Пример расчета параметров расчистки русла реки Калитва

Расчетный поперечный профиль русла приведен на рисунке 3.16. Отметка пойменной бровки Z_п.б. = 63,50 м. Ширина русла на этой отметке равна B = 31,6 м. Гидравлический уклон на участке i = 0,0005. Пропускная способность русла для этого поперечника в современном состоянии определена по методике, изложенной в разделе 1.4, и составляет Q = 20,6 м³/с. Средняя скорость при этих условиях υ = 0,64 м/с, что меньше размывающей υ_р = 0,72 м/с. Полученное значение расхода воды меньше Q_25% = 43,9 м³/с. Русло реки заилено. По данным инженерно-геологических изысканий граница между заиленными суглинками и заиленными песками расположена на глубине 4 – 7 м, т.е. четкая стратиграфическая граница между аллювиальными илами и коренными породами русла отсутствует. Таким образом, имеем расчетный случай А.2: ; .

Рисунок 3.16 – Поперечный профиль расчистки русла реки Калитва.

Средняя глубина находится в пределах 1 – 2 м; ширина русла не превышает устойчивую, определенную по формуле (3.4): . Расход воды в русле с такими параметрами составит: .

Принятые к проектированию морфометрические параметры русла: В = 31,6 м; Н₀ = 1,4 м; h_max = 2,1 м; проектный гидравлический уклон i_пр. = 0,0005; В/Н₀ = 22,6. Заложение откосов русла = 31,6/(4,5·1,4) = 5,0 > m_доп. для суглинков коренных пород берегов.

На поперечном профиле (см. рисунок 3.16) вычерчивается проектное сечение русла реки Калитва и проверяется возможность его использования для других, имеющихся в составе проектных (исходных) материалов поперечников.

3.3. Расчет наносохранилища на балке (овраге)

При охране средних и малых рек встают вопросы защиты их от перегрузки наносами. Наносы можно задержать в оврагах и балках, превращением их в наносохранилище. Наносохранилища – это емкости на пониженных участках рельефа (в балках, оврагах), в которых временно, лишь только на время отстоя наносов, задерживается вода [10]. Задержание определенных фракций наносов обеспечивается уменьшением скорости несущего их потока либо подпором его, либо пропуском через участки с усиленной объемной «шероховатостью» (илофильтры). Режим работы наносохранилища должен обеспечивать наибольшую сохранность воды (обустройство замкнутых «блюдец» сточными канавами, устройство водосбросных отверстий с порогом на отметке не выше тальвега балки и т.п.). Целесообразно в наносохранилищах задерживать песок и более крупные фракции наносов. Илистые фракции, которые в стоке наносов составляют до 80…85 % по объему, при проведении рекультивационных мероприятий в русле не будут заиливать его.

Топографической основой для проектирования наносохранилища служат план балки в масштабе 1:2000 и план водосборного бассейна балки в масштабе не менее 1:10000. Гидрологическими расчетами устанавливаются максимальные расходы воды, гидрограф паводка (половодья и объем стока). Инженерно-геологические материалы дают характеристики грунтов в тальвеге и на склонах балки. Все эти материалы позволяют оценить твердый сток и его фракционный состав.

Водно-балансовым расчетом устанавливается режим работы наносохранилища при пропуске паводка (половодья) и расчетный расход сбросного сооружения. При выполнении практических заданий исходные данные к расчету представлены двумя группами.

А. Характеристика паводка (рисунок 3.17):

• максимальный расход воды , м³/с;

• продолжительность паводка (половодья) , сут.

Рисунок 3.17 – Схематизированный гидрограф паводка (половодья).

При отсутствии данных наблюдений за стоком воды в балке (овраге): = 6…15 сут. для степной и лесостепной зоны России; соотношение периодов подъема ( ) и спада ( ) половодья составляет 0,4…0,5 или = (0,27..0,33) . Объем паводка (половодья):

. (3.33)

Б. Морфометрия балки (оврага): уклон тальвега - ; уклон правого склона балки - ; уклон левого склона балки - .

При отсутствии топоосновы и батиграфических характеристик балки статический объем подпертого бьефа в зависимости от величины подпора можно определить по формуле:

, (3.34)

где - коэффициент формы балки:

. (3.35)

Движение потока в наносохранилище должно отвечать условию, что наносы с крупностью более расчетной осаждаются в нем. Обычно наносы крупностью менее 0,02 мм транспортируются речным потоком и нет необходимости их задерживать в наносохранилище; гидравлическая крупность таких наносов м/с. Расчетная схема приведена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 – Схема к расчету наносохранилища.

Принимая режим потока в наносохранилище квазиламинарным (скорость течения не превышает 0,20 м/с), имеем:

, (3.36)

где - время осаждения частицы наносов.

Из (3.36) следует, что:

(3.37)

где - средняя глубина наносохранилища, м;

- объем наносохранилища, м³;

- расход сбросного сооружения, м³/с;

При принятой схематизации формы балки (оврага) глубина наносохранилища у подпорного сооружения .

Совместное решение (3.34) и (3.37) дает минимальную глубину наносохранилища из условия осаждения расчетной фракции наносов:

(3.38)

Пропускная способность донного водосброса наносохранилища зависит от :

, (3.39)

где - параметр, характеризующий размеры и гидравлические сопротивления конструкции водосброса (рекомендуется принимать 1,3…2,7).

Уравнение водного баланса наносохранилища в дифференциальной форме:

. (3.40)

В конечных разностях за период времени оно будет иметь вид:

, (3.41)

где и - приток на начало и конец интервала, м³/с;

и - сброс на начало и конец интервала, м³/с;

и - наполнение наносохранилища водой на начало и конец интервала, м³;

После несложных преобразований получим:

, (3.42)

где и - глубины воды у подпорного сооружения на начало и конец интервала времени, м;

- средний за интервал расход притока воды м³/с.

Рекомендуется принимать интервал времени 0,5…1,0 сут. ( с).

В данном случае, поскольку сбросное сооружение донного типа, то без большой погрешности глубина принимается от уровня воды в наносохранилище до оси трубы водосброса.

Расчет ведется в табличной форме.

Таблица 3.2 – Расчет режима работы наносохранилища

№ интервала	Расход воды, м3/с				Глубины, м		, м3/с		, т.м3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

На начало 1-го интервала = 0; = 0; = 0. В конце 1-го интервала (подъем паводка); . Задаемся и по формуле (3.42) вычисляем сбросной расход на конец интервала - ; из зависимости (3.39) определяем параметр и сравниваем его с предварительно принятым . Если , то, изменяя и вычисляя по (3.42) , добиваемся равенства (допускается отклонение 10 %).

Объем наносохранилища на конец интервала вычисляется по формуле (3.41). В последующих интервалах начальные значения расходов и глубин принимаются по конечным значениям предыдущего интервала, т.е. ; . Задаваясь , вычисляют по (3.33) и находят . Если , изменяется значение .

На спаде паводка расход притока уменьшается и .

Расчет заканчивается, когда = 0. По результатам расчета строятся графики и , показывающие изменение глубин и расходов сбросного сооружения за период трансформации паводка наносохранилищем. Наибольшее значение принимается за расчетный расход сбросного сооружения.

Если превышает возможности рельефа балки или наоборот недостаточно их использует, то изменяют параметр , меняя или размеры трубы водосброса, или гидравлические сопротивления входа в сооружение. Таким образом, расчет позволяет рассматривать несколько вариантов наносохранилища и выбрать наиболее рациональный как по выполнению своих функций, так и по стоимостным показателям.

Коэффициент регулирования стока наносохранилищем:

(3.43)