Проектирование противоэрозионной инженерно-биологической системы водосбора

      Содержание 

      Введение                                                                                                             5

      1 Природные условия территорий                                                                    7 

      1.1 Общие сведения о территории города                                                       7

      1.2 Климат и рельеф                                                                                           7

      1.3 Геологическое строение                                                                              8

      1.4 Гидрогеологические условия                                                                      8

      2 Техногенные условия территорий                                                                10

      2.1 Функциональное зонирование территории                                               10

      2.2 Характеристика водообеспечения  территории                                         11

      2.3 Подтопление городской территории                                                          14

      3 Водный баланс территории. Оценка инфильтрационного питания    подземных вод в условиях техногенных воздействий                                              16

      4 Обоснование инженерной защиты городской территории от затопления и подтопления                                                                                                                   19

      4.1 Выбор расчетной обеспеченности                                                               19

      4.2 Проектирование дамбы обвалования                                                          20

      4.3 Отвод поверхностных вод с  защищаемой территории                             21

      4.4 Выбор схемы, типа и конструкции  защитного дренажа                           27

      4.5 Фильтрационные расчеты защитного  дренажа                                          27

      4.6 Проектирование дренажа в плане  и в вертикальной плоскости              33

      4.7 Гидравлический расчет защитного  дренажа                                              34

      4.8 Расчет фильтрующей обсыпки и  водоприемных отверстий дренажных труб                                                                                                                                 36

      4.9 Определение параметров насосной  станции и объема регулирующего  резервуара                                                                                                                      36

      1 Природные условия территории

      1.1 Общие сведения о территории  города 

      Город Брянск - промышленный центр Брянской области. Расположен на юго-востоке Среде – Русской возвышенности, на средней части бассейна реки Десна .  Численность населения составляет около 455 тыс.

      За  год выпадает в среднем 500мм осадков, испаряемость с водной поверхности составляет 600 мм в год. Условия увлажнения изменяются от засушливых до достаточно влажных.

      Среднемесячные  скорости ветра в летний период составляют oт 3 до 5,2 м/с.  

      1.2 Климат и рельеф 

    Территория  города Брянска относится к средне засушливой зоне, характеризуется умеренным теплым летом и   сравнительно холодной зимой.

    Средняя годовая сумма осадков колеблется в пределах 550-600 мм, однако случаются значительные отклонения в обе стороны. Максимум осадков приходится на лето (80-100 мм), минимум выпадает в феврале (25-35мм).

    Климат умеренно континентальный с холодной зимой, сменяющейся теплым летом. Средняя годовая температура воздуха равна +4,7°C. Средняя температура января -9°C, июля 19°C.

    Абсолютный  многолетний минимум температуры  воздуха составляет по району -37°С...-38°С, а абсолютный максимум  +36-39°С.

    Город Брянск расположен на Средне-Русской возвышенности с высотами до 275 м. Эта возвышенная равнина полого спускается к югу, изрезана балками, оврагами и глубокими речными долинами. Территорию можно отнести к умеренной категории овражности:

• коэффициент протяженности оврагов - К = 0,2 – 0,4 км/км²;
• плотность оврагов – П = 25 – 50 шт/100 км².

      1.3 Геологическое строение 

      Территория  Брянска расположена в центральной части Восточно-Европейской платформы. Она находится на северо-западной окраине Воронежского кристаллического массива докембрийского времени.  
В ее строении выделяют два структурных этажа: нижний - кристаллический фундамент и верхний - осадочный чехол. Кристаллический фундамент слажен смятыми в складки породами архея и раннего протерозоя (АR-РR1), а осадочный чехол - относительно спокойно залегающими отложениями позднего протерозоя (РR2), палеозоя (РZ), мезозоя (МZ), кайнозоя (КZ)

      Мощности  и коэффициенты фильтрации отложений  представлены в таблице 1.

      Таблица 1 - Геологическое строение территории

         1.4 Гидрогеологические условия 

     Данная  территория относится к Деснянскому бассейну, однородна по условиям питания и разгрузки подземных вод. Подземные воды вскрыты буровой скважиной на глубине 8 м от поверхности земли. Средний уклон поверхности подземных вод со стороны водораздела составляет i=0,00035. Подземные воды распространены в четвертичных отложениях. Воды аллювиальных отложений различного возраста гидравлически связаны друг с другом и образуют единый грунтовый поток, дренируемый рекой Десна, и имеющий общую свободную депрессионную поверхность. Питание горизонтов осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, а также за счет поступления подземных вод со стороны водораздела из отдаленной области питания. Разгрузка водоносных горизонтов осуществляется в сторону реки.

     Подземные воды аллювиальных отложений характеризуются  преимущественно слабой минерализацией и гидрокарбонатно-кальциевым составом.

     В результате повышения горизонта  воды в реке при строительстве  водохранилища создаются условия  для затопления и подтопления  городской территории водами водохранилища  и подземными водами.

     Рассчитаем  расход потока подземных вод со стороны  водораздела, приходящийся на 1 м ширины его сечения, по формуле:

           Q₁ = ω * k * i = T * 1 * k * i ; (1.4)

     где: ω - площадь поперечного сечения потока, м

     k - коэффициент фильтрации грунта, м/сут;

     k = 0,9 м/сут;

     i - уклон поверхности потока;

     i = 0,00035;

     Т - мощность потока, м.

     Т = 29 – 8 = 21 м;

     Q₁ = 21 * 1 * 8 * 0,00035 = 0,06 м³/сут на 1 п.м.

     2. Техногенные условия территории

     2.1Функциональное  зонирование территории 

     В генплане города предусмотрено четкое зонирование территории по ее организации  и назначению:

• селитебная зона;
• промышленная зона;
• коммунально-складская зона;
• зона предприятий местной и пищевой промышленности;

• зона внешнего транспорта;

• прибрежная зона отдыха.

     Промышленная  зона расположена к востоку от селитебной зоны и не оказывает прямого влияния на техногенные условия города Брянск,  Коммунально-складская зона  и предприятия пищевой промышленности  размещены параллельно селитебной территории.

      Баланс  площадей территории района представлен  в таблице 2.

Таблица 2 - Баланс территории

    В условиях проектных границ территория района составляет 988 га.  

    2.2 Характеристика водообеспечения  территории 

    Водоснабжение территории осуществляется от водозабора, расположенного на р. Десна. Вода подается в город насосной станцией второго подъема после очистки на водопроводных сооружениях.

    Для расчета системы водоснабжения  принимаем согласно СНиП 2.04.02-84 данные исходя из нормы водопотребления на 1 человека 320 л/сут. и численности населения района 34040 тыс.чел. Норма водопотребления распределяется следующим образом:

• питьевая вода - 90 л/сут на 1 чел.
• хозяйственная вода (холодная) - 160 л/сут на 1 чел.
• хозяйственная вода (горячая) - 70 л/сут на 1 чел.

    Расчетный среднесуточный расход питьевой и хозяйственной  воды Q составит:

    Q = N • М ,      (2.1 )

      где N - численность населения, тыс.чел.;

           N = 53,3 тыс.чел.;

    М - норма водопотребления, л/сут на 1 чел.

    М = 320, л/сут.; 

    Q  = 53,3 • 320 = 17056,0 м³/сут 

    По плану водопроводной сети определяем удельную протяженность трубопроводов. Удельная протяженность водопроводных сетей I_В = 0,2 км/га. Общая протяженность водопроводных сетей составляет: 

    L_B =I_в ,      (2.2)

    где   I_В - удельная протяженность сетей, км/га;

      F - площадь района, га.

      F = 988,0 га. 

    L_B = 0,2 • 988 = 197,6 км 

    Водопроводные сети выполнены из чугунных (80%) и  стальных (20%) труб.

    Рассчитываем эксплуатационные утечки из сетей водоснабжения удельные утечки были приняты W_B = 1.25 м³/сут на 1 пог.м сети. Общие утечки из сетей водоснабжения составят:

    W_во = W_B • L_в   ,   ( 2.3 ) 

    где   W_B - удельные утечки, м³/сут на 1 пог.м;

      L_B - протяженность водопроводных сетей, м. 

    W_BO = 1.25

    Находим утечки из водопроводных сетей в % от величины водоподачи составляют:

    W_% = ( W_BO/Q )• 100% = ( 247,5/17056 ) • 100% = 1,45 % 

    Теплосети. Теплопотребление города составляет: отопление, вентиляция, горячее водоснабжение. Удельная протяженность теплосети I_T = 0,25 км/га, общая протяженность составляет:  

    L_T = I_T ,      (2.4) 

    где    I_T - удельная протяженность, км/га;

    F - площадь района., га.

    L_T = 0,25 • 988 = 247,0 км

    Трубы теплосети стальные, удельные утечки из теплотрасс принимаются равными утечкам из водопроводной сети, то есть в среднем  

    W_T = м ³/сут на 1 пог.м. Общие утечки составят 

    W_to= W_T • L_T , ( 2.5 ) 

    где   W_T - удельные утечки , м³/сут на 1 пог.м. 

    W_to = 1,25•10^-3 • 274000 = 308,75 м³/сут 

    Канализация. Сточные воды от жилых домов, хозяйственных объектов, от мойки автотранспорта по системе самотечных и напорных коллекторов поступают на очистные сооружения.

    Удельная  протяженность канализационных  сетей района I_K = 0,15 км/га, находим общую протяженность сетей: 

    L_k = l_k • F ,       ( 2.6 ) 

    где   I_K - удельная протяженность сетей, км/га;   

    F - площадь района, га. 

    L_K =0,15 • 988= 148,2 км. 

    Канализационная сеть выполнена из чугунных (25%), стальных (20%) и асбестоцементных (55%) труб. Удельные утечки из канализационных сетей города W_K = м³/сут на 1пог.м, общие утечки из канализации составляют: 

    W_KO = W_K   ,                (2.7) 

    где W_K - удельные утечки, м³/сут на 1 пог.м.

    W_KO = 1,5 • 148200 = 223,3 м³/сут. 

    В расчетах водного баланса территории вводим также потери воды из водонесущих коммуникаций во время аварий. Потери воды при авариях рассчитываем на основании данных о количестве аварий на сетях коммуникаций и потерь воды при авариях. Принимаем потери воды при авариях равными 0,1% от эксплуатационных потерь. 

    Рассчитываем  общие эксплуатационные и аварийные утечки из водонесущих коммуникаций:

    W_yт=W_во+ W_то+W_ко + W_a = 247,5+308,75+223,3+0,8 = 780,35•365 м³/cyт = 280926 м³/год. 

      2.3 Подтопление городской территории 

      Подтопление городской территории формируется  под влиянием факторов природного и техногенного происхождения. К природным относятся атмосферные осадки и поток грунтовых вод, поступающих со стороны, и регионально разгружающийся в реку. К техногенным следует отнести: подпор грунтовых вод водохранилищем, утечки из водонесущих коммуникаций, полив зеленых насаждений, нарушение естественного оттока поверхностных вод, вызванное городской застройкой и неудовлетворительной работой дождевой канализации.

         Выполним расчеты подпора потока  грунтовых вод водохранилищем  для выяснения вопроса о возможном подтоплении территории грунтовыми водами и для разработки защитных мероприятий. Расчет подпора грунтовых вод водохранилищем заключается в определении горизонта грунтовых вод, который наблюдался бы на территории при создании водохранилища.

         Кривая депрессии грунтовых вод при установившемся подпоре при наличии потока со стороны рассчитывается по уравнению Г.Н.Каменского

    Н=                                             (2.8)

    где h- глубина потока грунтовых вод до подпора в расчетном сечении на расстоянии Х от берега водохранилища;

    Н – то же, после подпора;

    h₁ – глубина потока грунтовых вод у берега реки до подпора;

    Н₁ - то же, после подпора

    Расчет  подпора грунтовых вод водохранилищем сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Расчет подпора грунтовых вод 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        3. Водный баланс территории. Оценка инфильтрационного питания подземных вод в условиях техногенных воздействий

     Основными источниками питания вод зоны аэрации, и, следовательно, грунтовых вод на данной территории являются: атмосферные осадки, трансформируемые на застроенной территории; эксплуатационные и аварийные утечки из водонесущих коммуникаций; поливные воды, расходуемые на полив зеленых насаждений.

           Величина инфильтрационного питания  за год рассчитаем по следующему  балансовому уравнению:

      G=M_op*F_op+W_ут+O_c*(F-F_пр*σ_пр-F_H*σ_H*β)-Е_c*F_пр        (3.1)

      где G – объем инфильтрационного питания грунтовых вод на всей данной территории, м³/год;

      M_op -оросительная норма зеленых насаждений,

      M_op =2000 м³/га год;

      F_op -площадь поливаемых зеленых насаждений,

      Общая  площадь  полива  территории  данного  жилого  района  составляет: F_op =27,17 га;

      W_ут -эксплуатационные и аварийные утечки из водонесущих коммуникаций,

      Объём  эксплуатационных  и  аварийных  утечек  из  водонесущих  коммуникаций  составляет  W_ут =280926 м³/год;

      O_c -атмосферные осадки за расчетный год,

      В  качестве  расчётного  принимается  год  обеспеченности  величины  дефицита  водного  баланса  р=3%, для  которого  согласно  характеристики  природных  условий, осадки  O_c = 6000 м³/га год;

      F - вся рассматриваемая площадь, F= 988 га;

      F_пр -общая площадь проницаемых поверхностей рассматриваемой территории,

      F_пр =494,0 га;F_H - общая площадь непроницаемых поверхностей рассматриваемой территории (асфальт, крыши домов),

      F_H =422,5 га;

      σ_пр -коэффициент стока с проницаемой поверхности,

      σ_пр =0,15;

      σ_H - коэффициент стока с непроницаемой поверхности,

      σ_H =0,85;

      β -коэффициент, учитывающий сток с  непроницаемых поверхностей в дождевую канализацию,

      β =0,5;

      Е_c- суммарное испарение с проницаемых поверхностей за расчетный год, м³/га год

            Е_с=Е_о*Кб     (3.2)

      где Е_о –испарение с водной поверхности,

      Е_о = 7500 м³/год;

      Кб - биологический коэффициент,

      Кб =0,8

      Е_с= 7500 * 0,8 = 6000 м³/га.

      G = 2000*27,17+280926 +6000*(988-494*0,15-494*0,85*0,5)-6000*494= 1593966 м³/год

      Сводим  в таблицу 4 результаты  расчётов инфильтрационного питания.

     Таблица 4 - Расчет инфильтрационного питания

        Анализ  данных  таблицы   показывает, что  поступление   воды   составляет 

      4223,3  тыс.м³/год, из  них осадки - 92,64%, поступления из  водонесущих коммуникаций – 6,16%, поливные воды - 1,2% . Расходы воды  за  счёт  испарения и транспирации  составляет  65,02%  от  суммы приходных составляющих. 

      Для дальнейших расчетов выразим инфильтрационное питание в единицах измерения  м/сут по формуле:

                                                          (3.3)

      где G –инфильтрационное питание,

      G = 1593966 м³/год;

      F- рассматриваемая площадь,

      F = 988 м²

      Т- число суток в году;

      Т = 365

      Для  рассматриваемого  района:

        Р =

      4.Обоснование инженерной защиты городской территории от затопления и подтопления 

      4.1 Выбор расчетной обеспеченности 

        Анализ природных и техногенных условий рассматриваемой территории показывает, что данная территория подвержена явлениям затопления и подтопления. Для инженерной защиты территории необходимо наметить систему защитных мероприятий. В состав намечаемых мероприятий по инженерной защите рассматриваемой территорий входит: обвалование оградительной дамбой; защита от притока поверхностных вод со стороны водораздела с помощью нагорных каналов; организованный сбор и быстрый отвод поверхностных вод на самой защищаемой территории с помощью дождевой канализации (водосточной сети); устройство защитного дренажа; перекачка поверхностных и дренажных вод за пределы обвалованной территории.

      Так как наблюдается ежегодное варьирование расходов и уровней воды в реках и водохранилищах, поверхностного стока, естественного увлажнения территории (осадков и испарения), то для учета этой изменчивости при проектировании защитных сооружений необходимо выбрать расчетную вероятность превышения (обеспеченность) этих величин. Несмотря на различное влияние этих величин на состояние городской территории, в первом приближении расчетную обеспеченность для них можно принять одинаковой и зависящей от класса капитальности сооружений.