Проектирование водохранилища

Содержание.

 

Введение. 3

Исходные данные 4

1. Проектирование водохранилища. 6

1.1 Выбор места под плотину и чашу водохранилища. 6

1.2 Определение возможного притока воды. 6

1.3 Определение емкости чаши водохранилища. 7

1.4 Построение интегральных кривых площади зеркала и емкости водохранилища. 9

1.5 Определение полезного объёма пруда. 9

1.5.1 Определение мертвого объёма. 10

1.5.2 Определение объёма испарения и объема фильтрации. 10

1.6 Проектирование плотины. 12

1.6.1 Определение размеров элементов плотины. 12

1.7 Определение объема земляных работ по устройству пруда. 13

1.7.1 Насыпка тела плотины. 13

1.7.2 Снятие растительного грунта. 14

1.7.3 Устройство водосбросного канала. 14

1.8 Определение оросительной способности пруда. 15

2. Проектирование оросительной системы. 16

2.1 Организация орошаемой площади. 16

2.2 Дорожная сеть и лесные полезащитные полосы. 16

2.3 Способы и техника полива. 17

2.3.1 Техника полива дождеванием. 17

2.4 Оросительная сеть, особенности проектирования. 18

2.5 Сооружения на оросительной сети. 18

3. Гидротехническая часть. 20

3.1 Определение расчетного расхода 20

3.2 Расчет напорного трубопровода. 20

3.3 Расчет насосной станции. 21

3.4 Гидравлический расчет аварийно-сбросного канала. 22

Приложение …………………………………………………………………………………… .23

Чертеж 1 «Поперечное сечение  земляной плотины»

Чертеж 2 «Продольный профиль  по оси земляной плотины »

Чертеж 3 «План оросительной системы»

 

 

Введение.

Орошение (ирригация) — подвод воды на поля, испытывающие недостаток влаги, и увеличение её запасов  в корнеобитаемом слое почвы в  целях увеличения плодородия почвы. Орошение является одним из видов  мелиорации. Орошение улучшает снабжение  корней растений влагой и питательными веществами, снижает температуру  приземного слоя воздуха и увеличивает  его влажность.

К основным способам орошения относится:

• полив по бороздам водой, подаваемой насосом или из оросительного канала;
• разбрызгиванием воды из специально проложенных труб;
• аэрозольное орошение — орошение мельчайшими каплями воды для регулирования температуры и влажности приземного слоя атмосферы;
• подпочвенное (внутрипочвенное) орошение — орошение земель путем подачи воды непосредственно в корнеобитаемую зону;
• лиманное орошение — глубокое одноразовое весеннее увлажнение почвы водами местного стока;
• дождевание — орошение с использованием самоходных и несамоходных систем кругового или фронтального типа.

В данном проекте требуется запроектировать оросительную систему на местном стоке, источником орошения которой должен быть пруд на сухой балке с земляной плотиной. Водоем располагается в таком месте, куда могут притекать сточные воды с населенных пунктов, то есть выше населенного пункта. Берега чаши водохранилища не должны быть крутыми, но и пологими. Ложе водохранилища состоит из водопроницаемого грунта (по заданию - глина).

 

 

Исходные данные 

 

 

1. Проектирование  водохранилища.

1. Выбор места под плотину и чашу водохранилища.

 

Водоем нужно  расположить в таком месте, куда не могут притекать сточные воды населённых пунктов и других загрязненных мест. Лучше всего водоём располагать  выше населённого пункта.

Берега чаши водохранилища не должны быть крутыми, но и пологими. Крутые берега быстро размываются, что приводит к заилению пруда. При пологих берегах значительная площадь водоема будет покрыта  неглубоким слоем воды, что благоприятствует быстрому зарастанию водоёма и большой  потере воды на испарение и фильтрацию.

Берега и  ложе водохранилища должны состоять из водонепроницаемых грунтов - глины  или суглинков.

Плотину лучше  располагать в суженой части  балки, причем, желательно, чтобы выше плотины балка была широкой и  глубокой. Это позволит накапливать  большой объём воды в водохранилище  при выполнении не большого объема земляных работ. Не следует выбирать место под плотину с отвесными  и обрывистыми берегами, так как  в процессе осадки тела плотины между  коренными берегами и плотиной может  образоваться трещина, по которой будет  просачиваться вода, что приведёт к размыву плотины.

В основании  плотины должна залегать водонепроницаемые  грунты, которые должны находиться либо на поверхности земли, либо на глубине не более 1,5…2,0м от поверхности земли. Нельзя выбирать место под строительство плотины там, где имеются выходы грунтовых (рудниковых) вод.

Одновременно  с выбором места под плотину  решается вопрос об устройстве водосборного аварийного канала, который является обязательным сооружением при строительстве  плотины.

Плотину нужно  располагать в таком месте, чтобы  водосборная площадь была достаточной  для заполнения водохранилища.

Границы водосборной  площади (F) проходят по двухскатным водораздельным точкам поверхности земли.

2. Определение возможного притока воды.

 

Возможный годовой  объем притока воды в водохранилище  на год 50%  обеспеченности стоком S_50% м³ , определяется по формуле:

 

S_50%=N_50%∙F∙k                                                         (1)

 

 

где N_50%-норма стока в м³  с км² ;

       F-площадь водосбора в км²;

       k-модульный коэффициент стока 50% расчетной обеспеченности, принимается          равным 0,75…0,95.

 

S_50%=21500∙19,6∙0,9=379260м³

 

По Оренбургской области норма стока изменяется в пределах:

20 000…30 000 м³ с км² – в восточных районах

60 000…90 000  м³ с км² – в северных , центральных и западных районах.

Для выполнения курсового проектирования N_50% и F берем из исходных данных.

Для проекта  за расчетный год принимаем год 50% обеспеченности, при условии наполнения водохранилища стоком 50 раз из 100 лет (условно).

3. Определение емкости чаши водохранилища.

 

Объем воды, который может вместить водохранилище, определяется по плану в горизонталях. Емкость чаши водохранилища состоит  как бы из нескольких объемов, отсекаемых горизонталями.

Для этого  вычисляют площади (F,м²), ограниченные каждой горизонталью и створом плотины, потом вычисляем объем воды, заключенный между двумя соседними горизонталями. (см. Рисунок 1 «Расчет площадей зеркал водохранилища»)

Вычисления  начинаем с нижней горизонтали. Объем  отсекаемый нижней горизонталью W_н м³ будет равен:

 

W_н=1/3∙F₁∙h,                                                         (2)

 

где   F₁ – площадь зеркала по нижней горизонтали, м²;

         h- сечение горизонталей рельефа местности, м.

 

Все остальные  объемы воды, заключенные между горизонталями, определяется по средней площади  соседних горизонталей.

W_1-2- объем воды между 1 и 2 горизонталями определяется по формуле:

 

W_1-2=(F₁+F₂)∙h/2                                                       (3)

 

W_2-3- объем воды между 2 и 3 горизонталями.

 

W_2-3=(F₂+F₃)∙h/2                                                       (4)

 

Аналогично  просчитываются остальные объемы воды.

Общий вид  формулы:                  

 

W_n-n+1=(F_n+F_n+1)∙h/2                                                    (5)

 

   где   F_n и F_n+1 – площади двух соседних горизонталей;

          h – сечение между горизонталями(в данном случае равно 1 метру).

Расчет емкости чаши водохранилища  сводится в Таблицу 1«Расчет емкости чаши водохранилища».

 

Таблица 1 «Расчет емкости чаши водохранилища»

наименование горизонталей (отметки)	Площадь по одной данной горизонтали F,м2	Средняя площадь между горизонталями, Fср,м2	Сечение горизонталей, h,м	Объем воды между соседними горизонталями,Wср ,м3	Объем до данной горизонтали, W ,м3
1	2	3	4	5	6
36	77500				25833
		128750	1	128750
37	180000				154583
		242500	1	242500
38	305000				397083
		388750	1	388750
39	472500				785833
		556250	1	556250
40	640000				1342083
		741250	1	741250
41	842500				2083333

 

 

Объем воды, который может вместить чаша водохранилища  при данных топографических условиях можно определить, посмотрев на последнюю  цифру графы 7 или просуммировав  данные графы 6.

Полученную  емкость водохранилища (W) необходимо сравнить с объемом возможного притока воды в водоем (S_50%). При этом могут быть два случая, рассмотрим их ниже:

1) когда   S_50%>W в этом случае общий объем пруда будет равен емкости чаши водохранилища (W_общ)

2)когда   S_50%<W в этом случае общий объем пруда будет равен объему возможного притока воды  (S_50%)  и оно берется за расчетное значение

Для более  точного определения расчетного горизонта воды в водохранилище (НПГ) построим интегральные кривые площади  зеркала и емкости водохранилища.

4.   Построение интегральных кривых площади зеркала и емкости водохранилища.

 

Интегральные  кривые необходимо иметь для производства дальнейших расчетов. Выполняются они  по данным Таблицы 1 «Расчет емкости чаши водохранилища». На оси ординат наносим наименование горизонталей (отметки), а на оси абсцисс – шкала объёмов и шкала площадей. Масштаб выбираем произвольно. Для построения кривой из Таблицы 1 по каждой горизонтали выбираем соответствующие им значения площади горизонтали (графа 3) и объём до данной горизонтали (графа 7), и наносим эти точки на график. Соединяя плавной кривой нанесённые точки получим интегральные кривые площади и объёма водохранилища. Кривые W=f(h) и F=f(h) показывают, как изменяются объём и площадь водохранилища в зависимости от глубины пруда.

Откладывая  на шкале ёмкости водохранилища  объём возможного притока в пруд, определяем расчетный нормально  – подпертый уровень (НПУ).

Интегральные  кривые представлены на Рисунке 2 «Интегральные кривые водохранилища».

5.   Определение полезного объёма пруда.

 

При водохозяйственных  расчетах ориентироваться на использование  полного объёма пруда нельзя, так  как за летний период значительное количество воды будет потеряно на испарение и фильтрацию.

При весеннем наполнении пруда вода, притекаемая  в водоем содержит большое количество наносов, которые затем оседают  на дно пруда и уменьшают его  объём. Это вызывает необходимость  не реже одного раза в 15…20 лет производить  чистку пруда. Кроме того, в пруде  постоянно находится некоторый  объём воды, чтобы водохранилище  в летнее – осенний период не пересыхало, а в зимний – не промерзало.

В пруде должен всегда находиться объём воды, необходимый  для жизни рыб. Слой воды в пруде (помимо наносов) должен быть не менее 1,5…2,0м. Объём воды (отвечающий этому слою) и рассчитанный объём заиливания называется мертвым объёмом пруда.

 

Таким образом, общий объём пруда W_общее,м³, может быть определен так:

 

W_общее=W_полез+ W_ГМО+W_исп+W_фильтр                               (6)

 

где: W_полез- полезный объём пруда, м³

       W_ГМО- мертвый объём пруда, м³

        W_исп- объём испарения, м³

        W_фильтр- объём фильтрации, м³

1. Определение мертвого объёма.

 

Мертвый объём  состоит из объёма наносов, которые  накапливаются в пруде за период между чистками пруда и объёма воды составляющего слою 1,5…2,0м.

Объём наносов  W_{наносов},м³ определяем по формуле:

 

W_{наносов}=                                                     (7)

 

 

где: μ- мутность воды, притекаемой в водоём (количество килограмм наносов, содержащихся в  каждом кубическом метре воды)

        t- период между чистками пруда 10 лет

        J- объёмный масса наносов 1.5 т/м³

       1000- переводной коэффициент из  кг в тонны м³

 

W_{наносов}= =3792,6 м³

 

Полученный  по формуле объём наносов откладываем  на шкале объёмов интегральной кривой и проводим линию до пересечения  с кривой объёмов. От точки пересечения  проводим горизонтальную линию на шкале  отметок, на которой находим глубину  возможного заиления пруда за t лет. H_{наносов}=35,4м.

К отметке  наносов добавляем 1,5…2,0м и получаем отметку мертвого объёма пруда. H_ГМО=36,9м. Зная отметку мертвого объёма пруда, пользуясь интегральной кривой объёма пруда, определяем мертвый объём (W_ГМО=134000м³).

2.   Определение объёма испарения и объема фильтрации.

 

Для определения  объёма испаряющейся воды необходимо знать слой испаряющейся воды и площадь, с которой происходит испарение. Тогда объём испарения W_исп,м³, будет равен:

 

W_исп =F_исп ·h_исп                                                                                (8)

 

 

где: F_исп- площадь испарения, м²

        h_исп- слой испарения, м

 

Слой испарившейся воды h_исп, мм, может быть определён по формуле И.В. Тихомирова:

h_исп=Д∙(15+3∙v)                                                   (9)

 

где: Д- дефицит  влажности воздуха, мб;

        V- скорость ветра, м/с

 

Для курсового  проектирования дефицит влажности  воздуха (Д) в среднем за период может  быть принят в пределах 8…12 мб. Скорость ветра в пределах 5…7 м/с.

h_исп=10∙(15+15)=300мм=0,3м

 

Площадь испарения  в течении всего периода будет  изменяться: весной она будет равна  площади полной ёмкости пруда, а  осенью – площади мертвого объёма пруда.

За расчетную  принимаем среднюю площадь, которая  определяем по отметке испарения.

Отметка площади  испарения F_исп, м, равна:

 

F_исп=                                                   (10)

 

где: НПГ- отметка наивысшего подпертого горизонта воды в пруде;

        ГМО- отметка горизонта мертвого объёма

 

НПГ и ГМО берём по интегральной кривой по шкале отметок. По отметке испарения, пользуясь кривой площади зеркала водохранилища F=f(H), находим площадь испарения F_исп.

 

F_исп==126750 м²

 

Объём испаряющейся воды определяем по формуле испарения. Объём воды, который теряется на фильтрацию будет зависеть от свойства грунтов, подстилающих ложе водохранилища.

W_исп =126750 ·0,3=38025 м²

 

Если берега и дно оврага образованы водонепроницаемыми грунтами (глина, тяжелые суглинки), то объём воды на фильтрацию принимаем  равным 5…10% от общего объёма пруда, при  слабопроницаемых грунтах 10…15%.

 

W_фильтр=5%∙379260=18963 м²

 

Таким образом, полезный объём пруда:

 

W_полезн=W_общее-(W_исп+W_фильтр+W_гмо)                               (11)

 

где: W_общее - общий объём воды в пруде, м³

 

W_полезн=379260 - (38025+18963+134000)=188272м³

6.   Проектирование плотины.

Земляная  плотина представляет собой хорошо утрамбованную насыпь, выполненную  из слабоводопроницаемого грунта. Лучшим материалом для насыпи плотины является суглинистые и супесные грунты с  содержанием в них 50…60% песка. На Чертеже 1 «Поперечное сечение земляной плотины» показан поперечный разрез плотины с замком.

1. Определение размеров элементов плотины.

 

Отметка гребня плотины (ГП) должна быть больше, чем  уровень воды перед плотиной (НПГ) не менее, чем на 1,0 м (h_зап).

Величина  сухого запаса гребня плотины (ГП) над  расчетным горизонтом (НПГ) h_зап, м, определяем по формуле:

 

h_зап=(0,7+h_волны)                                                  (12)

 

где: h_волны- высота разгона волны, м

 

Высота разгона  волны h_волны,м, определяется по формуле Замарина В.А.:

 

h_волны=0,5+0,1∙L                                                (13)

 

где: L- длина разгона волны, которая определяется по наибольшему измерению диагонали зеркала пруда, км

L=1,39км

h_волны=0,5+0,139=0,639м

 

Тогда h_зап=0,7+0,639=1,339 м

 

Ширина плотины по гребню по заданию равна 4м

Откосы плотины зависят от свойства грунта, из которого выполняется плотина. Верховой откос, то есть обращенный к воде по заданию равен принимаем с заложением m₁=5 это значит, что ширина основания под этим откосом в 5  раза больше высоты плотины. Низовой откос обычно делают с заложением m₂=2. Коэффициент верхового откоса обозначается буквой m₁, низового – m₂.

Ширина плотины у основания В, м, определяем по формуле:

 

B = b+H_max∙(m₁+m₂)                                          (14)

 

где: b- ширина плотины по гребню, м

      H_мах- высота плотины, м

        m₁- коэффициент заложения верхового откоса

        m₂- коэффициент заложения низового откоса

 

B = 4+4,3∙(5+2)=34,1м

 

Если под основанием плотины водопроницаемые грунты залегают на некоторой глубине, то в этом случае, чтобы уменьшить фильтрацию воды под плотиной прибегаем к устройству глинного замка. Глубина замка определяем из условия, чтобы он врезался в водонепроницаемый слой на 0,5…0,7 м. Ширина замка по дну принимаем равной 1/3 ширины по гребню, то есть 1,5 м. Стенки замка выполняем с заложением откосов m=1,5…1,0.

После установления всех размеров плотины выполняем  следующие чертежи:

- продольный  профиль по створу плотины  в масштабе: горизонтальный М  1:2000, вертикальный М 1:50 (см. приложение Чертеж 2 «Продольный профиль по оси земляной плотины »);

- поперечный  разрез плотины в масштабе  М 1:200 (см. приложение Чертеж 1 «Поперечное сечение земляной плотины»).

На чертежах должны быть нанесены высотные отметки  всех элементов плотины, увязанные  с планом.

7.   Определение объема земляных работ по устройству пруда.

1. Насыпка тела плотины.

 

Объём земляных работ по насыпке тела плотины  W, м³, определяется по формуле:

W= F_cp∙l                                                    (15)

 

где: F_ср- площадь поперечного сечения земляной плотины при средней высоте плотины, м²

        l- длина плотины по гребню, м (берется из продольного профиля плотины l=196м)

 

Величина  средней площади поперечного  сечения плотины F_ср, м², определяем по формуле:

 

F_cp= H_cp                                               (16)

 

где: b- ширина плотины по гребню, м

        В_ср- ширина плотины по подошве, м

 

Ширина плотины по подошве В_ср,м, определяется по формуле:

 

B_cp = b+H_ср∙(m₁+m₂)                                                  (17)

 

где: H_ср- средняя высота плотины, м

Величина  средней высоты плотины H_ср,м, определяется по продольному профилю (Чертеж 2) из условия:

 

H_ср                                                                                                (18)

 

где _{- сумма высот плотины,м;}

n – количество расчетных значений высоты плотины

 

H_ср=2,39 м, тогда B_cp= 4+2,39∙(5+2)=4+16,73=20,73м

Рассчитывается F_cp= 2,39=34,33м²

Тогда W=34,33∙196=6728,68м³

2. Снятие  растительного грунта.

 

Растительный  слой земли снимается с площади  основания плотины (со дна и берегов  оврага) на глубину 0,3м . Площадь основания плотины рассчитывается по средней высоте плотины.

Объём земляных работ по снятию растительного грунта W_р, м³, будет равен:

 

 

W_р=F_осн∙h                                                        (19)

 

где: F_осн- площадь основания плотины, м²

        h- глубина снятия растительного слоя, м

 

Площадь основания  плотины F_осн,м², определяется по формуле:

 

F_осн= B_cp∙ l_пл                                                                               (20)

 

где: l- длина плотины, 196 м

       m₁, m₂- коэффициенты заложения откосов плотины

 

F_осн= 20,73∙ 196=4063,08м², тогда W_р=4063,08∙0,3=1218,92м³

 

3. Устройство  водосбросного канала.

 

Водосбросной  канал является обязательным сооружением  в каждой плотине.

Объём земляных работ W_к,м³, приближенно может быть принят равным 6…8% от объёма земляных работ по насыпке тела плотины.

 

W_к=0,06…0,08∙W                                                  (21)

 

W_к=0,08∙6728,68=538,29м³

 

Крепление откосов  плотины и другие виды ручных работ  W_др,м³, принимается примерно от 4…6% объёма земляных работ по устройству плотины.

 

W_p=0,04…0,06∙W                                                (22)

 

W_p=0,06∙6728,68=403,72м³

 

 

Общий объём  земляных работ составил 8889,61м³

8. Определение оросительной способности пруда.

 

Оросительную  способность пруда, то есть, количество гектаров, которые можно оросить  из данного пруда W_нетто, га, определяют упрощено по формуле:

W_нетто=                                                        (23)

 

где: М_пр- приведенная оросительная норма, которая равна 3200м³, с учетом потерь воды в пруде и в каналах оросительной системы, что соответствует коэффициенту использования прудовой воды, равному 0,70…0,75.

 

W_нетто==58,835га=588350м²

 

Затем определяется площадь брутто W_брутто, га, участка орошения с учетом отчуждения площади под оросительные каналы, дороги, лесополосы по формуле:

W_брутто=                                                      (24)

 

где: КЗИ- коэффициент  земельного использования, принимается  равным 0,75

 

W_брутто==78,447га=784470м²

 

2. Проектирование  оросительной системы.

 

Закончив  расчеты по проектированию пруда, приступают к составлению оросительной системы, предварительно решив, будет ли эта система самотечной или с механическим водоподъемом. В данном случае наивысшая точка проектируемого участка орошения расположена выше расчетного уровня воды в пруде (НПУ), следовательно, воду придется поднимать при помощи насосной станции и система орошения в этом случае возможна только с механическим подъемом.