32.18. Особенности расчета поверхностного и подземного водоотвода
Одним из самых важных аспектов проектирования дороги является мера по защите от воздействия наземных и грунтовых вод. Вода на дорожном покрытии вызывает замедление скорости движения транспорта и является причиной дорожно-транспортных происшествий из-за скольжения и потере видимости из-за брызг и водяной пыли. При попадании воды в структуру дороги дорожное покрытие и земляное полотно теряют прочность и в большей степени подвергаются разрушающему действию транспорта. Вода может попасть в дорожную одежду в результате проникновения осадков с поверхности или инфильтрации грунтовых вод. Неадекватный дренаж часто является причиной разрушения дорог.
Вода также неблагоприятно воздействует на обочины, откосы, кюветы и другие элементы дороги. Разрушение может произойти прямо на глазах, например, когда обваливаются выемки или когда насыпи и мосты уносятся разлившейся водой. Высокая скорость потоков воды может вызвать эрозию, а при сильной эрозии дороги полностью выходят из строя. С другой стороны, низкие скорости в структурах дренажа могут привести к заилению, что в свою очередь, может вызвать закупоривание. Закупоривание же ведет к дальнейшей эрозии или переливанию через край и возможному размыву.
Цель поверхностного дренажа заключается в удалении ливневых вод с проезжей части для обеспечения безопасного и эффективного движения транспорта. Кроме того, необходимо проектировать поперечные дренажные структуры, включая мосты, с целью предотвратить затопление и повреждения проезжей части и прилегающих земельных угодий.
При проектировании дренажных конструкций на поверхности следует сделать выбор между эксплуатационными расходами и допустимыми рисками, принимая во внимание стоимость строительства дренажных систем и защиты от эрозии, которая часто составляет значительную долю расходов по строительству дороги. Первым шагом при проведении гидравлических расчетов дренажа автомобильной дороги является определение проектных расходов, проходящих через все главные конструкции, равно как и рек и водных артерий, прилегающих к трассе.
32.18.1. Учет атмосферных осадков
Несмотря на то, что в некоторых районах характер осадков является постоянным, в большинстве мест количество осадков непредсказуемо и сильно варьируется в зависимости от времени и пространства. Объем осадков во время ливня является базовым показателем для многих методов определения максимального расхода паводка. В идеале необходимо получить информацию о подробных изменениях интенсивности осадков в течение всего ливня с выбранным интервалом повторения.
Ливневые дожди продолжительностью от получаса до нескольких часов, в зависимости от площади водосбора, часто носят характер чрезвычайных явлений, вызывая паводки. Для более крупных дренажных систем, имеющих более продолжительное время срабатывания, ливни большей продолжительности являются критическими.
Данные о количестве атмосферных осадков получают путем замеров глубины дождевой воды, попавшей в каждый из многочисленных дождемеров, которые установлены постоянно в разных точках страны. Необходимо определить общее количество осадков в регионе, а также выбрать метод для производства данных расчетов. Есть несколько способов, но самый оптимальный заключается в построении на карте изогиет (линий, соединяющих точки равного количества осадков). Можно измерить площади между соседними изогиетами и вычислить общее количество осадков путем умножения площади на среднее значение верхней и нижней изогиеты.
Сильные кратковременные ливни обычно выпадают на ограниченной территории. Для площадей, превышающих 10 км2, это факт следует учитывать при моделировании количества осадков путем применения переводных коэффициентов к количеству осадков в точке. В целом, переводной коэффициент площади (полученный в результате преобразования между количеством осадков в точке и количеством осадков на данной площади) зависит как от площади и длительности, так и от силы ливня (часто выражаемой в виде интервала повторения). Тем не менее, зависимость от интервала повторения часто бывает незначительной.
Интервал повторения Т (повторяемость) определяется как среднее количество лет между ливнями данной силы или более сильными. Интервал повторения есть инвертированная вероятность явления. Однако не следует делать вывод, что ливень случается регулярно в интервале Т-лет, есть вероятность его повторения в любой год, равная 1/Т. При анализе подборки данных по количеству осадков наиболее широко применяется статистический анализ предельных значений. Подобная методика применяется также и к другим рядам данных, например, расходам.
Обычно анализируется годовой ряд данных по количеству осадков. Для выбранной продолжительности осадков, например, 2 часа, 1 час или 30 минут наибольшее значение количества осадков (глубина) выделяется для каждого календарного года. Этот ряд называется годовым максимальным рядом. Данные записываются в порядке убывания значений, и каждому из них присваивается разряд: первому – разряд 1, второму – 2 и т.д. Затем вычисляется интервал повторения для каждого значения с помощью формулы
,
(32.19)
где N – число лет в ряду; n – разряд.
Ряд предельных значений годового количества осадков теперь можно нанести на график наряду с интервалом повторения вероятности и провести прямую линию (эмпирическая кривая на клетчатке вероятности). Предельные значения для других интервалов повторения теперь можно снимать с этого графика или его экстраполяции. Наиболее вероятная точность обычно достигается при использовании кривой распределения вероятностей Гумбеля, но в некоторых случаях возможно применение нормального распределения. Вместо диаграмм и графиков, можно применять аналитические методы. Для проведения подробного и точного статистического анализа неплохо иметь в распоряжении достоверные данные по меньшей мере за 10 лет, при экстраполяции же значения для более продолжительных периодов следует иметь данные за более длительный период.