В данном подразделе рассмотрены основные типы гидротехнических сооружений, которые издавна применяются в водном хозяйстве различных стран и которые (как правило, в уменьшенных размерах и с большей эстетичностью) находят все большее применение на объектах ландшафтной архитектуры, следуя принципам гидропластики ландшафта. Такие гидротехнические сооружения могут быть как открытого типа (с видимым потоком воды), так и закрытого типа (когда поток проходит по закрытым частям сооружений — трубопроводам, колодцам, водосбросам и т.д.). Более зрелищными являются открытые элементы водного потока, но и в сооружениях закрытого типа есть отдельные участки (главным образом, на входе и выходе), которые по зрелищности, эффекту и эстетичности не уступают открытым элементам.

К малым гидротехническим сооружениям, которые с успехом применяются, относятся перепады, быстротоки, акведуки, дюкеры и др.

Перепады. Перепады насчитывают тысячелетнюю историю. Они могут быть разделены на одноступенчатые, многоступенчатые и консольные. Все перепады классифицируются по различным признаками: по наклону стенки падения, по типу водосливной части, по числу ступеней, по материалу конструкции и т.д.

По наклону стенки падения различают перепады с вертикальной стенкой, наклонной стенкой, наклонной стенкой и порогом.

По типу водосливной части различают перепады по типу водослива с широким порогом, по типу водослива практического профиля и по типу водослива практического профиля с приподнятым порогом (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Разделение одноступенчатых перепадов по типу входной части: а — по типу водослива с широким порогом (при боковом сжатии потока); б — по типу водослива практического профиля; в — по типу водослива практического профиля с приподнятым порогом (стенкой); H₀ — полный напор нал порогом перепада; H— напор (глубина воды) над порогом перепада; Hn — глубина воды над порогом перепада в нижнем бьефе; h₀ — глубина воды в подводящем канале; p — высота порога; I — ширина порога

По числу ступеней перепады бывают одно-, двух-, трех- и многоступенчатыми. Теоретически число ступеней может быть достаточно большим. Все зависит от рельефа местности и общей высоты перепада. При этом на одном и том же участке может быть сочетание различных гидротехнических сооружений. Принципы расчета многоступенчатых перепадов не отличаются от одноступенчатых (рис. 6.14). Если ступени многоступенчатого перепада одинаковы по размеру, то сам расчет упрощается. Перепады устраивают на тех участках местности, где уклон водотока I₀ оказывается больше критического Iкр.

Рис. 6.14. Схема многоступенчатого перепада: 1 — входная часть; 2 — первая ступень; 3 — вторая ступень; 4 — водобойная часть; hст — глубина воды на ступени перепада; Hст — глубина воды над стенкой (порогом); dкол — глубина водобойного колодца; hкол — глубина воды над дном водобойного колодца; hнб — глубина воды нижнего бьефа; ∆z — падение глубины (напора) на выходе воды из водобойного колодца; pст — высота стенки (порога); δ — толщина стенки (порога); Н — статический напор воды над порогом перепада;H₀ — динамический напор воды над порогом перепада (с учетом скорости подхода воды к порогу); Lпад — длина падения струи; Lплн — длина подтопленного прыжка; Lкол — длина водобойного колодца

В состав гидравлического расчета одноступенчатого перепада входят расчеты его входной и водобойной частей. Входная часть перепада в зависимости от соотношения величин I и Н (см. рис. 6.13) работает как водослив с широким порогом или как водослив практического профиля.

Гидравлический расчет входной части производится на основе формулы расхода водослива и сводится к определению ее ширины b при заданных p' и H (где H — напор над входным порогом), При расчете входной части перепада следует учитывать равенство
 

где h₀ — глубина потока при равномерном движении воды в подводящем канале; р' — высота порога входного водослива.

Гидравлический расчет водобойной части перепада сводится к установлению характера сопряжения струи, падающей с перепада, с нижним бьефом. При определении дальности падения струи необходимо исходить из типа входной части перепада. Согласно М.Д. Чертоусову, дальность падения струи Iпад, м, при водосливе практического профиля определяют по формуле
 

где Н₀ — полный напор над входным порогом перепада, м; р — высота стенки падения перепада, т.е. превышение входного порога над дном водобойной части перепада, м.

Если входная часть работает как водослив с широким порогом, то расчет производят по формуле
 

Гидравлический расчет многоступенчатого перепада состоит из расчета входной части, ступеней, водобойной части, расположенной ниже последней ступени, и выходной части.

Из прочих типов перепадов следует отметить напорный трубчатый, шахтный (рис. 6.15) и трубчатый консольный, отличающийся относительно далеким выбросом струи и образованием воронки размыва в месте ее падения.

Рис. 6.15. Шахтный водосброс из сборного железобетона: 1 — подъемник; 2 — шахта; 3 — служебный мостик; 4 — каменное мощение; 5 — крепление откоса посевом трав; 6 — диафрагма; 7— железобетонные кольца; 8 — каменное мощение; 9, 10 — обратный фильтр; 11 — затвор; 12 — каменное мощение

Рис. 6.16. Разрез быстротока: 1 — входная часть; 2 — водоскат (лоток); 3 — водобойная часть; 4 — выходная часть; H — глубина (напор) воды над порогом водослива; hкр — критическая глубина (начало образования критической скорости)

Быстротоки. Другим сопрягающим типом гидротехнических сооружений являются быстротоки. Быстроток (рис. 6.16) состоит из входной части, водоската (собственно быстротока с высокой скоростью течения), водобойной и выходной частей. Водоскат быстротока представляет собой лоток с уклоном дна, который больше критического, вследствие чего на водоскате образуется бурный поток, глубина которого меньше критической глубины (h < hкр).

Формы быстротоков в плане могут быть самыми различными, особенно если учесть сравнительно малые размеры быстротоков, применяемых в ландшафтной архитектуре. Внешнее оформление частей быстротока должно соответствовать общему архитектурному замыслу или объекта в целом, или той части объекта, которая примыкает к быстротоку ( а также к любому гидротехническому сооружению).

Акведуки. Весьма эффектным гидротехническим сооружением являются акведуки, основное назначение которых — транспортирование воды над пониженными частями местности. Известны древние акведуки Европы (Италии, Испании и других стран), а также акведук Екатерининского водопровода, пересекающий долину р. Яузы под Москвой. Вид акведуков в плане может быть прямолинейным, криволинейным или полигональным. Гораздо более разнообразным может быть вид продольного и поперечного разрезов, а также конструктивный и облицовочный материал, используемый при строительстве акведуков. На рис. 6.17 представлены схемы акведуков различных типов.

Рис. 6.17. Схемы акведуков различных типов: а — арочный; б — из монолитного железобетона; в — подвесной конструкции; г — рамный железобетонный при глубокой долине; д, е — рамные железобетонные при неглубоких и широких долинах на бетонных и металлических опорах; ж — в виде фермы, перекрывающей большой пролет; з — многоопорный балочной конструкции; 1 — шов 

По конструктивным особенностям различают два типа акведуков: первый тип — лоток представляет собой нагрузку на пролетное строение и не является несущей конструкцией (рис. 6.17, а, б, з); второй тип — стенки и днище лотка являются несущими элементами пролетного строения (рис. 6.17, в, е, ж). Второй тип акведуков более экономичен, но он применим к сравнительно небольшим или средним пролетам.

Конструктивную схему акведуков выбирают в зависимости от местных условий. При узком и глубоком ущелье с прочными берегами рекомендуется арочная или рамная конструкция акведуков (рис. 6.17, а, г); при широких понижениях — акведуки из консольных рам (рис. 6.17, д). При устройстве акведука над рекой возможен вариант лотка и арки из монолитного железобетона (рис. 6.17, б).

Дюкеры. Различают два типа дюкеров: засыпанные, размещаемые под каналами, водотоками и дорогами, и открытые, прокладываемые по склонам и дну пониженных участков трассы канала. Первый тип дюкеров изображен на рис. 6.18, а, ..., г), а второй тип — на рис. 6.18, д. Дюкер состоит из входного участка, напорных труб и выходного участка.

Рис. 6.18. Типы (а...д) дюкеров: 1 — канал; 2 — решетка; 3 — крышка; 4 — грязевик (отстойник); 5 — паз для ремонтных заграждений; 6 — бетонная подготовка; 7— стальная труба; 8 — защитный слой; 9 — труба железобетонная или стальная

Для уменьшения потерь напора сопряжения труб с входным и выходным участками выполняют плавными. В открытых дюкерах для обеспечения фильтрационной устойчивости склонов долин на входном и выходном участках следует предусматривать противофильтрационные элементы. Перед входом в дюкер устанавливают решетку для задержания плавающего мусора. В дюкерах шахтного типа (см. рис. 6.18, а) необходимо в колодцах предусматривать отстойники для осаждения и задержания наносов с целью последующего их удаления. Скорость в трубе дюкера выбирают исходя из условий незаиляемости (обычно 1,5...3 м/с). Материал труб — бетон, железобетон, асбестоцемент, металл, пластик и др.

При использовании гидротехнических сооружений на объектах ландшафтной архитектуры наибольший эффект обычно достигается одновременным использованием их комплекса, наилучшим образом отвечающего принципам гидропластики ландшафта при одновременном воздействии на человека вида, формы, материала, динамики движения, звука, влажности и температуры насыщенного парами или каплями воды воздуха.

Источник: Строительство и эксплуатация объектов ландшафтной архитектуры. Теодоронский В.С.