Проектирование систем водопадов, порогов и каскадов

Водопад – это специальное гидротехническое сооружение, представляющее собой поток воды, ниспадающий с высоты в несколько метров. Лучший эстетический эффект достигается за счет формы водопада, когда ширина больше глубины потока.

Конструктивно водопад представляет собой вертикальный бетонный перепад высотой не менее 2 м с ограничивающими боковыми стенками. Вода, низвергаясь в пределах перепада, попадает в водобойный колодец, где происходит гашение энергии потока. Из водобойного колодца поток поступает на каскады или пороги.

Каскады устраиваются по принципу перепадов. В отличие от открытых русел гидротехнических сооружений (каналов), где обычно устраиваются перепады при значительных уклонах отдельных участков, в садово-парковых объектах данные гидротехнические сооружения устраиваются для создания эстетического эффекта. Если для гашения энергии потока в руслах каналов бывает достаточно устройства одноступенчатого перепада со ступенью высотой 2 м, то в садово-парковых объектах с эстетической точки зрения в данном случае лучше устроить, например, четырехступенчатый каскад.

Следовательно, каскад в садово-парковых объектах – это многоступенчатый перепад, устраиваемый при значительных уклонах местности. Транзитная часть каскада выполняется в виде ряда ступеней из одинаковых или разных по размерам элементов, образованных продольными (боковыми) и поперечными стенками. Длину каждой ступени принимают не менее двух высот перепада уровней на ней. При устройстве каскадов целесообразно высоту перепада уровней на соседних ступенях принимать не меньше 0,5 м.

Пороги в садово-парковых объектах устраивают по принципу быстротоков. Быстроток представляет собой облицованный лотковый канал постоянной или переменной ширины с вертикальными откосными стенками. Уклон обусловливает бурный или сверхбурный режим движения потока, а помещенные на днище канала в хаотическом порядке крупные камни придают потоку порожистый характер.

В зависимости от рельефа одна трасса потока может включать разное сочетание указанных водных устройств, образуя единую систему. В начале данной системы могут располагаться пороги, переходящие в водопад и потом в каскад. Или же начало системы может быть представлено каскадом, за которым следует водопад и пороги. Возможно и другое сочетание водных устройств.

При курсовом проектировании необходимо предусмотреть две системы, располагая их на противоположных склонах долины за плотиной пруда, представлено на рисунке 3.2. Вода из них сбрасывается в канал водоспуска пруда.

1 – плотина; 2 – отводящий канал водоспуска; 3 – первая система водопада, порогов и каскадов; 4 – вторая система

Рисунок 3.2 – Схема взаимного расположения сооружений.

Аналогично продольному профилю плотины вычерчивается продольный профиль по трассе каждой системы, на котором в зависимости от рельефа размещают водные устройства. В местах наибольшего уклона размещают водопад, каскады, а при малых уклонах – пороги. Продольный профиль двух трасс представлено на рисунке 3.3. В соответствии с продольным профилем трасс можно сделать вывод: нам не целесообразно делать водопад, а необходимо создать систему порогов и каскадов, что красиво впишется в наш ландшафт. Общая протяженность систем: первой – 210 м, второй – 225м. Каскады будут располагаться на участке системы с наибольшим уклоном, что позволит создать эффект падающей и шумящей воды. Каскады на первой трассе размещаются между горизонталями с отметкой 9 м и 5 м, и имеют протяженность 120 метров. На второй трассе: протяженность трассы 95 м, между 5 м и 9 м горизонталью. На более пологой местности будут устроены пороги между горизонталями с отметкой 5 м и 3,5 м. пороги первой системы имеют протяженность 90 м, а второй – 130 м.

К устройству систем предъявляются разные требования в зависимости от планировки садово-паркового объекта. При регулярной планировке система водных устройств является главенствующим элементом композиции, подчиняющим себе решение окружающего пространства. При пейзажной планировке система водных устройств должна выглядеть естественно и вписываться в пейзаж. Для этого необходимо живописно изрезать берега, свободно бессистемно расположить камни и валуны, разместить деревья и кустарники и подвести дорожки с грунтовым или песчано-гравийным верхним покрытием. При регулярной планировке систему оборудуют малыми архитектурными формами с применением добротных обработанных материалов: гранита, мрамора, плитняка, туфа разных окрасок и т.п.

В начале системы устраивается водоприемная камера, представляющая собой бетонный колодец. Водоприемная камера служит для накопления определенного объема воды, который при заданной ширине водослива обеспечивал бы постоянный напор. В садово-парковых объектах целесообразно воду, использованную фонтаном, направлять для обеспечения работы системы. При этом вода из чаши фонтана по закрытому трубопроводу подается к водоприемной камере. Как правило, расход воды системой превышает расход фонтана. В связи с этим недостающее количество воды требуется подавать через дополнительный трубопровод, который прокладывается, например, от водонапорной башни до водоприемной камеры системы. Из водоприемной камеры вода поступает на начало системы, которое представляет собой водослив с широким порогом.

При курсовом проектировании необходимо определить расход (Q), вычислить диаметр трубопровода (d), подающего воду от водонапорной башни к первой системе, а также диаметр трубопровода (d), подающего воду от водонапорной башни к декоративному бассейну, из которого вода самотеком поступает к началу второй системы.

Расход воды одной системой (Q, м³/с) через водослив с широким порогом определяется по формуле

Q = mbH = 0,35×1,4×0,3× = 0,36 м³/с (3.9)

где m – коэффициент расхода водослива с широким порогом (0,35);

b – ширина порога водослива (1,4), м;

Н – напор на водосливе (0,3), м.

Для определения диаметра трубопровода, подающего воду от водонапорной башни к первой системе, определяется расход данного трубопровода (Q_т, м³/с), который равен разности между расходом системы, вычисленным по формуле (3.9), и расходом фонтана, вычисленным по формуле (3.5)

Q_т = Q_с – Q_ф = 0,36 м³/с – 0,002 м³/с = 0,358 м³/с.

где Q_с – расход системы, м³/с;

Q_ф – расход фонтана, м³/с.

Последующие вычисления выполняются аналогично определению диаметра трубопровода, питающего фонтан. Общий напор в трубопроводе (Н, м) будет равен разности относительных отметок уровня воды в водонапорной башне (Н_уб, м) и начала первой системы (Н_с, м), т.е. Н = Н_уб – Н_с = 39 – 9 = 30 м.

Согласно уравнению Д. Бернулли в напорных системах общий напор расходуется на преодоление сопротивлений (h_дл + h_м, м) и при свободном истечении – на образование скоростного напора (h₀, м), т.е. Н = h_дл + h_м + h₀.

Для определения скоростного напора можно использовать значения предельных скоростей, которые обусловлены экономическими соображениями и зависят от материала труб и расхода. В стальных трубопроводах при расходах от 2 до 3000 л/с предельная скорость потока (v_пр, м/с) составляет 1,0–1,7 м/с. Приняв конкретную величину предельной скорости, вычисляем скоростной напор по формуле (v_пр= 1,5 м/с):

h₀= =(1,5)²/2×9,81=0,12 м (3.10)

Производим расчет потерь: h_дл + h_м = Н – h₀ = 30 – 0,12 = 29,88 м.

Далее, подсчитываем потери напора (h_м, м) в трубопроводе на преодоление местных сопротивлений, которые составляют 5–10% от суммы потерь (h_дл + h_м) и равны 3,0 м.

Определяем потери напора на преодоление сопротивлений по длине трубопровода:

h_дл = Н – h₀ – h_м = 30 м – 0,12 м – 3,0 м = 26,88 м.

Длина трубопровода (ℓ) равна 330 м.

Вычисляем удельное сопротивление А:

А = = = 2,036 с²/м⁶.

Диаметр трубопровода.

d = = = 0,25 м = 250 мм.

Учитывая стандартные размеры труб, принимаем диаметр трубопровода 250 мм (ближайший, больший).

Расход воды второй системой (Q, м³/с) через водослив с широким порогом определяется по формуле:

Q = mbH = 0,35×1,4×0,3× = 0,36 м³/с (3.9)

где m – коэффициент расхода водослива с широким порогом (0,35);

b – ширина порога водослива (1,4), м;

Н – напор на водосливе (0,3), м.

Для определения диаметра трубопровода, подающего воду от водонапорной башни ко второй системе, определяется расход данного трубопровода (Q_т, м³/с), который равен разности между расходом системы, вычисленным по формуле (3.9), и расходом фонтана, вычисленным по формуле (3.5)

Q_т = Q_с – Q_ф = 0,36 м³/с – 0,002 м³/с = 0,358 м³/с.

где Q_с – расход системы, м³/с;

Q_ф – расход фонтана, м³/с.

Последующие вычисления выполняются аналогично определению диаметра трубопровода, питающего фонтан. Общий напор в трубопроводе (Н, м) будет равен разности относительных отметок уровня воды в водонапорной башне (Н_уб, м) и начала второй системы (Н_с, м), т.е. Н = Н_уб – Н_с = 39 – 9 = 30 м.

Согласно уравнению Д. Бернулли в напорных системах общий напор расходуется на преодоление сопротивлений (h_дл + h_м, м) и при свободном истечении – на образование скоростного напора (h₀, м), т.е. Н = h_дл + h_м + h₀.

Для определения скоростного напора можно использовать значения предельных скоростей, которые обусловлены экономическими соображениями и зависят от материала труб и расхода. В стальных трубопроводах при расходах от 2 до 3000 л/с предельная скорость потока (v_пр, м/с) составляет 1,0–1,7 м/с. Приняв конкретную величину предельной скорости, вычисляем скоростной напор по формуле (v_пр= 1,5 м/с):

h₀= =(1,5)²/2×9,81=0,12 м (3.10)

Производим расчет потерь: h_дл + h_м = Н – h₀ = 30 – 0,12 = 29,88 м.

Далее, подсчитываем потери напора (h_м, м) в трубопроводе на преодоление местных сопротивлений, которые составляют 5–10% от суммы потерь (h_дл + h_м) и равны 3,0 м.

Определяем потери напора на преодоление сопротивлений по длине трубопровода:

h_дл = Н – h₀ – h_м = 30 м – 0,12 м – 3,0 м = 26,88 м.

Длина трубопровода (ℓ) равна 860 м.

Вычисляем удельное сопротивление А:

А = = = 7,814 с²/м⁶.

Диаметр трубопровода.

d = = = 0,19 м = 190 мм.

Учитывая стандартные размеры труб, принимаем диаметр трубопровода 200 мм (ближайший, больший).