяем Q_{max кoл} и Q_{min кoл}.

На рис. 5 пред­ставлена разбивка коллектора на два расчетных участка сечениями I-I и II-II. Для 1-го участка расход в магистральном коллекторе определяем для дрен n₁=4.

Q_{max kол I-I}=n₁ Q_{max др}=4∙0,0024=0,0096 м³/с;

Q_{min kол I-I}=n₁ Q_{min др}=4∙0,0012=0,0048 м³/с.

В сечении II-II количество дрен, присоединенных от начала коллектора n₂ =10, тогда:

Q_{max kол II-II}=n₂ Q_{max др}=10∙0,0024=0,024 м³/с;

Q_{min kол II-II}=n₂ Q_{min др}=10∙0,0012=0,012 м³/с.

Гидравлический расчет диаметров и уклонов труб.

Диаметр трубчатой дрены или коллектора определяется по формуле:

, м;

где: - коэффициент шероховатости, для асбестоцементных труб равен 0,013 :

- уклон трубы.

Уклоны дрен увязывают с рельефом местности, от правильно принятого уклона зависит работа дренажной сети.

Уклоны труб с учетом рельефа местности наиболее целесообразны для дрен i=0,003÷0,006, для коллекторов i=0,001÷0,003.

Используя эти рекомендации, выполним расчеты для всех значений уклонов в приведенных выше диапазонах, и затем правильность выбранных уклонов проверим по условию незаиляемости и неразмываемости скорости течения воды в трубах. Для выполнения условия неразмываемости используются максимальные значения расходов и скорости, по ним же определяются диаметры труб. Для проверки условия незаиляемости используются минимальные значения расходов и скоростей в трубах.

Диаметр дрен и коллекторов определим по выше приведенной формуле для максимальных расходов, а затем в соответствии с ГОСТ 1839-80 приведем полученные размеры к ближайшему стандарту:

d =50, 75,100, 125,150, 200, 250, 300, 400 мм.

Для дрен расчет проводится в табл. 2, для коллекторов – в табл. 3.

Таблица 2

Определение размеров дрен (d/d_расч), мм/мм

iдр Qдр max, м3/с	0,003	0,004	0,005	0,006
0,0024	100 / 93	100 / 89	100 / 85	100 / 83

где d – диаметр трубы, принятой по стандарту, мм;

d_расч – диаметр дрены, определяемой по формуле.

Таблица 3

Определение размеров коллекторов (d/d_расч), мм/мм

iкол Qкол , м3/с	0,001		0,002		0,003
Сечение I-I
Qmax кол I-I =0,0096	200 / 194	200/ 170		200 / 158
Сечение II-II
Qmax кол II-II =0,024	300 / 273	250 / 240		250 / 223

где d – диаметр трубы, принятой по стандарту, мм; d_расч – диаметр дрены, определяемой по формуле, мм.

Определение расходов в трубах при разной степени их заполнения водой.

При расчётах диаметров дренажных труб исходят из условия непол­ного заполнения их водой для безнапорного движения, которое определяется следующей зависимо­стью предельных значений:

h = (0,7 -0,9)d;

где: h – глубина воды в дрене или коллекторе;

d – диаметр дрены или коллектора.

Рассчитанные выше фактические расходы Q_{max др}, Q_{max кол} должны соответствовать расходам в трубах в условиях неполного их заполнения, т. е. можно их обозначить Q^НП_{max др}, и Q^НП_{max кол.}

Проверку выбранных диаметров и принятых уклонов проводят по формулам безнапорного движении воды в следующем порядке.

1. Определение расхода воды в трубе (дрене, коллекторе) при полном ее заполнении водой по формуле Шези:

Q_полн=ωС; м³/с

где ω - площадь живого сечения трубы;

С – коэффициент Шези;

R — гидравлический радиус, м

К - модуль расхода:

, м³/с.

К = 24 ∙ 10³ ∙ d^8/3 л/с = 24 ∙ d^8/3 м³/с.

Модуль расхода К для труб можно рассчитать по приведенной формуле или подобрать по табл.7 Приложения 2 [1].

2. Определение коэффициентов неполноты расхода и скорости.

Коэффициент неполноты расхода А и коэффициент неполноты скорости В определяем по формулам:

;

.

Так как ранее мы определили Q_{max min нп} для дрен и коллекторов, то мы сможем определить значения А при разных уклонах. Все вычисления могут быть сведены в таблицы 4, 5 и 6.

Таблица 4

Определение коэффициента неполноты расхода "А" для дрен

iдр	dдр ,мм	К, м3/с	Qдр п м3/с	Qдр нп м3/с		А
				max	min	max	min
0.003	100	0.051	0.0028	0.0024	0.0012	0.86	0.43
0.004	100	0.051	0.0032			0.75	0.38
0.005	100	0.051	0.0036			0.67	0.33
0.006	100	0.051	0.0039			0.62	0.31

Таблица 5

Определение коэффициента неполноты расхода "А" для коллектора для сечения I-I

iкол	dкол ,мм	К, м3/с	Qкол п ,м3/с	Qкол нп ,м3/с		А
				max	min	max	min
0.001	200	0.328	0.01	0.0096	0.0048	0.96	0.48
0.002	200	0.328	0.015			0.64	0.32
0.003	200	0.328	0.018			0.53	0.27

Таблица 6

Определение коэффициента неполноты расхода "А" для коллектора для сечения II-II

iкол	dкол ,мм	К, м3/с	Qкол п ,м3/с	Qкол нп ,м3/с		А
				max	min	max	min
0.001	300	0.955	0.03	0.024	0.012	0.8	0.5
0.002	250	0.6	0.027			0.89	0.44
0.003	250	0.6	0.033			0.73	0.36

Зная значения "А", можно получить значения коэффициентов неполноты скоростей "В" и отношения h/d по таблице 8 и графику на рисунке 1 приложения 2 [1].

Определение скоростей течения воды в дренах и коллекторе при безнапорном движении.

Расходам при неполном заполнении труб соответствуют скорости — , расходам при полном заполнении труб — .

;

=В.

Все вычисления скоростей сведены в таблицы 7,8 и 9.

Рис.6. График изменения коэффициентов А и В при разном заполнении трубы.

Таблица 7

Определение скоростей течения в дренах

iдр	dдр ,мм	Q, м3/с	V, м/с	А		B		h/d		V, м/с
				max	min	max	min	max	min	max	min
0.003	100	0.0028	0.36	0.86	0.43	1.15	1.04	0.7	0.47	0,41	0,37
0.004	100	0.0032	0.41	0.75	0.38	1.13	0.99	0.64	0.44	0,46	0,41
0.005	100	0.0036	0.46	0.67	0.33	1.1	0.96	0.6	0.42	0,51	0,44
0.006	100	0.0039	0.5	0.62	0.31	1.09	0.95	0.57	0.4	0,55	0,48

Таблица 8

Определение скоростей течения в коллекторе для сечения I-I

iкол	dкол ,мм	Q, м3/с	V, м/с	А			B		h/d		V, м/с
				max	min		max	min	max	min	max	min
0,001	200	0,01	0,32	0.96	0.48	1,17		1,03	0,76	0,47	0,37	0,33
0,002	200	0,015	0,48	0.64	0.32	1,08		0,94	0,59	0,41	0,52	0,45
0,003	200	0,018	0,57	0.53	0.27	1,06		0,89	0,52	0,37	0,60	0,51

Таблица 9

Определение скоростей течения в коллекторе для сечения II-II

iкол	dкол ,мм	Q, м3/с	V, м/с	А		B		h/d		V, м/с
				max	min	max	min	max	min	max	min
0,001	300	0,03	0,42	0.8	0.5	1,14	1,05	0,67	0,5	0,48	0,44
0,002	250	0,027	0,55	0.89	0.44	1,16	1,02	0,72	0,47	0,64	0,56
0,003	250	0,033	0,67	0.73	0.36	1,12	0,97	0,62	0,44	0,75	0,65

Анализ полученных результатов и окончательный выбор диаметров дрен и коллекторов.

1. Полученные скорости течения воды в дренах и коллекторе должны удовлетворять условию незаиления движения воды в трубе и размыва стыков:

V_нзл < V_{max, min} < V_нрз;

где V_нзл - предельно-допустимая скорость незаиления в трубе;

V_нрз, - предельно-допустимая неразмывающая скорость.

Скорость движения воды в трубах должна быть больше минимальной скорости незаиления и меньше максимальной неразмывающей скорости, т.е. находится в пределах [2]:

0,3 < V_{max, min} < 1,0.

В нашем примере это условие выполняется во всех случаях.

2. Для канализационных труб (коллекторов) степень наполнения h/d при максимальных проектируемых расходах обычно принимают в диапазоне h/d=0,50÷0,75. Для дренажных труб степень наполнения h/d может быть h/d=1 [1].

Однако, учитывая возможность заиления и заохривания труб, обычно принимают степень заполнения дренажных труб с запасом в диапазоне h/d=0,70÷ 0,90.

В нашем случае все рассчитанные значения степени заполнения труб дрен и коллекторов соответствуют допустимым пределам.

3. Скорости течения воды по пути следования от дрен к коллектору и далее к водоприемнику не должны уменьшаться для исключения возможности выпадения наносов.

4. При окончательном выборе следует отдать предпочтение трубам с меньшим:

1) диаметром;

2) уклоном.

Учитывая все эти обстоятельства, принятые параметры труб:

для дрен: d =75 мм, i =0,006;

для коллектора: 1 участок: d =150 мм, i =0,003;

2 участок: d =200 мм, i =0,003.

Окончательно принятые параметры сведены в таблицу 10.

Таблица 10