Устройство пруда или водохранилища на местном стоке

 

Пруд – водоем небольшого размера, вместимостью до 1 млн. м^3. Водохранилище – водоем вместимостью более 1 млн. м³.

Основные требования к месту расположения пруда или водохранилища:

· балка или русло небольшой реки, где намечают строительство, должны иметь достаточную глубину – по санитарным условиям не менее 5 м, а лучше 10...12 м. Мелкое водохранилище прогревается солнечными лучами и быстро зарастает болотной растительностью;

· берега балки или реки должны быть по возможности крутыми, чтобы накопившаяся вода не затапливала прилегающие земли, а в случае обвалования от затопления пойменных и других земель объем этих работ был незначительным. Уклон балки не должен выходить за пределы 0,005-0,01. Малые уклоны нехороши тем, что для создания необходимой глубины нужна высокая плотина, что может привести к подтоплению земель. При большой длине балки и выраженном уклоне устраивают каскад водохранилищ;

· пруд или водохранилище следует располагать ближе к территории орошаемого участка. Во избежание загрязнения его строят, как правило, выше населенного пункта;

· дно и откосы балки должны быть сложены мало водопроницаемыми грунтами: однородными суглинками толщиной не менее 1,5 м, подстилаемыми на глубине 3-4 м глинами или тяжелыми суглинками. Нельзя строить водохранилища на песках и трещиноватых породах (мел, известь, мергель, опока) без близкого и мощного водоупора. Если водопроницаемые породы имеют небольшую мощность и на глубине 2-3 м подстилаются водоупором, в теле плотины устраивают замок или шпунтовый ряд;

· балка или русло реки в целях создания пруда или водохранилища большего объема должны быть широкими, а место, где будет плотина,– узким и глубоким, чтобы на 1 м³ земляных работ получить больший объем задержанной воды. Считается экономически эффективным, когда на 1 м³ земляных работ по устройству плотины приходится 15-20 м³ воды. Объем водохранилища увеличивается, если балка имеет разветвления. Однако если в верховьях балки и ее боковых ответвлениях расположены действующие овраги, то во избежание быстрого заиливания водохранилища их можно включать в чашу водохранилища только после соответствующего закрепления;

· в створе плотины не должно быть действующих ключей и родников, так как они могут привести к разрушению ее тела, однако те же ключи и родники в ложе водохранилища (вдоль уреза воды) полезны, так как обеспечивают приток свежей воды. Для лучшего действия ключей и родников места их выклинивания не должны затапливаться большим слоем воды;

· створ плотины следует выбирать в таком месте, чтобы сбоку ее, в материковой части, проходила пологая балка – лощина или небольшой рукав реки, которые можно было бы использовать для устройства водосбросных сооружений. Если такие места обнаружить не удается, то водосбросный канал строят в обвод плотины, а грунт, вынимаемый при этом, идет в тело плотины.

Для защиты прудов и водохранилищ от чрезмерного испарения и заиления по берегам балки оставляют нераспаханную залуженную полосу шириной 20-30 м. Ее засаживают деревьями и кустарниками.

В лесостепной и степной зонах вдоль прудов и водохранилищ высаживают иву, тополь, дуб, березу, клен, ясень, вяз, липу, лиственницу, сосну и др.

Во избежание засорения воды падающими листьями и ветками расстояние от посадок до уреза воды принимают не менее 10 м.

С целью защиты от водной эрозии и более полного перехвата талых и ливневых вод по верхней границе лесной полосы устраивают нагорный канал. Он отводит воду в естественные ложбины или в специальные сооружения – ливнеспуски. Верховья балок также обсаживают деревьями.

 

Проектирование прудов

 

Проектирование пруда начинают с выбора створа будущей плотины. Балка должна иметь достаточный объем и глубину (5-8 м), створ намечают по возможности в сужении балки, берега и основание здесь должны быть сложены устойчивыми и маловодопроницаемыми грунтами, без ключей и пластового выклинивания грунтовых вод. Ложе будущего пруда также должно быть маловодопроницаемым, особенно опасны карстовые явления. Если в ложе будущего пруда залегает торф, его следует выработать во избежание возможного всплывания после затопления или присыпать минеральным грунтом. Кроме того, из зоны затопления удаляют деревья и кустарник, выравнивают поверхность.

Для выбранного замыкающего створа выполняют гидрологические расчеты, в результате которых находят, во-первых, объемы весеннего стока различной обеспеченности и, во-вторых, максимальные мгновенные расходы талой воды и дождевого паводка.

Водохозяйственными расчетами устанавливают характерные объемы и уровни воды, то есть высоты поверхности воды в пруду над условной горизонтальной плоскостью сравнения. Для этого сначала строят батиграфические кривые пруда – кривые зависимости площади пруда и его объема от глубины или высотных отметок, соответствующих различным уровням наполнения пруда.

Гидрологический расчет пруда. Объем стока, поступающего с водосборной площади (к створу плотины) должен обеспечивать суммарное водопотребление.

Водосборную площадь определяют планиметром пли обычным геометрическим путем по плану местности в горизонталях, где сооружают пруд (рис. 10.2).

 

Рис. 10.2. План водосборной площади пруда:

1 – водораздел; 2 – ось плотины

 

 

От оси плотины, намеченной на плане, проводят линию под прямым углом к горизонталям местности. Эта линия представляет собой водораздел, внутри нее и заключается водосборная площадь.

При проектировании прудов необходимо знать расчетный годовой сток. Гидрологический расчет прудов, предназначенных для орошения, проводят на сток 75 или 50% обеспеченности, в зависимости от потребности данного хозяйства в воде. Сток заданной Р% обеспеченности определяется по формуле

W_Р% ^вес=W^вес К_Р%, м³,

где W^вес - норма поверхностного стока, м³;

К_Р% - ордината кривой обеспеченности, %.

Определяется норма поверхностного весеннего стока

W^вес=1000 h F, м³,

где: h - норма слоя весеннего поверхностного тока, мм

F - площадь водосбора, км²

В табл. 10.1 приведены данные наблюдений за стоком талых вод по ручью Глубокий Воронежской области в створе балки Борщев Лог за 14 лет. Водосборная площадь 66 км².

Таблица 10.1 - Данные расчета обеспеченности стока

Гидрологический ряд	Слой стока в убывающем порядке, мм	Обеспеченность Р, %	Гидрологический ряд	Слой стока в убывающем порядке, мм	Обеспеченность Р, %
		3,62			53,4
		10,7			60,6
		17,8			68,7
		25,0			75,0
		32,0			82,3
		39,3			89,3
		46,3			46,7

 

По данным таблицы 10.1 строим график (рис. 10.3).

Сток 50 % обеспеченности среднемноголетний. На рис. 10.3 он составляет 57 мм. Это значит, что на водосборе ручья Глубокий в течение 5 из 10 или 50 из 100 лет сток будет равен этому значению или больше и 50 % лет сток будет меньше.

Сток 75 % обеспеченности равен 34 мм, следовательно, 75 % лет (75 из 100 лет) сток будет равен 34 мм или больше, а 25 % лет сток будет меньше 34 мм.

При водосборной площади ручья Глубокий 66 км² и стоке 75 %-ной обеспеченности 34 мм объем стока W= 1000·66·34= 2244 тыс. м³.

 

Рис. 10.3. Кривые обеспеченности стока ручья Глубокий

 

Водохозяйственный расчет. Проектируемый пруд должен удовлетворять расчетные потребности хозяйства в воде (орошение, водоснабжение, противопожарные цели и др.).

В результате строительства плотины возникает подпор, то есть подъем уровня воды по отношению к первоначальному (бытовому), и соответствующие подпорные уровни.

В пруду различают следующие характерные уровни и объемы (рис. 10.4).

 

 

Рис. 10.4. Основные параметры плотины

 

Нормальный подпорный уровень (НПУ) - наивысший уровень воды, до которого может регулярно наполняться пруд и который можно поддерживать длительное время в нормальных условиях эксплуатации пруда. При назначении НПУ исходят из целесообразности обеспечения возможно большей емкости труда, но, с другой стороны, учитывают недопустимость или нежелательность затопления и подтопления (то есть повышения уровня грунтовых вод) жилых или других помещений, сооружений, сельскохозяйственных угодий, образования широкой зоны мелководья глубиной до 1-1.5 м. При НПУ в пруду размещается его полный объем.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) - максимальный расчетный уровень воды, который наблюдается в пруду в течение пропуска паводка. Объем воды, заключенный в пруду между ФПУ и НПУ, представляет призму форсировки, или сливную. Высота этой призмы для прудов обычно составляет 0,8-1,5 м.

Уровень мертвого объема (УМО) - предназначен для сохранения в зимний период прудовой флоры и фауны, а также для аккумуляции наносов, приносимых в пруд вместе с водой с водосбора: периодически по мере заполнения этого объема наносами (раз в 20-50 лет) воду из пруда спускают и очищают его от наносов.За исключением этих ремонтных периодов, ниже УМО воду не сбрасывают. Глубина мертвого объема может составлять 2-3 м, так чтобы мертвый объем не превышал четверти полного объема. В целях предупреждения заиления полезного объема в пруду оставляют мертвый объем воды, который не используют для хозяйственных нужд.

Полезный объем пруда, в свою очередь, складывается из объема полезной водоотдачи и объема воды, теряемой на испарение и фильтрацию.

Полный объем пруда на отметке НПУ при регулировании стока 75% обеспеченности равен

W_полн=W^вес_75%+W_мо, м³

Отметка НПУ и площадь водного зеркала на этой отметке определяются по батиграфическим кривым пруда по плану балки (рис. 10.5). Планиметром измеряют площадь, ограниченную горизонталями, начиная с горизонтали 98.

Объемы чаши от горизонтали 97 до расчетной вычисляют последовательным суммированием объемов чаши пруда по отдельным слоям.

По батиграфическим кривым пруда и глубине стояния воды в водохранилище можно быстро определить объем воды и площадь водной поверхности.

Рис. 10.5. Батиграфические кривые водохранилища	Топографический план балки: 1 – ось плотины

Объем воды на фильтрацию и испарение определяются по формуле

W_потерь=h_потерь F_ср, м³

Объем воды для орошения определяют по зависимости

W_ор=W_нпу-(W_мо+W_потерь+W_вод),

где W_вод - забор воды на водоснабжения, м³.

Площадь, которую можно оросить этим количеством воды, может быть установлена следующим образом

F_ор=W_ор/М_бр, га,

где М_бр - средневзвешанная оросительная норма брутто (м³/га).

 

Типы и конструкции плотин

 

Для задержания вод местного стока чаще строят земляные (из местных грунтов практически всех видов) плотины. Они пригодны для любых геологических и климатических условий, просты по конструкции, надежны и долговечны. Все работы по возведению таких плотин можно полностью механизировать.

Земляные плотины, как правило, выполняют глухими, то есть вода через их гребень не переливается. Они могут быть насыпными и намывными. Насыпные плотины возводят послойно отсыпкой сухих грунтов с последующим уплотнением. Для намывных плотин грунт разрабатывают, транспортируют и укладывают средствами механизации.

Для снижения фильтрации через земляные плотины применяют различные противофильтрационные устройства (экран, ядро, диафрагма).

По конструкции поперечного профиля земляные плотины могут быть однородными и неоднородными (рис. 10.6).

 

Рис. 10.6. Конструкции земляных плотин:

а – из однородного грунта с замком; б, в – с глиняным ядром и замком; г – с глиняным экраном; д– из однородного грунта со шпунтом; е– из однородного грунта с дренажной песчано-гравелистой отсыпкой; 1 – гребень плотины; 2 - супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – песчаный грунт; 6 – глиняный зуб; 7 – песчано-гравелистая отсыпка; 8 - замок; 9 – водоупорный слой; 10 - песок; 11 - шпунтовой ряд; 12 – ядро

 

Размеры поперечного профиля плотины (рис. 10.7) зависят от ее типа, высоты, характера грунтов основания, условий строительства и эксплуатации.

Гребень – самая высокая часть плотины. Ширину его определяют с учетом типа плотины, проезда транспорта и эксплуатационных требований. Если проезд по гребню не предусматривается, его ширина должна быть не менее 3 м; если по гребню будет проходить автомобильная дорога шириной 10-12 м.

 

Рис. 10.7. Элементы поперечного профиля земляной плотины:

1, 4 – верховой и низовой откосы; 2 – крепление откоса; 3 – гребень плотины; 5 – тело плотины; 6 – дренажная призма; 7–основание плотины; b – ширина плотины по гребню; В – ширина плотины понизу; Н – высота плотины; m₁, m₂ – коэффициенты заложения верхового и низового откосов

 

Высоту плотины выбирают с таким расчетом, чтобы через гребень не переливалась вода. Поэтому превышение гребня плотины над ФПУ определяют с учетом высоты наката волны на откос и ветрового нагона. Это превышение обычно составляет I-1,5 м.

В процессе эксплуатации возможна осадка плотины в результате уплотнения грунтов в ее теле и основании. Поэтому строительную высоту плотины принимают больше проектной на значение предполагаемой усадки (обычно на 5-10 %).

Откосы плотины должны обеспечивать устойчивость сооружения и его основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации плотины. Заложение верхового откоса назначают для суглинков 1:2,5-1:3, супесей 1:3-1:3,5, песков 1:3,5-1,4; низового – соответственно 1:1,5-1:2, 1:2-1:2,5 и 1:2,5-1,3.

В целях предохранения верхового откоса от разрушения применяют различные виды его крепления – каменную наброску, бетонные монолитные и железобетонные плиты, асфальтобетонные покрытия, биологическое крепление (высаживают древесные и кустарниковые породы). Наиболее дешевое и надежное крепление – биологическое.

Древесные насаждения (обычно ива кустарниковая и древовидная) высаживают на откосе весной, после пропуска весеннего паводка, по урезу воды (НПУ). Хорошо развитые кустарники обеспечивают полное гашение волн у поверхности откоса, и даже в ветреную погоду вода у откосов плотины находится в спокойном состоянии. Поэтому смыва и разрушения грунта на откосе с биологическим креплением не бывает. Корневая система, пронизывая грунт на глубину около 30 см, придает плотине большую прочность и долговечность.

В некоторых случаях целесообразно устройство пологих волноустойчивых верховых откосов. В специальном креплении они не нуждаются.

Низовые откосы для предохранения от разрушения засевают многолетними травами или обкладывают дерном.

Принимают и отводят фильтрационные воды в плотинах дре-нажи из проницаемых материалов (песок, каменная наброска) или труб, защищенных от заиления фильтрующими материалами.

Для снижения фильтрации под основанием плотины устраивают замок (как правило, из глины) шириной понизу 1-1,5 м с откосами 1:0,5 или 1:1. Его врезают в водоупорный слой на глубину 3 м. Если водоупорный слой залегает глубже 3 м, тообычно сверху (на глубину 2-3 м) создают замок, а ниже, до водоупорного слоя (в глубь него на 0,5 м) забивают шпунтовую стенку.

Фильтрацию через тело плотины уменьшают экраном из мятой глины или полиэтиленовой пленки. Экран укладывают вдоль мокрого откоса на глубине 0,7-0,8 м и покрывают слоем крупнозернистого песка 0,7-0,8 м. Гребень его должен быть на 0,3-0,8 м выше отметки ФПУ и на 1-1,2 м ниже отметки гребня плотины. Толщину экрана сверху принимают 0,8 м, снизу – до 2 м.

 

Отсыпка земляных плотин

 

На местности разбивают и закрепляют ось плотины, относительно оси намечают контуры плотины, замка и гребня. Одновременно отмечают контуры водосбросного сооружения и карьеров, откуда будут забирать грунт для отсыпки.

На всей площади будущего основания плотины вырубают кустарники и деревья, удаляют пни и камни, снимают растительный слой на глубину 0,25-0,35 м и вывозятза пределы низового откоса. Грунт основания рыхлят для лучшего сопряжения с отсыпаемым грунтом.

Перед заполнением ложе водохранилища также очищают от камней, древесной растительности. Для предотвращения зарастания берегов и создания устойчивых откосов мелкие места водохранилища углубляют.

Оптимальная влажность грунта, отсыпаемого в тело плотины: супесчаного 9-14 %, суглинистого 12-20 %, глинистого 20-28 % массы абсолютно сухой почвы. Сухой грунт смачивают при отсыпке.

Отсыпку плотины начинают с пониженных мест и выполняют по всей площади горизонтальными слоями не более 0,25 м. Каждый слой разравнивают и уплотняют машинами, подводящими грунт, кулачковыми или гладкими катками. Степень уплотнения проверяют плотномером.

Тело плотины с берегами балки сопрягают по наклонным плоскостям с короткими уступами.

Общий объем земляной плотины определяют по отдельным отрезкам. Для этого вычисляют среднюю площадь сечения отрезка Fсp (м²) и умножают на его длину L (м).

Объем земляных работ находят и по упрощенной формуле

Vзp = 0,25(b+B) H L, м³,

где Н – строительная высота плотины, м;

L – длина гребня плотины, м;

b, B – ширина плотины поверху и в основании, м.