9525

20

5.3. Отвод поверхностных вод с защищаемой территории

При защите территорий от затопления большое значение имеет правильная организация поверхностного стока. При решении этого вопроса необходимо предусматривать следующие мероприятия:

а) предупреждать поступление на защищаемую территорию поверхностных вод со стороны водораздела;

б) организовывать сток поверхностных (ливневых и талых) вод непосредственно на самой защищаемой территории;

в) устраивать аккумулирующие ёмкости в целях снижения мощностей насосных станций для перекачки поверхностных вод.

Для предупреждения поступления поверхностных вод на защищаемую территорию со стороны водораздела устраиваются нагорные каналы или лотки, перехватывающие сток этих вод. Нагорные каналы, как правило, устраиваются вне защищаемой территории со стороны верхней её границы.

Их следует делать по возможности прямыми, без резких изломов и поворотов, так как в таких местах обычно происходит интенсивное отложение наносов. На плане необходимо показать трассы нагорных каналов.

Собираемые нагорными каналами воды должны быть самотёком отведены за пределы защищаемой территории и сброшены в водохранилище (обычно без перекачки).

Нагорным каналам придается трапецеидальная (симметричная или несимметричная) форма поперечного сечения, ширина по дну принимается от 0,5 м и более, в зависимости от ожидаемого расхода воды. Нагорные каналы глубиной до 5 м и расходом воды до 50 м3/с надлежит проектировать в соответствии с требованиями [11]. Гидравлическим расчётом нагорных каналов определяются параметры поперечного сечения, при которых расчётные скорости воды должны быть меньше допустимых размывающих и больше тех, при которых происходит заиление каналов. Глубина каналов назначается с учётом запаса на заиление 0,1 м и превышения бровок берм каналов над максимальным уровнем воды в соответствии с таблицей 8 [11].

Таблица 8 – Превышения бровок берм каналов над уровнем воды

При глубине каналов до 5 метров коэффициент заложения откосов каналов в зависимости от грунта, слагающего русло, может быть подобран по данным таблицы 9 [11].

Откосы каналов засевают травами. Грунт выемки размещают только на низовой стороне, чтобы не затруднить поступление воды в каналы. Расстояние от бровки выемки до подошвы отвала следует принимать при глубине выемки до 2,5 м - 3 м; от 2,5 до 5 м - 5 м; более 5 м - по расчёту устойчивости откоса [11].

21

Таблица 9 – Коэффициенты заложения m откосов каналов

Уклоны каналов без крепления дна и откосов должны обеспечивать пропуск минимальных расходов воды при скоростях не более 0,3 - 0,5 м/с. Наибольшие допустимые продольные уклоны каналов при отсутствии одежды следует принимать равными 0,0005 - 0,005. Минимальная величина радиуса кривизны канала должна быть не менее двукратной ширины канала по урезу воды при расчётном её расходе. Максимальные радиусы поворота для гидравлически рассчитываемых каналов принимаются от 2 до 10b (где b - ширина канала по урезу воды, м) [11].

Скорость течения воды в нагорных каналах не должна превышать предельно допустимой величины для данного грунта, в противном случае следует предусматривать крепление откосов и дна. Величины допускаемых неразмывающих скоростей для грунтов приведены в таблице 10 [4].

Таблица 10 – Допускаемые неразмывающие скорости течения воды в каналах

Размеры поперечного сечения нагорных каналов подбираются с расчётом на пропуск максимального расхода поверхностных вод, стекающих с прилегающей водосборной площади.

На тех участках, где уклоны местности становятся особенно значительными, например, на сбросных участках, обычно устраиваются перепады и быстротоки.

Выполним гидравлический расчет сечения нагорного канала НК-2 в конце его рабочей части (ПК12). Для этого сначала гидрологическими расчетами определим расчетный максимальный расход воды в данном сечении.

Максимальные расходы воды по происхождению делятся на максимумы весеннего половодья и летне-осенние ливневые или дождевые максимумы. При расчете гидротехнических сооружений необходимо установить, максимум какого происхождения является расчетным, то есть наиболее высоким.

22

Максимальный расход весеннего половодья определим в соответствии с [9] по формуле

где QB - максимальный расход весеннего половодья обеспеченности p=3%, м3/с; A - площадь водосбора до расчетного створа, км2; A1 - дополнительная

площадь водосбора, учитывающая снижение редукции (для степной зоны принимается A1 = 10 км2); KO - параметр, характеризующий дружность

весеннего половодья, зависит от категории рельефа (для рассматриваемого случая KO = 0,017); hp - расчётный слой суммарного весеннего стока

вероятности превышения p=3%, определяемый в зависимости от коэффициента вариации CV и коэффициента асимметрии CS , а также среднего многолетнего

слоя весеннего сока h0 (см. приложение В); µ - коэффициент, учитывающий

неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов (для рассматриваемого случая при p=3%, µ =0,97); δ - коэффициент,

учитывающий влияние озёр и водохранилищ; δ1 - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в залесённых бассейнах; δ2 -

коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в заболоченных бассейнах; n - показатель степени редукции (для степенной зоны n=0,35).

Параметры h0 , CV определяются по данным таблицы, приведённой в

приложении В. Приведённые в этой таблице значения коэффициента вариации слоя стока весеннего половодья CV действительны при площади водосбора

более 200 км2. Для водосборных площадей менее 200 км2 в табличные значения CV вводится поправочный коэффициент, учитывающий повышение

где v - поправочный коэффициент (для площадей водосбора от 0 до 50 км2 коэффициент v =1,25).

где KP - коэффициент перехода, определяется по таблице приложения Г.

Регулирующее влияние озер и учитывается коэффициентом δ , а влияние болот коэффициентом δ2 . В рассматриваемой зоне заозёренность и

заболоченность небольшая, менее 2 %, поэтому можно принять δ =1, δ2 =1.

где fл - залесённость водосбора, в процентах (см. приложение В).

В данном примере площадь водосбора до расчётного створа А составляет 320 га или 3,2 км2.

Далее, по таблице приложения В находим h0 =60 мм, CV =0,6, fЛ =9%.

Находим С/V =0,6·1,25=0,75, по таблице приложения Г интерполяцией находим KP =2,8, по формуле (5.4) находим hp =60·2,8=168 мм. По формуле (5.5)

находим δ1 =1/(9 +1)0,16 = 0,7 .

Затем, подставляя в формулу (5.2) найденные значения параметров, получаем

QB = 0,017( 168)0,97 0,7 3,2 = 2,5 м3/с.

3,2 +10 0,35

Максимальные мгновенные расходы воды дождевых паводков для водосборов с площадями менее 100 км2 определяют в соответствии с [9] по эмпирической формуле

где Qло - максимальный расход воды дождевых паводков обеспеченности р %, м3/с; q1% - максимальный модуль стока вероятности превышения р = 1%,

выраженный в долях, определяемый по [9] в зависимости от гидроморфометрической характеристики русла, продолжительности склонового добегания и района (см. приложение В); Н1% - максимальный суточный слой

осадков (мм) вероятности превышения р = 1%, определяемый по данным ближайших метеостанций (см. приложение В); ϕ - сборный коэффициент стока,

зависит от характера почвогрунтов водосбора, суточного слоя осадков, площади водосбора, уклона водосбора (для рассматриваемого примера принимается

ϕ =0,15); δ - коэффициент, учитывающий влияние озер; λР - переходный

коэффициент от вероятности превышения р = 1% к другой вероятности (см. приложение В); А - площадь водосбора, км2.

Подставляя в формулу (5.6) найденные значения параметров, получаем

Qло = 0,18 0,15 72 1 0,74 3,2 = 4,6 м3/с.

Наибольшим из двух максимумов является расход Qло , поэтому гидравлический расчёт канала ведем, используя этот расход.

Гидравлический расчёт каналов проводится в соответствии с [11, прил. 16]. Для рассматриваемого примера имеем следующие исходные данные Qло

=4,6 м3/с, уклон канала Ik = 0,0005, коэффициент шероховатости русла n = 0,03 [11, прил. 14], коэффициент заложения откосов m = 1,5, ширину канала по дну принимаем равной 1,0 м.

С учетом запаса на заиление и превышение бровки канала над наивысшим горизонтом глубина канала принимается равной

hк =1,56+0,1+0,3 = 1,96 м.

24

Для обеспечения устойчивости русла канала необходимо, чтобы скорости течения воды в нём не превышали бы допустимых скоростей на размыв, указанных в таблице 10.

Средняя скорость течения воды в канале определяется по формуле

ω = (в + m hе ) hв , где в – ширина канала по дну, м; hв – глубина воды в канале, м; m – коэффициент заложения откоса канала.

Для рассматриваемого примера получаем

ω = (1,0 +1,5 1,56) 1,56 = 5,2 м2 .

V = 4,6 / 5,2 = 0,9 м/с, что не превышает максимально допустимых

скоростей течения воды для данных грунтов.

Схема поперечного сечения нагорного канала НК-2 на ПК 12 показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема поперечного сечения нагорного канала 1 - поверхностный сток, 2 - сечение канала, 3 – кавальер.

Организация стока ливневых и талых вод на самой защищаемой территории достигается посредством вертикальной планировки и устройством открытой или закрытой водосточной сети. По этой сети вода отводится самотеком в пониженные места территории или в специально устраиваемые водосборники, а оттуда после очистки при помощи насосной станции перекачивается через оградительную дамбу в водохранилище.

Закрытая водосточная сеть более совершенна и чаще применяется в городах и на промышленных площадках.

Закрытая водосточная сеть состоит из а) уличных лотков; б) дождеприемников; в) подземных коллекторов 2-го и 1 -го порядка, прокладываемых преимущественно под подъездами; г) магистральных коллекторов; д) смотровых колодцев на коллекторной сети; е) перепадов и быстротоков; ж) водовыпусков.

Водосточные коллекторы выполняются из бетонных, железобетонных или асбестоцементных труб.

25

5.4.Выбор защитного дренажа

Всистеме инженерной защиты от подтопления в зависимости от природных, гидрогеологических и техногенных (застройки) условий следует применять дренажи:

головные - для перехвата подземных вод, фильтрующихся со стороны водораздела; располагают, как правило, нормально к направлению движения потока подземных вод у верховой границы защищаемой территории;

береговые - для перехвата подземных вод, фильтрующихся со стороны водного объекта и формирующих подпор; располагают, как правило, вдоль берега или низовой границы защищаемых от подтопления территории или объекта;

отсечные - для перехвата подземных вод, фильтрующихся со стороны подтопленных участков территории;

систематические (площадные) - для дренирования территорий в случаях питания подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков и вод поверхностного стока, утечек из водонесущих коммуникаций или напорных вод из нижележащего горизонта;

смешанные - для защиты от подтопления территорий при сложных условиях питания подземных вод.

Дренажи берегового, головного, кольцевого, систематического и смешанного типов по конструкции подразделяют на горизонтальные, вертикальные, комбинированные, лучевые и специальные.

Выбор конструкции дренажа следует производить с учетом водопроницаемости грунтов защищаемой территории, расположения водоупора, требуемой величины понижения уровня подземных вод, характера хозяйственного использования защищаемой территории.

Нормы осушения (нормируемые минимальные глубины залегания уровня подземных вод от поверхности земли) при проектировании защиты от подтопления территории принимают в зависимости от характера её функционального использования.

Всоответствии с [1], для существующих промышленных территорий и городских жилых и общественно-деловых зон нормы осушения устанавливают в зависимости от исторически сложившейся глубины использования подземного пространства, а также вида грунтов основания. Проектирование в пределах таких территорий и зон зданий и сооружений, заглубление подземных частей которых превышает исторически сложившуюся глубину использования подземного пространства, не требует увеличения нормы осушения. При проектировании таких зданий и сооружений должна быть предусмотрена локальная защита в виде гидроизоляции их подземных частей.

Для вновь застраиваемых территорий нормы осушения устанавливают в зависимости от проектной глубины использования подземного пространства, а также вида грунтов основания. При значительном заглублении подземных частей проектируемых зданий и сооружений относительно сложившегося положения уровней подземных вод целесообразно при минимальной прогнозной глубине их залегания не менее 2 м сохранение этого положения с

26

осуществлением локальной защиты зданий и сооружений путем гидроизоляции их подземных частей. Норму осушения при этом следует принимать равной 2 м.

Принимаемые при проектировании защитных сооружений нормы осушения должны в каждом конкретном случае обеспечивать положение уровней подземных вод ниже критического уровня.

При защите территории от затопления с помощью оградительных дамб рекомендуется обязательно устраивать береговой дренаж.

При устройстве дамб обвалования на проницаемом основании оказывается целесообразным располагать дрену берегового дренажа таким образом, чтобы она одновременно выполняла и роль придамбового дренажа, то есть обеспечивала бы необходимое снижении кривой депрессии и в теле дамбы.

Вопрос о том, какой дренаж необходим в каждом конкретном случае, решается на основании фильтрационных расчетов и на основании техникоэкономического сравнения ряда возможных вариантов с учётом эксплуатационных затрат.

Анализируя конкретные условия защищаемой территории города N (рельеф местности, гидрогеологические условия, характер защиты - от затопления и подтопления, расположение защищаемой территории относительно береговой линии водохранилища), принимаем в качестве расчетной однолинейную схему защитного дренажа – берегового дренажа (рис. 6).

Принимаем горизонтальный береговой дренаж, по конструкции - закрытый трубчатый.

Рисунок 6 – Схема горизонтального берегового дренажа 1 - защищаемая территория, 2 - дамба обвалования, 3 - береговая дрена,

4 - насосная станция, 5 - водохранилище.

27

5.5. Фильтрационные расчёты защитного дренажа

Для обоснования систем инженерной защиты от подтопления следует выполнить следующие основные расчёты:

гидрологические; прогноза подтопления с оценкой степени потенциальной подтопляемости

территории и объектов возможного ущерба; оптимальной схемы размещения дренажных устройств; объёмов дренажных вод; дренажных труб и коллекторов;

деформаций поверхности защищаемой территории.

Вусловиях защиты территории от затопления и подтопления уровенный режим грунтовых вод управляется работой дренажных устройств. При наполнении водохранилища этот режим в сравнительно короткий промежуток времени формируется и в дальнейшем приобретает относительно стабильный характер. Колебания уровней воды в водохранилище при работе берегового дренажа не оказывают большого влияния на режим грунтовых вод защищаемой территории. Поэтому при фильтрационных расчетах дренажа можно принимать движение грунтовых вод на защищаемой территории установившемся.

Вусловиях данной территории можно рассматривать плоскую задачу фильтрации, в которой принимается, что трасса дренажа имеет бесконечное протяжение, контуры областей питания и стока грунтового потока проходят параллельно трассе дренажа. С достаточным приближением водоупор можно привести к горизонтальному.

Таким образом, требуется выполнить расчёт горизонтальной береговой дрены несовершенного типа в условиях установившейся фильтрации при поступлении потока подземных вод из отдалённой области питания. В расчётах требуется также учесть инфильтрационное питание грунтовых вод. Расчётная схема для этого случая показана на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема к фильтрационному расчёту берегового дренажа

28

Для данной расчётной схемы для определения расхода несовершенной дрены может быть применена формула С.Ф. Аверьянова [13, с. 140] с поправкой на дополнительное инфильтрационное питание [3, с. 34]

Геометрию и фильтрационную неоднородность русла водоёма можно учесть введением в расчёт обобщенного гидрологического параметра русла водоёма ∆R , характеризующего его фильтрационное сопротивление, и определяемого по формуле В.М. Шестакова. При двухслойном сложении русла водоёма величина ∆R определяется следующим образом

где m1 , K1 мощность (м) и коэффициент фильтрации (м/сут) первого слоя соответственно; m2, K2 мощность (м) и коэффициент фильтрации (м/сут) второго

слоя соответственно.

Таким образом, в формулу (5.8) вместо величины R вводится значение

R = R + ∆R .

Положение депрессионной кривой в сторону водораздела определяется по формуле С.Ф. Аверьянова [13, с. 141]:

K - коэффициент фильтрации дренируемой толщи,Oм/сут;

H - напор воды на контуре водоёма, м;

hO - превышение уровня воды в дрене над подошвой водоупора, м;

d - диаметр дрены, м;

x - расстояние от дрены в сторону водораздела до расчётного сечения , м;

дрены до водоёма, м;

T1 = h× +2 hO - средняя мощность потока со стороны водораздела на участке от

дренажа до расчётного сечения х, м (в первом приближении может приниматься равной hO );

h× - искомая величина напора над водоупором в любой точке на расстоянии х от дрены в сторону водораздела, м.

29

Положение депрессионной кривой в сторону области естественного дренажа определяется по формуле [13, с. 141]:

где h× - искомая величина напора над водоупором в любой точке на расстоянии

х от дрены в сторону водоёма, м.

H - напор воды на контуре водоёма, м;

hO - превышение уровня воды в дрене над подошвой водоупора, м;

x- расстояние от дрены в сторону водоёма до расчётного сечения , м;

Вуравнении (5.10) не учтено влияние на положение депрессионной кривой величины инфильтрации в грунт атмосферных осадков и хозяйственнопромышленных вод. Это влияние может быть учтено по уравнениям [3]

где hx/ - ордината депрессионной кривой с учётом инфильтрации в сторону

водораздела до расчётного сечения на расстоянии х от дрены, м; P - интенсивность инфильтрационного питания, м/сут;

B - расстояние от дрены до границы области питания, м; K - коэффициент фильтрации грунта, м/сут;

T - мощность фильтрационного потока.

При определении влияния инфильтрации на положение депрессионной кривой могут быть использованы методы расчёта прогноза подтопления грунтовыми водами застраиваемых и застроенных территорий, изложенные в

[15].

Глубину заложения дренажа можно принять от 3 до 4 м, расстояние от уреза воды в водохранилище до дрены - от 30 до 50 м.

Для фильтрационных расчётов для рассматриваемого примера имеем или задаёмся следующими исходными данными: глубина заложения дренажа - 3,5 м;

H = 16,0 м; R = 40 м; d = 1,0 м; hO = 10,0 м; K1 = 0,7 м/сут; K2 = 12 м/сут; Q1 = 0,113 м3/сут на 1 пог. м; P = 0,00028 м/сут; В = 2110 м.

Определим расход воды, поступающий к 1 пог. м дрены. Предварительно определим

∆R = 4 100,712 = 26,19 м;

R= 32,33 + 26,19 = 58,52 м;

Т2 =(16 +10)/ 2 =13 м;

A′=1,2;