4.2 Расчёт проводящей части

Понятие о модулях стока. Под модулем стока понимается количество воды, притекающей к расчётному створу канала (открытого или закрытого) в единицу времени с единицы площади.

Модуль стока имеет размерность л/сга или м³/скм².

Различают модуль поверхностного стока и модуль стока дренажного (внутреннего).

Самыми надёжными данными об их значениях являются данные фактических наблюдений за стоком. Если таковых не имеется, то прибегают к различным приближённым методам.

Модули поверхностного стока можно определить по расчётным зависимостям, предлагаемым СНиП 2.01.14-83 "Определение расчётных гидрологических характеристик".

Модули дренажного стока - принять по приведенной ниже таблице 3 (даются для условий Нечерноземья).

Установление расчётного значения модуля стока. Модуль стока (как поверхностного, так и дренажного) с данной водосборной площади является величиной переменной во времени. Варьирует он как внутри любого рассматриваемого года (по отдельным периодам), так и в многолетнем разрезе (по одним и тем же периодам).

Таблица 3 – Модуль дренажного стока, л/сга

Пески, супеси, лёгкие суглинки				Средние и тяжёлые суглинки, глины, торф
Зоны
северная	северо-западная	северо-восточная	центра-льная	северная	северо-западная	северо-восточная	центра-льная
0,5	0,7	0,5	0,5	0,4	0,5	0,4	0,4

Возникает вопрос: какое же значение модуля стока принимать за расчётное?

Если взять за расчётное максимальное значение, то каналы осушительной системы будут иметь излишне большие (и глубокие) поперечные сечения, что приведёт к удорожанию её строительной стоимости и ненужному переосушению почв. Причём каналы эти все время (за исключением расчётного года) будут работать далеко не полным сечением.

Минимальное значение модуля стока тоже нельзя брать за расчётное, так как тогда осушительная система каждый год не будет справляться с отводом избыточных вод (за исключением года с минимальным стоком).

Нельзя для этих целей пользоваться и средним за какой-то период времени значением модуля стока. За расчётный следует принимать модуль стока вполне определённого для каждого конкретного случая процента повторяемости.

Для определения расчётного значения модуля стока прежде всего следует установить критические периоды стока и его расчётную повторяемость (в эти периоды).

Под критическим периодом следует понимать отрезок времени, когда переувлажнение (затопление) земель приносит наибольший ущерб. В связи с этим, осушительная система должна проектироваться из расчёта своевременного отвода избыточных вод, прежде всего, в критические периоды, которые устанавливаются в зависимости от характера использования осушаемой территории.

При использовании территории под населённые пункты, промышленные предприятия и крупные инженерные сооружения критическим является период максимальных паводков, так как по условиям эксплуатации осушаемая территория совсем не должна подвергаться затоплению.

При сельскохозяйственном использовании осушаемых земель критический период рассматривается с точки зрения недополучения (а иногда и гибели) урожая и принимается в зависимости от вида сельскохозяйственных угодий.

Так, для лугов критическим является период летних высоких вод (летних дождей). Кратковременное затопление лугов весной, о чём уже говорилось ранее, допустимо.

Для полевых севооборотов с озимыми культурами критическим является период максимального весеннего стока (снеготаяния), так как затопление талыми водами может привести к вымоканию посевов. Для севооборотов без озимых культур критическим является предпосевной период, так как затопление пахотных угодий в это время задерживает обработку полей и отодвигает сроки сева.

После установления критического периода определяется для него расчётная повторяемость стока, выражаемая обычно в процентах. Эти проценты показывают сколько раз в 100 лет может быть (допускается) сток, по величине превосходящий принимаемый нами за расчётный, то есть сток, со своевременным отводом которого проектируемая осушительная система справляться не будет. Иными словами, мы заранее планируем определённый экономический ущерб. Однако допустить его всё же выгоднее, чем ориентироваться на пропуск максимальных расходов (модулей).

Если осушаемая территория используется под населённые пункты, промышленные предприятия и крупные инженерные сооружения, то повторяемость стока, в зависимости от занимаемой площади и класса сооружений, принимается от 0,1 % до 1,0 %.

При использовании осушаемых земель в целях растениеводства повторяемость стока принимается в зависимости от хозяйственной ценности угодий. Так, например, для садов и овощных севооборотов её следует принимать равной 5 %, для севооборотов с озимыми культурами – 10 %.

Определение расчётных расходов. Расход , л/с, в любом канале осушительной системы (как открытого, так и закрытого типа) определяется по зависимости:

,

где - расчётный модуль стока, л/сга;

- площадь, тяготеющая к данному каналу, га.

В крупных звеньях проводящей сети (магистральные каналы и транспортирующие собиратели старшего порядка систем для регулирования поверхностного стока, коллекторы старшего порядка дренажных систем) установление расходов, а в дальнейшем и гидравлический расчёт ведётся обычно по участкам. Крупные магистральные линии должны рассчитываться: в устьевой части, на участках ниже впадения младших каналов (коллекторов), в местах заметного изменения уклона местности.

Следует иметь в виду, что расход в канале (коллекторе) дренажной системы можно определить путём суммирования расходов каналов, в него впадающих. Для каналов осушительных систем открытого типа этого делать нельзя, ибо согласно теории замедления поверхностного стока, наибольшие значения расходов во впадающих каналах не совпадают во времени. В этом случае для того, чтобы определить расход в каком-то определённом створе канала, сначала надо установить суммарную площадь водосбора, тяготеющую к нему, а затем, подставив её в формулу из СНиП 2.01.14-83, найти соответствующее этой площади значение модуля стока.

Гидравлический расчёт осушительных каналов. Производится расчёт по известным формулам гидравлики для равномерного движения жидкости в открытых руслах.

Зная величину расчётного расхода и гидравлического уклона потока - (уклон местности по трассе канала), гидравлическим расчётом устанавливают размеры поперечного ("живого") сечения потока (ширину канала по дну и глубину его наполнения). Расчёт производится методом подбора, так как неизвестными являются сразу два параметра: и ширина канала по дну, и глубина потока.

Задавшись шириной канала по дну и глубиной наполнения, вычисляем расходную характеристику (модуль расхода) , им соответствующую. Если она окажется меньше фактической (полученной в результате деления на ), то, не изменяя ширины канала по дну, задаёмся новой, большей глубиной наполнения и уже для этих параметров определяем новое значение расходной характеристики, и т.д.

Подбор ведётся до тех пор, пока расходная характеристика, определённая расчётом, не окажется равной фактической расходной характеристике. Если же она превысит последнюю, то для определения фактической глубины наполнения канала необходимо построить вспомогательный график зависимости . По этому же графику можно определить и бытовую глубину наполнения канала .

Определив глубину наполнения канала , м, по формуле Шези находим скорость течения воды, ей соответствующую, и сравниваем с максимально допустимой (на размыв) скоростью , м/с.

Для минеральных грунтов эта скорость , м/с, определяется по зависимости:

,

где - коэффициент условий работы канала;

- неразмывающая скорость потока при = 1.

Для каналов, проходящих в торфяных грунтах, максимально допустимая на размыв скорость , м/с, определяется по зависимости:

,

где - гидравлический радиус потока, м;

- неразмывающая скорость потока при = 1,0 м.

Если окажется, что фактическая скорость течения воды в канале будет больше максимально допустимой, то необходимо сделать перерасчёт и определить максимально допустимый уклон дна канала, при котором ещё не будет возникать размывающих скоростей.

Что касается минимально допустимой скорости, то в условиях осушения ей не придаётся такого большого значения, как в орошении, поэтому на незаиляемость делается лишь поверка скорости.

Если она окажется меньше 0,3-0,4 м/с, то в проекте необходимо предусмотреть мероприятия по очистке осушительных каналов от наносов.

Расчёт каналов параболического сечения. Как уже отмечалось ранее, в некоторых случаях при проектировании осушительных каналов применяется параболическая форма поперечного сечения (рисунок 1).

Рисунок 1 – Параболическое сечение канала

В общем виде уравнение квадратичной параболы имеет вид:

.

Так как максимальные значения x и y равны соответственно В/2 и Н, то

.

Подставив это значение Р в уравнение параболы, будем иметь:

.

Используя это уравнение, определяем площадь живого сечения канала , м²:

.

Для определения смоченного периметра , м, снова воспользуемся методами высшей математики. Известно, что длину кривой можно найти по формуле:

,

где а и b - абсциссы точек, между которыми заключена кривая.

В нашем случае , поэтому

.

Последний интеграл подсчитываем по частям по формуле:

, полагая, что

Обозначив через J, будем иметь:

Это и есть формула для определения величины смоченного периметра. Однако в таком виде она не совсем удобна для практического использования.

В тех случаях, когда , т.е. когда (что нас, как увидим дальше, вполне устраивает) можно получить упрощённую формулу, разложив подинтегральное выражение формулы в ряд Маклорена:

Тогда

Ввиду того, что численное значение для практических расчётов не имеет особого значения (не превышает нескольких тысячных долей единицы), формулу для определения смоченного периметра канала параболического сечения можно записать следующим образом:

где - коэффициент, зависящий от отношения В/Н.

Отношение В/Н принимается в зависимости от свойств почвогрунтов, слагающих ложе канала. Для глин, тяжёлых и средних суглинков, торфов со степенью разложения менее 50 % оно равно 6-8, для лёгких суглинков, супесей, среднезернистых песков и торфов со степенью разложения 50-70 % - 8-10, для песков мелкозернистых и торфов со степенью разложения более 70 % - 10-14.

Гидравлический расчёт производится методом подбора. Задаваясь глубиной наполнения канала и выражая В через Н, постепенно приближается к значению пропускной способности, соответствующей фактическому расходу .

Расчёт закрытого дренажа. Конечной целью гидравлического расчёта дренажной линии является определение размеров её поперечного сечения (диаметра трубы).

Следует иметь в виду, что регулирующие дрены (дрены-осушители) гидравлическому расчёту не подвергаются, диаметр их (стандартный) принимается конструктивно. Рассчитываются более крупные звенья закрытого дренажа (групповые и ловчие дрены, коллекторы и др.).

При расчёте трубчатого дренажа используется известная формула Шези:

,

где - площадь живого сечения;

- коэффициент скорости (коэффициент Шези);

- гидравлический радиус;

- гидравлический уклон.

Гидравлический расчёт дренажной линии, например, коллектора, производится в следующей последовательности:

• по известному модулю дренажного стока и площади, тяготеющей к расчётному сечению , устанавливаем расчётный расход

;

• задаёмся внутренним диаметром коллектора – , который следует принимать: для гончарных труб – 75 мм, для пластмассовых – 71 мм;

• принимая (в первом приближении) за расчётный гидравлический уклон местности, по формуле Шези для диаметра определяем пропускную способность коллектора – . Если окажется, что будет больше или равен , то диаметр подобран правильно, и нам остаётся посмотреть, будет ли скорость движения воды в коллекторе находиться в допустимых пределах: ;

• если она окажется больше , то коллектор следует располагать зигзагообразно, либо проектировать по его длине смотровые колодцы с перепадами (для уменьшения гидравлического уклона);

• если же принятый диаметр не обеспечивает пропуска расчётного расхода , то необходимо задаться более крупным стандартным диаметром. В случаях, когда и увеличением диаметра не удаётся существенно увеличить пропускную способность, прибегают к увеличению гидравлического уклона.

Минимально допустимая скорость в коллекторах – 0,3 м/с, максимально допустимая: для гончарных труб – 1,5 м/с, для пластмассовых – 2-3 м/с.