11.5. Учет аккумуляции ливневых вод перед малыми водопропускными сооружениями

При назначении отверстий труб необходимо учитывать аккумуляцию ливневых вод в пруду перед сооружением. При этом заранее нельзя назвать степень снижения расчетного расхода, так как глубина воды перед сооружением (глубина пруда) еще неизвестна. Это осложняет расчет и заставляет выполнять его либо путем последовательных приближений, либо графоаналитическим методом.

Малые искусственные сооружения почти всегда сильно стесняют поток и изменяют его бытовой режим. В результате временного накопления перед сооружением части паводка гидрограф притока трансформируется в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению расчетного сбросного расхода ливневых вод в сооружении Q_с по сравнению с наибольшим секундным притоком с бассейна Q_л (рис. 11.6а). Объем накопившейся воды W_пр при общем объеме стока W зависит от гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа участка местности, в пределах которого образуется временный водоем.

Расход воды в отверстии сооружения определяется высотой подпора воды над входным лотком. При узких, ярко выраженных логах с большим уклоном этот подпор даже в течение ливневого паводка обычно достигает размеров, обеспечивающих практическое равенство расхода воды в отверстии наибольшему секундному притоку. Объем воды, накопившейся перед сооружением, по сравнению с объемом всего паводка оказывается незначительным и практически не влияет на расход в сооружении. При определении отверстия сооружения в таких случаях в качестве расчетного расхода может приниматься наибольший расход водотока заданной вероятности превышения. Также без учета аккумуляции следует производить расчет малых сооружений на пропуск паводков от таяния снега, всегда растянутых во времени (рис. 11.6б).

Рис. 11.6. Трансформация гидрографа притока воды к сооружению в гидрограф сбросных расходов: а – ливневый сток; б – сток талых вод

Принимая, что склоны бассейна имеют однообразные уклоны и могут быть упрощенно представлены в виде двух плоскостей, пересекающихся по линии лога, эту зависимость можно выразить аналитически (рис. 11.7)

, (11.9)

где m₁, m₂, i_л – крутизна склонов лога и его уклон.

Рис. 11.7. Схема к определению объема пруда

Принимая треугольную форму гидрографов притока и сбросных расходов, получим (см. рис. 11.6)

. (11.10)

Величина , учитывающая рельеф местности и размеры отверстия сооружения, может быть названа коэффициентом аккумуляции и легко вычислена при известных а, Н и W.

11.6. Расчет отверстий малых мостов и определение высоты сооружений

Расчет отверстий малых мостов (рис. 11.8) обычно следует производить по схеме свободного истечения, пользуясь формулой

. (11.11)

Зная, что H2h_с=1,45V_с²/g, принимают такую последовательность расчета:

1. задают скорость V_с по желательному типу укрепления русла под мостом (табл. 11.3).

Задавая скорость V_с, следует учитывать, что она будет наблюдаться в потоке лишь на очень коротком протяжении в зоне глубины h_с, в связи с чем эти скорости можно повышать приблизительно на 10%;

2. вычисляют напор H;

3. вычисляют объем пруда W_пр=k_oН³;

4. находят коэффициент  по табл. 11.4.

Тогда без каких-либо последовательных приближений и с учетом аккумуляции воды перед насыпью .

Рис. 11.8. Схемы протекания воды под малым мостом: а – свободное протекание; б – несвободное протекание

Таблица 11.3. Допускаемая скорость на размыв укрепления русла

Тип укрепления	Допускаемая скорость, м/с	Тип укрепления	Допускаемая скорость, м/с
Засев травой	0,8	Двойное мощение камнем 15-25см	3,5-4,5
Одерновка плашмя	1,0	Укрепленный грунт, мощностью 5см и 10 см	1,0 и 2,5
Одерновка в стенку	1,8	Бетон низких марок	4,0-6,0
Одиночное мощение на щебне камнем 15-25см	2,5-3,5	Бетонные плиты	5,0-7,0

Таблица 11.4. Значения коэффициентов аккумуляции (F в км²)

Wпр/W	Значения 				Wпр/W	Значения 
	по расчету		рекомендуемые для расчета			по расчету		рекомендуемые для расчета
	при F<10	при F>10	при F<10	при F<10		при F<10	при F>10	при F<10	при F<10
0,00	1,00	1,00	1,00	1,00	0,55	–	–	0,26	0,31
0,05	–	–	0,97	0,97	0,60	0,23	0,27	0,23	0,27
0,10	0,88	0,84	0,90	0,90	0,65	–	–	0,20	0,24
0,15	–	–	0,82	0,82	0,70	0,16	0,22	0,17	0,21
0,20	0,72	0,74	0,73	0,73	0,75	–	–	0,14	0,18
0,25	–	–	0.62	0,62	0,80	0,12	0,15	0,12	0,15
0,30	0,53	0,55	0,53	0,55	0,85	–	–	0,10	0,12
0,35	–	–	0,45	0,50	0,90	0,07	0,09	0,08	0,09
0,40	0,40	0,45	0,45	0,45	0,95	–	–	0,04	0,05
0,45	–	–	0,35	0,40	1,00	0,00	0,00	0,00	0,00
0,50	0,28	0,35	0,30	0,35

Принимая для осуществления типовой проект моста с отверстием b₀, следует пересчитать напор

. (11.12)

При очень глубоком потоке воды в отводящем русле отверстие моста рассчитывают по схеме несвободного истечения (рис. 11.8б), которое наступает после того, как прыжок, возникновение которого возможно в сжатом сечении, где h_с<h_кр, будет надежно затоплен бытовым уровнем. При несвободном истечении необходимое отверстие моста

. (11.13)

Сбросный расход рассчитывают по формуле

, (11.14)

с вычислением объема пруда по ожидаемой глубине волы перед сооружением

. (11.15)

Отметка насыпи у труб назначается не менее чем на 1,0 м выше подпертого уровня воды при полунапорном и напорном режимах и на 0,5 м – при безнапорном. Над верхом трубы отметка насыпи должна быть выше, не менее чем на толщину дорожной одежды. Это обеспечивает необходимую засыпку над трубой и неподтопляемость дорожной одежды при длительном стоянии воды перед сооружением (рис. 11.9а).

Рис. 11.9. Схемы определения высоты насыпи у водопропускных сооружений (а) и высоты малого моста (б)

Высота малого моста (рис. 11.9б) определяется как

, (11.16)

где 0,88 – коэффициент, учитывающий некоторое снижение уровня при входе потока под мост; z  0,25 м – возвышение низа пролетного строения над уровнем воды; при наличии ледохода z = 1,0 м; h_кон – конструктивная высота пролетных строений моста.

Бровка насыпи у моста также должна быть поднята над подпертым уровнем воды не менее чем на толщину дорожной одежды. Длина моста поверху назначается исходя из крутизны откоса конусов и высоты верха моста над дном лотка. При этом следует учитывать, что необходимое отверстие моста, рассчитанное по формуле (11.11), отсчитывается по свободной поверхности потока, а при несвободном протекании – по средней линии (т. е. на глубине 0,5h_б).