ВОДОСПАДИ

Водоспади є падіння води в водотоке в місцях різкої зміни висоти дна з утворенням майже стрімкого уступу. При цьому вода може падати не по одному, а по декількох уступах, розташованим на різній висоті, утворюючи серію або каскад водоспадів.

У природі уступ водоспаду (поріг водозливу) у безперервний спосіб руйнується. Такому ж руйнуванню піддається і підстава водоспаду (водобійного частина, або воронка розмиву). Всі ці руйнування призводять до того, що природний водоспад безперервно відступає вгору за течією водотоку.

Як приклад можна привести всесвітньо відомий Ніагарський водоспад, відступає вгору за течією на 0,7 ... 0,9 м протягом року.

Водоспад - це красиве і грізне явище природи, що впливає на людину своїм виглядом, динамікою руху води, кольором води і бризок, вологістю повітря і, безумовно, звуком, перехідним в певних умовах в безперервний рев.

Для оцінки такого природного освіти, як водоспад, необхідно знати, що найвищий на землі водоспад Анхель (Венесуела) має висоту падіння 1 054 м. Друге місце по висоті падіння займає водоспад Тугела (Південно-Африканська республіка). Його висота становить 933 м. Третє місце по висоті займає Йосемитский водоспад (США), що має висоту падіння 727,5 м.

Вода в водоспадах не завжди падає. Якщо уступ водоспаду має деякий ухил, то вода не утворює вільну струмінь, а стікає з великою швидкістю по сильно нахиленою поверхні. Такі природні водоспади називають водоскатами.

Краса і сила впливу водоспаду на людину привели до того, що не тільки природний, але і штучний водоспад став одним з улюблених елементів гідропластікі ландшафту, широко використовуваних в різних країнах світу. Особливе місце водоспад займає в Японському саду [6], [14], будучи однією з найулюбленіших деталей саду.

Як пише Е. В. Голосова [6], «Видатний ландшафтний архітектор сучасної Японії Кінсаку НАКу, грунтуючись на достовірних джерелах, описує два з найбільш ранніх садових водоспадів. Будівництво одного з них було завершено в ІЗО р в саду Хоконгоін, інший був створений приблизно в той же час в саду Кітаяматеі і досягав висоти майже 15 м ». Місце для водоспаду в Японському саду вибирали особливо ретельно. Він розташовувався далеко від дому, але так, щоб було чути звук води, а в місячну ніч можна було спостерігати відблиски розлітаються струменів.

За японськими поняттями обрамленням водоспаду повинні служити дві скелі, які уособлюють потужні гори, а фоном - в основному дерева в поєднанні з іншою рослинністю. Класифікувати водоспади можна за різними ознаками, але раз ми почали розгляд ролі водоспаду в Японському саду, то наведемо японську класифікацію форм.

В інструкціях по створенню водоспадів в Японії описується 10 можливих форм, які розглянемо по порядку, пам'ятаючи про те, що в Японії основна увага приділяється ефекту споглядання водоспаду.

  • 1. скользяще-падаючий. Вода в такому водоспаді повинна стікати по поверхні прилеглих скель у вигляді прилипаючого потоку без утворення великих порожнеч.
  • 2. Падаючий, як полотно. Потік не прилипає до поверхні скель, вільно падає, нагадуючи полотняну тканину.
  • 3. Падаючий ниткою. Такий водоспад може бути як одноструменевими, так і багатоструменеві з поділом потоку у верхній частині водоспаду.
  • 4. Нерівно падаючий. Водоспад має асиметричну будову, при якому з одного боку стікає води більше, ніж з іншого.
  • 5. Падаючий зліва і справа. Основою пристрою такого водоспаду є розділова стінка у вигляді скелі, що ділить потік води на дві рівні або нерівні частини.
  • 6. Прямо падаючий. У цьому типі водоспаду вода падає прямо вниз без будь-яких перешкод на шляху.
  • 7. Падаючий збоку. Вода стікає тільки з одного боку водоспаду. Решта сторони мають форму скелі, камені або інші тверді поверхні.
  • 8. Падаючий обличчям один до одного. Струмені води в такому водоспаді звернені один до одного, перебуваючи на протилежних сторонах.
  • 9. відторгнутих падаючий. При наявності основного водоспаду із зазначених раніше окремий потік розташований на деякій відстані від нього.
  • 10. Повторне падіння. Такий водоспад відрізняється наявністю декількох уступів, розташованих на різній висоті. До цієї ж категорії віднесені водоспади з наявністю декількох струменів. Зазначене поєднання є не зовсім вдалим, оскільки одночасно може бути і багатоступінчастий, і багатоструменеві водоспад.

Останній принцип вже згадувався в водоспадах третього типу (падаючий ниткою).

Наведена типологія не викликає одноманітності рішень, так як кожна деталь японського саду, в тому числі і водоспади, грають іншу роль в залежності від оточення, поєднання з другімн елементами, а також від масштабного і ритмічної побудови композиції.

Класифікація водоспадів Японії досить досконала і її можна застосовувати при проектуванні і будівництві штучних водоспадів в будь-якій країні світу. З практичної точки зору при інженерному обладнанні штучних водоспадів наведену класифікацію доцільно доповнити наступними показниками.

Велике значення має висота водоспаду. Для оцінки цього показника умовно можна прийняти наступні три градації:

  • • низькі водоспади - з висотою падіння до 5 м;
  • • середні водоспади - з висотою падіння 5 ... 15 м;
  • • високі водоспади - з висотою падіння більше 15 м.

Одного цього показника недостатньо.

При роботі з водою як архітектурним матеріалом потрібно враховувати і витрата води, який впливає на вибір насосного обладнання.

Щоб не дуже урізноманітнити числові показники, аналогічні значення можна прийняти і для витрати води, л / с. Тоді до водоспадів з малою витратою води можна віднести такі, у яких витрата не перевищує 5 л / с; до середніх - 5 ... 15 л / с; до великих - більше 15 л / с.

Використання природних і будівництво штучних водоспадів неминуче пов'язане з їх меліорацією, тобто з роботами по поліпшенню їх стану і збільшення ефекту впливу на людину.

Природні водоспади. Природні водоспади повільно рухаються вгору по водотоку в результаті розмиву недостатньо міцних грунтів і порід, що складають водозливної поріг і водобійного частина.

Зміцнення водозливної порога можливо майже завжди шляхом застосування більш міцних і менш руйнуються матеріалів. Якщо мова йде про ландшафтних водоспадах, то перевага завжди буде на боці природних каменів із граніту, базальту, лабрадориту, габро та інших аналогічних кристалічних або метаморфічних порід. Спосіб кріплення залежить в основному від форми і матеріалу русла водотоку, а також від величини витрати води.

Технологія кріплення не відрізняється від інших гідротехнічних робіт, пов'язаних з використанням каменю, бетону, металевої арматури, з урахуванням ландшафтної ролі споруди. При кріпленні водозливної порога можуть мати місце і елементи реконструкції, пов'язані з формою і розмірами водозливної кромки, що дозволяє змінити взаємозв'язок потоку падаючої води з водозливної стінкою (уступом), варіювати кількістю і потужністю струменів, поділом потоку не тільки у верхній ча-

Графік для визначення коефіцієнта розмиває здатності потоку K  (a ); гідравлічний стрибок і воронка розмиву (б)

Мал. 10.5. Графік для визначення коефіцієнта розмиває здатності потоку K F (a ); гідравлічний стрибок і воронка розмиву (б):

/, - відстань від першої сполученої глибини потоку до початку воронки розмиву; А, ф - критична глибина потоку; Л з '- перша сполучена глибина потоку перед стрибком; - максимальна глибина воронки розмиву; А нб - глибина потоку в нижньому б'єфі після воронки розмиву; 1 - 1 = 2,6; 2-1 = 2,4; 3-1 = 2,2; 4-1 = 1,9; 5 1 = 1,7 {I = hjh ' c )

сти, а й по шляху падіння води відповідно до викладеної раніше класифікацією водоспадів.

Конструкція водобійного частини залежить від витрати води, висоти падіння і типу грунтів і скельних порід в руслі нижнього б'єфу водоспаду. Водобійного частина може бути виконана у вигляді водобойного колодязя або водобійного стінки. Обидва види можна розрахувати виходячи з умов роботи гідротехнічних споруд.

Іншим видом споруд нижнього б'єфу водоспаду є воронка розмиву, яку також розраховують.

Найбільш типовим випадком розрахунку водобійного частини водоспаду можна вважати конструкцію з затопленим гідравлічним стрибком.

У цьому випадку найбільша глибина потоку в воронці розмиву І тах , м, в незв'язних грунтах (рис. 10.5) може бути визначена за формулою Б. І.Студенічнікова:

де K F - коефіцієнт розмиває здатності потоку, який визначається за рис. 10.5; р - коефіцієнт нерівномірності розподілу витрат (при хорошому растекании потоку в нижньому б'єфі р = 1,2); - питома витрата на водоскидних частини

водоспаду, м 3 / с • м; d cp - середній діаметр частинок грунту, м, що дорівнює dso-

Місцевий найбільшу питому витрату в воронці розмиву q, м 3 / (с • м), визначається за формулою

Якщо грунт легкоразмиваемих (див. Рис. 10.5), то довжину кріплення 1 Ь м, визначають за рівнянням

де А Н6 - глибина потоку побутова в нижньому б'єфі, м; А з '- глибина потоку в стиснутому перерізі (перша сполучена глибина стрибка), м.

При зазначеної довжині кріплення надлишкова кінетична енергія потоку майже повністю гаситься і значення коефіцієнта розмиває здатності потоку K F може бути прийнято рівним 1,1. В інших випадках його необхідно визначити за графіком (див. Рис. 10.5).

Воронку місцевого розмиву в незв'язних грунтах доцільно кріпити каменем у вигляді начерки. Крупність каменю d K , м, можна визначити за формулою

де K F - коефіцієнт розмиває здатності потоку, який дорівнює 1,1 або визначається розрахунковим шляхом; До 3 - коефіцієнт запасу, зазвичай рівний 1,2; А до - глибина закладення кріплення під рівень води, м; q - питома витрата води, м 3 / (с • м).

Якщо в нижньому б'єфі залягають досить міцні грунти, то довжину кріплення можна скоротити, визначаючи значення До г за графіком (див. Рис. 10.5).

Прагнути до найменшого розміру воронки розмиву належить не завжди. Якщо на місці воронки розмиву влаштовується регулює водойму для підживлення природного або штучного водоспаду, то розміри цієї водойми визначають з інших міркувань, враховуючи розрахунки, наведені раніше.

При проектуванні об'єктів гідропластікі ландшафту основним архітектурним матеріалом є вода. Тому при проектуванні штучних водоспадів або меліорації природних водоспадів насамперед необхідно визначити параметри потоку води у верхньому б'єфі на водозливним порозі. Цих параметрів небагато: ширина і глибина потоку.

Інші параметри (швидкість руху і витрата) є похідними від основних. В першу чергу, задаємося шириною потоку В п і напором Я (трохи більшим, ніж глибина потоку).

Формула витрати прямокутного водозливу з широким порогом має вигляд

де т - коефіцієнт витрати, рівний для водозливу з широким порогом 0,35; - ширина потоку, м; Я - натиск над порогом

водозливу, м; g - прискорення сили тяжіння, рівне 9,81 м / с 2 .

Якщо прийняти ширину порога 1 м і підставити числові значення коефіцієнтів, то наведену формулу можна представити в перетвореному вигляді

При одиничній ширині порогу водозливу швидкість потоку буде дорівнює Q / Я, або

де v - швидкість на порозі водозливу, м / с.

При проектуванні штучного водоспаду або меліорації природного водоспаду може виникнути потреба хоча б тимчасового збільшення витрати водоспаду для досягнення запланованого ефекту. Цього ефекту можна досягти шляхом внут- рісуточного регулювання стоку природного струмка шляхом накопичення води у водоймі-регуляторі, розташованому вище порога водоспаду, тобто в верхньому б'єфі, або нижче основи водоспаду, а найкраще - в місці розташування воронки розмиву. В останньому випадку одночасно вирішуються дві задачі: тимчасове збільшення витрат водоспаду і більш ефективне гасіння енергії потоку водоспаду.

Додаткова кількість води на водозлив водоспаду подається насосом з водойми-накопичувача. В цьому випадку верхнє розташування водойми виявляється більш економічним з точки зору витрати енергії на роботу насоса. При нижньому розташуванні водойми необхідно подолати висоту подачі води на верхню частину водоспаду поряд із загальними втратами води в напірних трубопроводах.

Якщо за основу прийняти внутрісуточних регулювання стоку струмка, то можна виходити з таких міркувань. Одночасно функціонує водоспад і відбувається накопичення води у водоймі-регуляторі. Витрата водотоку Q u спрямованого на водоспад, можна прийняти 1 л / с або 3,6 м 3 / год. В цей же час такий же витрата направляється у водойму-накопичувач. Тоді повний витрата струмка складе 2?> ,. Якщо припустити, що відбувається тільки добове регулювання стоку, то через 24 ч водойму-регулятор (його регулююча ємність) буде повністю заповнений, а обсяг стоку і водойми складе 86,4 м 3 . Якщо врахувати, що необхідний деякий запас над рівнем води і так званий мертвий обсяг, то максимальний обсяг водойми в цьому випадку складе близько 100 м 3 .

Якщо припустити, що накопичення води (регулювання стоку) буде відбуватися тільки протягом 12 год, то необхідний обсяг водойми складе 50 м 3 , а обсяг зарегульованого стоку - 43,2 м 3 . Цей обсяг води, що витрачаються на збільшення витрат водоспаду понад Q h може бути витрачений протягом 12 год по 3,6 м 3 / год, або протягом 6 ч по 7,2 м 3 / год, або протягом 2 ч по 21, 6 м 3 / ч, що складе додатково 3 л / с, а в сумі - 4 л / с. Характер подачі води, пов'язаний з роботою насосів, може бути зосередженим і розосередженим за заданою програмою, складеною з розрахунком на певний ефект. Можливі будь-які інші варіанти.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >