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 коллекторовi=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 1839-80приведем 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 =0,024	300 / 273	250/ 240		250 / 222
Сечение II-II
Qmax кол II-II =0,012	250 / 211	200 / 185		200 / 171

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	dдрмм	К,м3/с	Qдр п м3/с	Qдр нпм3/с		А
				max	min	Mmax	Mmin
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

i	dколмм	Кл/с	Qкол пм3/с	Qкол нпм3/с		А
				Max	Min	Max	Min
0,001	200	328	0,0103	0,0076	0,0038	0,73	0,37
0,002	200	328	0,0146			0,52	0,26
0,003	150	152	0,0083			0,92	0,46

Таблица 6

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

i	dколмм	Кл/с	Qкол п м3/с	Qкол нп м3/с		А
				Max	Min	Max	Min
0,001	250	600	0,0190	0,0152	0,0077	0,80	0,40
0,002	200	328	0,0150			1,01	0,51
0,003	200	328	0,0180			0,84	0,43

Зная значения "А", можно получить значения коэффициентов неполноты скоростей "В" и отношения h/d по табл.8 и графику на рис.1 Приложения 2.