Система инженерной защиты от затопления территорий, расположенных на обоих берегах участка реки

Система инженерной защиты от затопления территорий, расположенных на обоих берегах участка реки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при защите территорий, расположенных на обоих берегах участка реки, от затоплений весенними половодьями и летними паводками на реках с относительно большими продольными уклонами.

Известна система инженерной защиты от затопления двух территорий двухсторонней поймы, расположенных по одной на каждом берегу участка реки и снабженных каждая дамбой обвалования, защищающей территорию только со стороны реки или со всех сторон. В первом случае дождевые и снеговые воды собираются в понижениях на защищаемой территории, после чего они частично стекают в реку. Во втором случае во время паводка местный сток задерживается в понижениях защищаемой территории, после чего этот сток выпускается в реку через отверстия в дамбах обвалования, которые открываются после снижения уровня воды в реке [1].

Недостатком этой системы является ее низкая эффективность из-за того, что защищаемая территория в период весеннего половодья и летних паводков не защищена от временного затопления местными поверхностными стоками, что, исходя из характера использования территории, например при ее застройке, может оказаться недопустимым.

Известна система инженерной защиты от затопления территории односторонней поймы, содержащая дамбу обвалования, защищающую территорию со стороны реки, водосточную сеть открытого или закрытого типа, обеспечивающую самотечный отвод природных и техногенных местных стоков с защищаемой территории к насосной станции для их перекачки в реку, и нагорные канавы, перехватывающие стоки отдельных водотоков и направляющие эти стоки также в реку [2].

Недостатки такой системы заключаются в следующем:

- высокие затраты, обусловленные как созданием насосной станции, так и ее эксплуатацией;

- в случае расположения на одном берегу участка реки двух и более защищаемых территорий необходимо на каждой территории создавать затратную насосную станцию и длительно ее эксплуатировать;

- в случае прорыва дамбы обвалования в ее верхней (по течению) части дамба обвалования создаст подпор воды со стороны защищаемой территории, которая будет затоплена до более опасного уровня, чем при отсутствии дамбы обвалования [3].

Задачей изобретения является снижение затрат при создании системы инженерной защиты, упрощение эксплуатации этой системы и повышение безопасности на защищаемой территории. Технический же результат от использования изобретения заключается в выполнении водосточной сети системы полностью самотечной и единой для всех защищаемых территорий, расположенных на обоих берегах участка реки с относительно большим продольным уклоном, и в самотечном сопряжении водосточной сети с рекой на одном из ее берегов, имеющем наиболее благоприятные для этого условия.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что система инженерной защиты от затопления территорий, расположенных на обоих берегах участка реки, содержит дамбы обвалования, каждая из которых защищает территорию со стороны реки, и водосточную сеть, обеспечивающую отвод стоков с защищаемых территорий в реку. Водосточная сеть включает дюкер, обеспечивающий перетекание сточной воды с защищаемой территории одного берега в сопряженный с ним безнапорный коллектор, расположенный на защищаемой территории противоположного берега. Концевой участок коллектора расположен с низовой относительно течения реки стороны защищаемой территории и обеспечивает сопряжение коллектора с рекой. Отметка дна коллектора Z₁ при выходе его из места сопряжения с ним дюкера, отметка дна коллектора Z₂ перед его концевым участком, средний продольный уклон дна коллектора I_кол и длина коллектора L от места сопряжения с ним дюкера до концевого участка коллектора обеспечивают вытекание стоков из коллектора в реку при максимальной расчетной отметке уровня воды в реке. Одновременно выполняются соотношения Z₁>Z₂ и I_реки>I_кол, где I_реки - средний продольный уклон водной поверхности на участке реки, а также целесообразно выполнение дополнительного соотношения Z₃≥Z₄, где Z₃ - отметка порога при входе в дюкер; Z₄ - отметка порога при выходе из дюкера.

Концевой участок коллектора может примыкать к защищаемой территории или располагаться на расстоянии от нее.

Кроме того, система содержит грунтовую емкость, расположенную перед входом в дюкер и обеспечивающую прием сточной воды с территории и осаждение из сточной водой частиц расчетной гидравлической крупности. Система также содержит нагорные канавы, каждый концевой участок которых сопряжен с рекой или с водосточной сетью. В случае, когда от дюкера вверх по течению реки расположена дополнительная защищаемая территория, эта территория снабжена локальной водосточной сетью, которая дополнительным самотечным водоводом присоединена к водосточной сети системы.

Сущность технического решения и его результат заключается, прежде всего, в следующем:

- дюкер, проложенный под руслом реки, позволяет создать единую водосточную сеть для всех защищаемых дамбами обвалования территорий на обоих берегах участка реки;

- коллектор (обычно открытый канал), имеющий средний продольный уклон I_кол меньше среднего продольного уклона водной поверхности на участке реки I_реки, при достаточной длине L позволяет осуществить слив сточной воды из всей водосточной сети в реку в любые периоды водности, включая и случай аварии на дамбе обвалования;

- совместная работа дюкера и коллектора позволяет осуществить слив сточной воды из сети в реку с берега, который имеет наиболее благоприятные для этого условия.

Сравнение предложенного решения с другими известными техническими решениями показывает: во-первых, не встречено применение дюкера для объединения водосточных сетей двух и более защищаемых от затопления территорий, расположенных на разных берегах реки, в единую водосточную сеть; во-вторых, коллектор, выполненный по новым правилам, впервые обеспечивает самотечный слив воды из всей водосточной сети в реку во все периоды года, причем с берега, имеющего наиболее благоприятные для этого условия. Именно эти новые материальные и функциональные признаки, причем в их совокупности, обеспечивают в предложенном техническом решении новый технический результат. Все это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения как критерию «Новизна», так и критерию «Изобретательский уровень».

Предлагаемая схема инженерной защиты иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1÷5, при этом на фиг.2÷5 степень уменьшения горизонтальных размеров превышает степень уменьшения вертикальных размеров.

На фиг.1 изображена система инженерной защиты от затопления территорий, расположенных на обоих берегах участка реки, план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез С-С на фиг.1 и на фиг.3; на фиг.5 - разрез Д-Д на фиг.1 и на фиг.3.

Защищаемые территории 1 и 2 расположены на разных берегах участка реки 3 в пределах двухсторонней поймы 4, затопляемой в периоды высокой водности. Территория 1 расположена на левом берегу 5 реки 3, а территория 2 - на ее правом берегу 6.

Система содержит дамбу обвалования 7, защищающую территорию 1 от затопления со стороны реки 3, и дамбу обвалования 8, защищающую территорию 2 от такого же затопления. Система также содержит водосточную сеть, которая включает в себя грунтовую емкость 9, принимающую сточною воду из естественных и/или искусственных водотоков 10 на левом берегу 5, безнапорный коллектор в виде открытого канала (то же: канава) 11, принимающий воду таких же водотоков 12 на правом берегу 6, и дюкер 13, обеспечивающий перетекание сточной воды из емкости 9 в канал 11. Дюкер 13 сопряжен с каналом 11 посредством открытого углубления 14, а канал 11 сопряжен с рекой посредством своего концевого участка 15, расположенного с низовой относительно течения реки стороны защищаемой территории 2 и имеющего обычное исполнение. Дополнительно система содержит нагорную канаву 16 на левом берегу 5 и нагорные канавы 17 и 18 на правом берегу 6.

Особенностью водосточной сети является то, что отметка дна 19 канала Z₁ при выходе его из углубления 14, отметка дна 19 канала Z₂ перед его концевым участком 15, средний продольный уклон дна канала I_кол и длина канала L от углубления 14 до концевого участка 15 канала обеспечивают вытекание стоков из канала в реку при максимальной расчетной отметке уровня воды в реке ▾_максУВ. Одновременно выполняются соотношения Z₁>Z₂ и I_реки>I_кол, где I_реки - средний продольный уклон водной поверхности на участке реки между створами в-в и д-д, а также выполняется дополнительное соотношение Z₃≥Z₄, где Z₃ - отметка порога 20 при входе в дюкер 13, Z₄ - отметка порога 21 при выходе из дюкера 13.

На фиг.1 и 3 обозначены створы реки, соответствующие:

в-в - углублению 14;

с-с - низовой относительно течения реки стороне территории 2;

д-д - началу концевого участка 15 канала 11;

к-к - теоретическому месту на продолжении трассы канала 11, в котором отметка дна 19 канала 11 равна максимальной расчетной отметке уровня воды в реке ▾_максУВ.

Величина превышения а максимальных расчетных отметок уровней воды в реке над отметками дна 19 канала 11 в створах от в-в до к-к является переменной и в описании и на фиг.3 обозначена, в зависимости от створа, соответственно a_в, а_с, а_д, а_к, а на разрезах С-С и Д-Д - соответственно а_с-с и а_д-д.

Длина канала (коллектора) 11 L от створа в-в до створа д-д при проектировании определяется расчетным путем. Сначала определяется теоретическая длина канала L_т от створа в-в до створа к-к из условия, что L_т=а_в/(I_реки-I_кол), затем рассматриваются следующие возможные случаи.

Случай 1, когда теоретическая длина канала L_т≤l_тер, где l_тер - длина канала до створа с-с, то есть в пределах территории 2. Длина канала L принимается равной величине l_тер, а его концевой участок 15 располагается в створе с-с (створ д-д совмещается со створом с-с) и примыкает к защищаемой территории 2. Такой случай редкий и может быть только при очень длинной территории 2 и большом продольном уклоне реки.

Случаи 2а и 2б, когда L_т>l_тер. В этих случаях концевой участок 15 канала 11 располагается на расстоянии от защищаемой территории 2.

В случае 2а длина канала L принимается равной L_т, а его концевой участок 15 располагается в створе к-к (створ д-д совмещен со створом к-к), в котором отметка дна 19 канала 11 равна максимальной расчетной отметке уровня воды в реке ▾_максУВ, то есть а_д=а_к=0.

В случае 2б концевой участок 15 канала расположен в створе д-д на равном расстоянии от створа с-с и от створа к-к. Тогда длина канала L может быть определена из равенства

L=L_т-0,5l_нар=l_тер+0,5l_нар,

где l_нар - длина возможного наружного участка канала между створами с-с и к-к, при этом l_нар=L_т-l_тер.

В этом случае величина превышения а максимальной расчетной отметки уровня воды в реке над отметками дна 19 канала 11 в створе с-с в два раза больше такого превышения в створе д-д, то есть а_д=0,5а_с. Подпорный же уровень 22 воды реки от створа д-д по каналу 11 распространится, при условии отсутствия в канале сточной воды, только до створа с-с (до защищаемой территории 2). При нахождении же в канале сточной воды произойдет малозначительное увеличение глубины сточной воды в канале, обычно всего на 3-5%. Указанные обстоятельства позволяют рекомендовать рассматриваемый случай как основной.

Однако в зависимости от местных, прежде всего топографических, условий концевой участок 15 канала 11 может быть расположен в любом месте между створами с-с и д-д. При этом, как крайний случай, подпорный уровень 22 воды от створа реки д-д может по каналу 11 распространиться, при соответствующей высоте бортов канала 11, вплоть до углубления 14.

Грунтовая емкость 9 в виде искусственного или естественного углубления расположена в низовой относительно направления течения реки части защищаемой территории 1 перед входом в дюкер 13 и обеспечивает прием сточной воды с территории 1 и осаждение влекомых сточной водой частиц расчетной гидравлической крупности. Водотоки 10 выполнены в виде открытых русел, канав и лотков или в виде ряда закрытых локальных коллекторов и имеют уклон в сторону грунтовой емкости 9. При необходимости и экономической допустимости поверхность защищаемой территории 1 может быть искусственно повышена, например, намывным грунтом, что улучшит работоспособность системы инженерной защиты.

Дюкер 13 осуществляет гидравлическую связь между грунтовой емкостью 9 и углублением 14, что обуславливает взаимозависимость уровня воды 23 в грунтовой емкости 9 и уровень воды 24 в углублении 14. Дюкер 13 выполнен в виде стальной трубы, над которой расположен защитный слой 25. Водотоки 12 на защищаемой территории 2 аналогичны водотокам 10 на защищаемой территории 1. Открытый канал 11 до своего концевого участка 15 от реки отделен дамбой обвалования 8. За пределами защищаемой территории 2 канал 11, при необходимости, может быть выполнен закрытого типа, а в случае препятствия - содержать дюкер. В этом случае дамба обвалования 8 обычно не устраивается - такое выполнение канала 11 за пределами защищаемой территории 2 на чертежах не показано.

Концевые участки нагорных канав 16 и 17 сопряжены непосредственно с рекой, а концевой участок нагорной канавы 18 сопряжен с каналом 11 при выходе канала 11 с защищаемой территории 2.

Пример. Средний продольный уклон водной поверхности на участке реки I_реки=0,0015, средний продольный уклон дна канала I_кол=0,0005. В створе в-в величина превышения максимальной расчетной отметки уровня воды в реке над отметкой дна канала а_в=3.0 м, при этом глубина канала h_к=1,2 м и глубина затопления поймы h_п=1,8 м. Длина канала в пределах защищаемой территории, то есть между створами в-в и с-с, l_тер=1000 м.

Сначала расчетом определяется теоретическая длина канала L_т между створами в-в и к-к, как L_т=3,0/(0,0015-0,0005)=3000 м, и длина l_нар возможного наружного участка канала, как l_нар=3000-1000=2000 м. После этого для случая 2в, в котором подпор воды реки от створа д-д распространяется по каналу до створа с-с (низовая сторона защищаемой территории), расчетом определяется длина канала L=2000 м, величина превышения а в створе с-с а_с=2,0 м и в створе д-д а_д=1,0 м.

По мере уменьшения в пределах защищаемой территории 2 глубины канала h_к и с учетом местных условий канал в конце защищаемой территории 2 выводят на незатопляемые отметки берега 6 (фиг.5).

В случае, когда от дюкера 13 вверх по течению реки, например, на правом берегу 6 расположена дополнительная защищаемая территория 26, эта территория содержит локальную водосточную сеть 27, которая дополнительным самотечным, например, закрытым водоводом 28 соединена с каналом 11 и, таким образом, присоединена к единой водосточной сети системы инженерной защиты.

Канал 11 обычно выполняется без крепления с продольным уклоном I_кол дна 19 не менее 0,0005 [2 и 4]. Поэтому предложенная система инженерной защиты наиболее успешно может быть реализована на участке реки с относительно большим продольным уклоном I_реки водной поверхности, а именно более 0,001.

Траектории течения воды в реке и в канале 11, следовательно, и их длины между створами в-в и д-д разнятся. Поэтому параметры элементов системы инженерной защиты должны быть уточнены исходя из отметок уровней элементов системы, максимальных уровней воды в реке ▾_максУВ и уровней сточной воды 29 в канале 11.

На чертежах дополнительно позициями обозначены:

30 - граница затопления поймы;

31 - ручей на левом берегу;

32 - обрыв;

33 - ручей на правом берегу;

34 - регулирующая емкость;

35 - ось канала (фиг.2).

Система инженерной защиты работает следующим образом.

Незатапливаемые дамбы обвалования 7 на левом берегу и 8 на правом берегу постоянно защищают территории 1 и 2 от затопления со стороны реки. Нагорная канава 16 на левом берегу, нагорные канавы 15 и 16 и регулирующая емкость 34 на правом берегу перехватывают стоки со склонов местности и отводят их в реку, минуя защищаемые территории 1 и 2.

Водотоки 10 собирают, прежде всего, снеговые и дождевые сточные воды непосредственно на защищаемой территории 1 и отводят их в грунтовую емкость 9, а водотоки 12 собирают такие же сточные воды на защищаемой территории 2 и отводят их в канал 11. В грунтовой емкости 9 из сточной воды выпадают в осадок наносы, способные заилить дюкер 13. Из грунтовой емкости 9 сточные воды по дюкеру 13 перетекают с левого берега в канал 11, расположенный на правом берегу. Далее сточные воды из дюкера 13 и из водотоков 12 по каналу 11, защищенному от затопления со стороны реки до створа д-д дамбой обвалования 8, перетекают в реку.

В случае прорыва дамбы обвалования 8 вода по каналу 11 будет выпускаться в реку, что уменьшит уровень затопления территории 2.

Изобретение позволяет при создании системы инженерной защиты от затопления территорий, расположенных на обоих берегах участка реки, снизить затраты на создание системы, упростить эксплуатацию системы и повысить безопасность на защищаемой территории. Это достигается за счет выполнения водосточной сети системы самотечной и единой для всех защищаемых территорий и за счет самотечного сопряжения водосточной сети с рекой на одном из ее берегов, имеющем наиболее благоприятные для этого условия.

Использованные источники

1. Гидротехнические сооружения: Ч.2 / Под. ред. М.М. Гришина. - М.: Высшая школа, 1979. С.270-271.

2. Гидротехнические сооружения / Под общ. ред. В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. С.489-494. - (Справочник проектировщика).

3. Беляков А.А. О комплексном подходе к борьбе с наводнениями/ Гидротехническое строительство. 2004. №11. С.46.

4. Строительные нормы и правила. Инженерная защита территорий от затопления и подтопления (СНиП 2.06.15-85) / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2001.

1. Система инженерной защиты от затопления территорий, расположенных на обоих берегах участка реки, содержащая дамбы обвалования, каждая из которых защищает территорию со стороны реки, и водосточную сеть, обеспечивающую отвод стоков с защищаемых территорий в реку и включающую дюкер, обеспечивающий перетекание сточной воды с защищаемой территории одного берега в сопряженный с ним безнапорный коллектор, расположенный на защищаемой территории противоположного берега, при этом концевой участок коллектора расположен с низовой относительно течения реки стороны защищаемой территории и обеспечивает сопряжение коллектора с рекой, а отметка дна коллектора Z₁ при выходе его из места сопряжения с ним дюкера, отметка дна коллектора Z₂ перед его концевым участком, средний продольный уклон дна коллектора I_кол и длина коллектора L от места сопряжения с ним дюкера до концевого участка коллектора обеспечивают вытекание стоков из коллектора в реку при максимальной расчетной отметке уровня воды в реке, причем выполняются соотношения

Z₁>Z₂ и I_реки>I_кол,

где I_реки - средний продольный уклон водной поверхности на участке реки.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполняется соотношение

Z₃≥Z₄,

где Z₃ - отметка порога при входе в дюкер,

Z₄ - отметка порога при выходе из дюкера.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что концевой участок коллектора примыкает к защищаемой территории.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что концевой участок коллектора расположен на расстоянии от защищаемой территории.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит грунтовую емкость, расположенную перед входом в дюкер и обеспечивающую прием сточной воды с территории и осаждение влекомых сточной водой частиц расчетной гидравлической крупности.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит нагорные канавы, каждый концевой участок которых сопряжен с рекой или с водосточной сетью.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что в случае, когда от дюкера вверх по течению реки расположена дополнительная защищаемая территория, эта территория содержит локальную водосточную сеть, которая дополнительным самотечным водоводом присоединена к водосточной сети системы инженерной защиты.