Водопады. 
Гидротехнические мелиорации

Водопады представляют собой падение воды в водотоке в местах резкого изменения высоты дна с образованием почти отвесного уступа. При этом вода может падать не по одному, а по нескольким уступам, расположенным на разной высоте, образуя серию или каскад водопадов.

В природе уступ водопада (порог водослива) непрерывно разрушается. Такому же разрушению подвергается и основание водопада (водобойная часть, или воронка размыва). Все эти разрушения приводят к тому, что природный водопад непрерывно отступает вверх по течению водотока.

В качестве примера можно привести всемирно известный Ниагарский водопад, отступающий вверх по течению на 0,7…0,9 м в течение года.

Водопад — это красивое и грозное явление природы, воздействующее на человека своим видом, динамикой движения воды, цветом воды и брызг, влажностью воздуха и, безусловно, звуком, переходящим в определенных условиях в непрерывный рев.

Для оценки такого природного образования, как водопад, необходимо знать, что самый высокий на земле водопад Анхель (Венесуэла) имеет высоту падения 1 054 м. Второе место по высоте падения занимает водопад Тугела (Южно-Африканская республика). Его высота составляет 933 м. Третье место по высоте занимает Йосемитский водопад (США), имеющий высоту падения 727,5 м.

Вода в водопадах не всегда падает. Если уступ водопада имеет некоторый уклон, то вода не образует свободную струю, а стекает с большой скоростью по сильно наклоненной поверхности. Такие природные водопады называют водоскатами.

Красота и сила воздействия водопада на человека привели к тому, что не только естественный, но и искусственный водопад стал одним из излюбленных элементов гидропластики ландшафта, широко используемых в различных странах мира. Особое место водопад занимает в Японском саду [6], [14], являясь одной из любимейших деталей сада.

Как пишет Е. В. Голосова [6], «Выдающийся ландшафтный архитектор современной Японии Кинсаку Накан, основываясь на достоверных источниках, описывает два из наиболее ранних садовых водопадов. Строительство одного из них было завершено в ИЗО г. в саду Хоконгоин, другой был создан примерно в то же время в саду Китаяматеи и достигал высоты почти 15 м». Место для водопада в Японском саду выбирали особенно тщательно. Он располагался вдали от дома, но так, чтобы был слышен звук воды, а в лунную ночь можно было наблюдать отблески разлетающихся струй.

По японским понятиям обрамлением водопада должны служить две скалы, олицетворяющие мощные горы, а фоном — в основном деревья в сочетании с другой растительностью. Классифицировать водопады можно по различным признакам, но раз мы начали рассмотрение роли водопада в Японском саду, то приведем японскую классификацию форм.

В руководствах по созданию водопадов в Японии описывается 10 возможных форм, которые рассмотрим по порядку, помня о том, что в Японии основное внимание уделяется эффекту созерцания водопада.

• 1. Скользяще-падающий. Вода в таком водопаде должна стекать по поверхности прилегающих скал в виде прилипающего потока без образования крупных пустот.
• 2. Падающий, как полотно. Поток не прилипает к поверхности скал, свободно падает, напоминая полотняную ткань.
• 3. Падающий нитью. Такой водопад может быть как одноструйным, так и многоструйным с разделением потока в верхней части водопада.
• 4. Неровно падающий. Водопад имеет асимметричное строение, при котором с одной стороны стекает воды больше, чем с другой.
• 5. Падающий слева и справа. Основой устройства такого водопада является разделительная стенка в виде скалы, делящая поток воды на две равные или неравные части.
• 6. Прямо падающий. В этом типе водопада вода падает прямо вниз без каких-либо помех на пути.
• 7. Падающий сбоку. Вода стекает только с одной стороны водопада. Остальные стороны представляют собой скалы, камни или иные твердые поверхности.
• 8. Падающий лицом друг к другу. Струи воды в таком водопаде обращены друг к другу, находясь на противоположных сторонах.
• 9. Отторгнуто падающий. При наличии основного водопада из указанных ранее отдельный поток расположен на некотором расстоянии от него.
• 10. Повторное падение. Такой водопад отличается наличием нескольких уступов, расположенных на разной высоте. К этой же категории отнесены водопады с наличием нескольких струй. Указанное совмещение является не совсем удачным, так как одновременно может быть и многоступенчатый, и многоструйный водопад.

Последний принцип уже упоминался в водопадах третьего типа (падающий нитью).

Приведенная типология не вызывает однообразия решений, так как каждая деталь японского сада, в том числе и водопады, играют иную роль в зависимости от окружения, сочетания с другимн элементами, а также от масштабного и ритмического построения композиции.

Классификация водопадов Японии достаточно совершенна и ее можно применять при проектировании и строительстве искусственных водопадов в любой стране мира. С практической точки зрения при инженерном оборудовании искусственных водопадов приведенную классификацию целесообразно дополнить следующими показателями.

Большое значение имеет высота водопада. Для оценки этого показателя условно можно принять следующие три градации:

• • низкие водопады — с высотой падения до 5 м;
• • средние водопады — с высотой падения 5… 15 м;
• • высокие водопады — с высотой падения более 15 м.

Одного этого показателя недостаточно.

При работе с водой как архитектурным материалом нужно учитывать и расход воды, который влияет на выбор насосного оборудования.

Чтобы не очень разнообразить числовые показатели, аналогичные значения можно принять и для расхода воды, л/с. Тогда к водопадам с малым расходом воды можно отнести такие, у которых расход не превышает 5 л/с; к средним — 5… 15 л/с; к крупным — более 15 л/с.

Использование природных и строительство искусственных водопадов неизбежно связано с их мелиорацией, т. е. с работами по улучшению их состояния и увеличению эффекта воздействия на человека.

Природные водопады. Природные водопады медленно движутся вверх по водотоку в результате размыва недостаточно крепких грунтов и пород, слагающих водосливной порог и водобойную часть.

Укрепление водосливного порога возможно почти всегда путем применения более крепких и менее разрушаемых материалов. Если речь идет о ландшафтных водопадах, то преимущество всегда будет на стороне природных камней из гранита, базальта, лабрадорита, габбро и других аналогичных кристаллических или метаморфических пород. Способ крепления зависит в основном от формы и материала русла водотока, а также от величины расхода воды.

Технология крепления не отличается от других гидротехнических работ, связанных с использованием камня, бетона, металлической арматуры, с учетом ландшафтной роли сооружения. При креплении водосливного порога могут иметь место и элементы реконструкции, связанные с формой и размерами водосливной кромки, позволяющей изменить взаимосвязь потока падающей воды с водосливной стенкой (уступом), варьировать количеством и мощностью струй, разделением потока не только в верхней ча;

Рис. 10.5. График для определения коэффициента размывающей способности потока K_F(a); гидравлический прыжок и воронка размыва (б):

/, — расстояние от первой сопряженной глубины потока до начала воронки размыва; А, ф — критическая глубина потока; Л_с' — первая сопряженная глубина потока перед прыжком; — максимальная глубина воронки размыва; А_нб — глубина потока в нижнем бьефе после воронки размыва; 1 — 1= 2,6; 2—1= 2,4; 3—1= 2,2; 4—1= 1,9; 5- 1= 1,7 {I=hjh'_c)

сти, но и по пути падения воды в соответствии с изложенной ранее классификацией водопадов.

Конструкция водобойной части зависит от расхода воды, высоты падения и типа грунтов и скальных пород в русле нижнего бьефа водопада. Водобойная часть может быть выполнена в виде водобойного колодца или водобойной стенки. Оба вида можно рассчитать исходя из условий работы гидротехнических сооружений.

Другим видом сооружений нижнего бьефа водопада является воронка размыва, которую также рассчитывают.

Наиболее типичным случаем расчета водобойной части водопада можно считать конструкцию с затопленным гидравлическим прыжком.

В этом случае наибольшая глубина потока в воронке размыва И_тах, м, в несвязных грунтах (рис. 10.5) может быть определена по формуле Б. И. Студеничникова:

где K_F — коэффициент размывающей способности потока, определяемый по рис. 10.5; р — коэффициент неравномерности распределения расхода (при хорошем растекании потока в нижнем бьефе р = 1,2); — удельный расход на водосбросной части водопада, м³/с • м; d_cp — средний диаметр частиц грунта, м, принимаемый равным dso-

Местный наибольший удельный расход в воронке размыва q, м³/(с • м), определяется по формуле.

Если грунт легкоразмываемый (см. рис. 10.5), то длину крепления 1_Ь м, определяют по уравнению.

где А_н6 — глубина потока бытовая в нижнем бьефе, м; А_с' — глубина потока в сжатом сечении (первая сопряженная глубина прыжка), м.

При указанной длине крепления избыточная кинетическая энергия потока почти полностью гасится и значение коэффициента размывающей способности потока K_F может быть принято равным 1,1. В других случаях его необходимо определить по графику (см. рис. 10.5).

Воронку местного размыва в несвязных грунтах целесообразно крепить камнем в виде наброски. Крупность камня d_K, м, можно определить по формуле.

где K_F — коэффициент размывающей способности потока, равный 1,1 или определяемый расчетным путем; К₃ — коэффициент запаса, обычно равный 1,2; А_к — глубина заложения крепления под уровень воды, м; q — удельный расход воды, м³/(с • м).

Если в нижнем бьефе залегают достаточно прочные грунты, то длину крепления можно сократить, определяя значение К_г по графику (см. рис. 10.5).

Стремиться к наименьшему размеру воронки размыва следует не всегда. Если на месте воронки размыва устраивается регулирующий водоем для подпитки естественного или искусственного водопада, то размеры этого водоема определяют из других соображений, учитывая расчеты, приведенные ранее.

При проектировании объектов гидропластики ландшафта основным архитектурным материалом является вода. Поэтому при проектировании искусственных водопадов или мелиорации естественных водопадов первым делом необходимо определить параметры потока воды в верхнем бьефе на водосливном пороге. Этих параметров немного: ширина и глубина потока.

Остальные параметры (скорость движения и расход) являются производными от основных. В первую очередь, задаемся шириной потока В_п и напором Я (несколько большим, чем глубина потока).

Формула расхода прямоугольного водослива с широким порогом имеет вид.

где т — коэффициент расхода, равный для водослива с широким порогом 0,35; — ширина потока, м; Я — напор над порогом водослива, м; g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с².

Если принять ширину порога 1 м и подставить численные значения коэффициентов, то приведенную формулу можно представить в преобразованном виде.

При единичной ширине порога водослива скорость потока будет равна Q/ Я, или

где v — скорость на пороге водослива, м/с.

При проектировании искусственного водопада или мелиорации естественного водопада может возникнуть потребность хотя бы временного увеличения расхода водопада для достижения запланированного эффекта. Этого эффекта можно достичь путем внутрисуточного регулирования стока естественного ручья путем накопления воды в водоеме-регуляторе, расположенном выше порога водопада, т. е. в верхнем бьефе, или ниже основания водопада, а лучше всего — в месте расположения воронки размыва. В последнем случае одновременно решаются две задачи: временное увеличение расхода водопада и более эффективное гашение энергии потока водопада.

Дополнительное количество воды на водослив водопада подается насосом из водоема-накопителя. В этом случае верхнее расположение водоема оказывается более экономичным с точки зрения затраты энергии на работу насоса. При нижнем расположении водоема необходимо преодолеть высоту подачи воды на верхнюю часть водопада наряду с общими потерями воды в напорных трубопроводах.

Если за основу принять внутрисуточное регулирование стока ручья, то можно исходить из следующих соображений. Одновременно функционирует водопад и происходит накопление воды в водоеме-регуляторе. Расход водотока Q_u направленного на водопад, можно принять 1 л/с или 3,6 м³/ч. В это же время такой же расход направляется в водоем-накопитель. Тогда полный расход ручья составит 2 ?>,. Если предположить, что происходит только суточное регулирование стока, то через 24 ч водоем-регулятор (его регулирующая емкость) будет полностью заполнен, а объем стока и водоема составит 86,4 м³. Если учесть, что необходим некоторый запас над уровнем воды и так называемый мертвый объем, то максимальный объем водоема в этом случае составит около 100 м³.

Если предположить, что накопление воды (регулирование стока) будет происходить только в течение 12 ч, то необходимый объем водоема составит 50 м³, а объем зарегулированного стока — 43,2 м³. Этот объем воды, затрачиваемый на увеличение расхода водопада свыше Q_h может быть израсходован в течение 12 ч по 3,6 м³/ч, или в течение 6 ч по 7,2 м³/ч, или в течение 2 ч по 21,6 м³/ч, что составит дополнительно 3 л/с, а в сумме — 4 л/с. Характер подачи воды, связанный с работой насосов, может быть сосредоточенным и рассредоточенным по заданной программе, составленной с расчетом на определенный эффект. Возможны любые другие варианты.