книги из ГПНТБ / Поляков, А. В. Водоотвод на дорогах

50

В некоторых случаях, взвесив все обстоятельства и произ­ ведя соответствующие расчеты, трассу прокладывают, не считаясь с направлением малых, а иногда и средних водотоков. В этом олучае водопропускные сооружения рационально приспосабливаются к косым пересечениям. Для этого отводятся русла водотоков,

уотраиваются регуляционные сооружения и отбойные стенки.Пролет­ ные строения мостов делаются косыми, а в трубах косыми делают­ ся входные и выходные оголовки.

При проектировании переходов на постоянно действующих во­

гу логов с пологими водоразделами между ними целесообразно не делать сооружения на каждом логу. В этом случае выгодно соеди­ нить два, а иногда и несколько логов вместе, с тем чтобы по­ строить одно сооружение.

В отдельных случаях, при наличии малых водосборных площа­ дей, водопроницаемых грунтов и высоких насыпей земляного полот­ на, допустимо пересечение небольших логов без водопропускных сооружений.

Вслед за установлением местоположения сооружений произ­ водится их гидравлический расчет. Расчетом определяются ве­ личина притока воды к сооружениям и размеры отверстий. Горизон­ ты воды, установленные расчетом, позволяют назначать отметки низа и верха пролетных строений сооружений, а также отметку бровки земляного полотна у сооружений. Перечисленные вопросы изложены в последующих параграфах настоящей главы.

Для более правильного проектирования и расчета малых водо­ пропускных сооружений крайне желательно проведение предвари­ тельных обследований существующих в данном районе аналогичных сооружений. Учет опыта эксплуатации существующих сооружений позволит избежать повторения ошибок при возведении новых соо­ ружений.

§ 13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СТОКА ВОДЫ С МАЛЫХ БАССЕЙНОВ

Определение расчетных расходов на малых водотоках и сухо­ долах является задачей более трудной, чем на больших водотоках, ввиду отсутствия, как правило, наблюдений и натурных данных о стоке.

значались без расчета, по ситуационным соображениям. Впослед­ ствии появились нормы для определения величины притока воды, по которым и рассчитывались отверстия малых сооружений. Первые нормы в России были составлены в 1884 году для водопропускных сооружений железных дорог (нормы австрийского инженера Кестлина). Нормы Кестлина, составленные по иностранным климатиче­

ским данным, были крайне несовершенны. Эти нормы позднее неодно­ кратно пересматривались, а потом и вовое были оставлены. Новые нормы разрабатывались по мере накопления отечественных опытных и теоретических данных о стоке. Изучением поверхностного отока длительное время занимались русские и советские ученые: проф. Л.Ф.Николаи, инж.Б.А.Риппас, проф.Ф.Г.Зброжек, инн.Н.Е.Долгов, проф.Г.Д.Дубелир, проф. М.М.Протодьяконов» проф. Д.Л.Соколов­ ский, доктор технических наук Е.В.Болдаков и др. Все исследо­ ватели отмечают чрезвычайную сложность явления поверхностного стока и определения расчетного расхода при стоке.

Поверхностный сток зависит от большого количества факторов, трудно поддающихся учету и теоретическому обобщению. Сток име­ ет место при выпадении дождей и при снеготаянии. Возможен и смешанный сток в случае выпадения дождей и весеннего снеготая­ ния. За расчетный раоход принимается максимальный, возникающий при одном из видов стока. Для различных климатических условий различны будут и определяющие виды стока. Наиболее часто рас­

четные расходы формируются при стоке дождевых вод (ливневый сток) или в случае смешанного стока.

На величину расходов влияют следующие факторы:

а) интеноивность выпадения дождей и интенсивнооть снеготая­

ния;

заполнение неровностей и пониженностей; г ) характер поверхности водосбора в отношении сопротивления

движению воды (шероховатость).

Значения расчетных расходов подсчитываются при определенной интенсивности дождей или снеготаяния. Интенсивности дождей и сне­

53

Из таблицы видно, что для всех сооружений нормативные зна­ чения периодов повторяемостей паводков возрастают с увеличени­ ем значимости дороги. На одной и той же дороге вое сооружения одного вида рассчитываются на паводки с одним и тем яе перио­ дом повторяемости. Этим обеспечивается равнопрочнооть сооруже­ ний данного вида. Для различных видов сооружений на одной и той же дороге принимаются различные периоды повторяемостей па­ водков. Последнее объясняется тем, что одни сооружения выдер­ живают большую перегрузку по пропуску расходов, а другие мень­ шую. Например,_трубы допускают трехкратную перегрузку в про­

Для определения расчетных расходов, поступающих к малым водопропускным сооружениям при паводках принятой повторяемости, предложено большое количество формул. Количество формул теорий и методов расчета стока достигает к настоящему времени несколь­ ких десятков. В противоположность этому опытных наблюдений над поверхностным стоком с малых бассейнов имеется пока сравни­

ментом - площадью водосбора (Д.И.Кочерин,А.В.Огиевский и д р .) . В гидромеханических теориях стока последний рассматривает­ ся как чисто гидравлическая проблема отекания дождевой воды в

идеальных условиях. Формулы расчетных раоходов получают при этом совместным решением уравнений равновеоия и неразрывности, составленным для стока с элементарных участков склона и русел.

54

Б зависимости от принимаемой схематизации русла, закона пита­ ния, закона потерь воды на водосборе и других допущений, раз­ личные авторы подходили различно к решению составленных-урав­ нений. Слоккооть решения составленных дифференциальных уравне­ ний в частных производных приводила или к сильному искажению явления стока, или просто к математическим ошибкам. Пока гидро­ механические теории стока, разработанные чисто математическим путем, без должного отражения качественной стороны явления, не получили сколько-либо широкого практического применения.

К формулам установившегося режима, или однофазовым, отно­ сится преобладающее количество существующих формул расчета дож­ девого стока. Эти формулы основаны на предположении наличия в гидрографах стока паводков (диаграммах стока) фазы установив­ шегося режима стока (рис.2 7 ). При этом в расчетах учитывается не вся форма паводка, а только одна его фаза - фаза максималь­ ного стока. Фазы подъема и спада стока во внимание не прини­ маются. Во многих формулах фаза максимального стока принята при равенстве продолжительности дождя времени добегания воды

щадью одновременного стока. Интенсивность дождя указанной про­ должительности считают расчетной, или "предельной". На использо­ вании указанного положения основан,например.широко извеотный метод "предельных интенсивностей" (П.Ф.Горбачев).

Недостатком формул установившегося режима является го , что они, как и гидромеханические теории, не отражают в необходимой мере природу явления дождевого стока. В реальных дождевых па­ водках фаза установившегося режима (рис.2 7 ,б) часто отсутствует, Фаза максимума в дождевых паводках чрезвычайно непродолжитель­ на, а ее положение, зависящее от сочетания характеристик дождей и бассейнов, отличается крайней неопределенностью. В реальных уоловиях весьма часто время добегания по бассейну будет пре­ вышать продолжительность расчетных дождей (р и с .2 7 ,в ), т .е . в формировании максимальных расходов будет участвовать не вся площадь бассейна. Недостатком формул установившегося режима является и то , что в них паводки рассматриваются не в полном виде. Формулами отражается одна лишь фаза максимума в отрыве от объема и всей формы паводка. Формулы установившегося режима, по мнению проф.Д.Л.Соколовского, являются пройденным этапом и не соответствуют современным знаниям вопроса и современным тре­ бованиям расчетов.

55

а так называемых "объемных" формулах, предложенных для расчета дождевых паводков. Максимальный расход определяется при этом о учетом всего объема паводка и всех его фаз. Потери воды на

водосборе учитываются коэффициентом стока. "Объемные" формулы в настоящее время следует признать самыми совершенными из всех предложенных.

Эмпирические формулы, связывающие максимальный расход с одним лишь аргументом, чаще всего с площадью водосбора, имеют небольшую значимость и малое распространение. Эти формулы,как правило, получены для каких-либо частных условий. Эмпирические формулы, не претендующие на полное отражение явления стока, могут использоваться в соответствующих условиях для предвари­ тельных подсчетов и прикидок.

Формулы максимальных расходов при расчете смешанного (ве­ сеннего) стока, как и формулы расчета дождевых паводков,можно разделить на три группы:

.56

а ) формулы установившегося режима, или однофаэовые, опре­ деляющие максимальный расход в зависимости от максимальной ин­ тенсивности снеготаяния и площади водосбора (Д.Л.Соколовский

идр.);

б) формулы "объемные", овязывающие максимальный расход с

объемом, продолжительностью к формой половодья (ДЛ.Соколовокий, А.В.Огиевский и д р .);

в ) формулы эмпирические, определяющие максимальный раоход в зависимости от одного аргумента - площади водосбора (Д„И.До­ черин и д р .) .

О расчетных формулах для определения максимальных расходов при смешанном (весеннем) стоке необходимо отметить, что до на­ стоящего времени нет рационального метода расчета весенних мак­ симумов. Разработка такого метода являетоя делом дальнейших исследований. В настоящее время при расчетах весеннего стона чаще всего пользуются формулами установившегося режима. Расчет­ ные раоходы определяют при этом по максимальной интенсивности снеготаяния и площади водосбора. Наиболее совершенные "объем­ ные" формулы применительно к расчету весеннего отока разрабо­ таны пока недостаточно. Из всех существующих теорий, методов и формул для расчета дождевого и весеннего (смешанного) стоков

наиболее всесторонне разработанными являются формулы проф.Д.Л.С( коловского. Эти формулы получены на основании детального рас­ смотрения теории вопроса и обобщения имеющихся к настоящему времени материалов наблюдений за стоком.

Для практического раочета дождевого стока Д.Л.Соколовским предложена формула, относящаяся к категории "объемных", а для расчета весеннего стока - формула, относящаяся к категории фор­ мул установившегося движения. Имеющаяся "объемная" формула Д.Л.Соколовского для расчета весеннего отока, к сожалению, по­ ка не имеет разработанных параметров.

Формула Д.Л.Соколовского для расчета дождевого стока имеет

где Q - максимальный расход дождевого паводка, м ^/сек;

Нт~ количество осадков, мм, за время дождя расчетной про­ должительностью Т часов;

57

ot - коэффициент стока;

F - площадь водосбора, км^;

t - продолжительность подъема стока (на гидрографе), прини­ маемая равной времени добегания воды по руслу, час, (р и с .28);

f - коэффициент формы гидрографа;

(5 - коэффициент, учитывающий аккумуляцию воды в болотах и озерах на водосборе.

Рис.28. Схема к расчету дождевого стока по Д.Л.Соколовскому:

t„ - продолжительность подъема стока; t cn - продолжительность спада стока; уп , у тах , усп- ординаты паводка в относительных единицах от максимума стока; ординатаутах соответствует макси­ мальному расходу Q . Форма паводка принята в виде двух сходя­ щихся в вершине парабол

Значения параметров, входящих в формулу, находятся следую­ щим путем. Количество осадков Hf определяется после установле­ ния продолжительности расчетного дождя Г . Продолжительность расчетного дождя Т зависит, в овою очередь, от времени добега­ ния воды t . По Д.Л.Соколовокому,

где (К. - коэффициент замедления или неодновременносги стока с

водосбора, равный

- 0,20

и

Время добегания воды по руслу водотока или по логу t нахо­ дится элементарным путем:

58

где Д - параметр, характеризующий интенсивность расчетных дождей принятой повторяемости, мм/мин.

Величина параметра Д определяется по формуле

Д = А + В Lg Р ым/мин,

где А и В - географические параметры, характеризующие дождевые осадки в данной местности [[5; б ];

Р- период повторяемости расчетных дождей в годах (таб­ лица 1 3 ).

59

Максимальный расход при весенней (смешанном) стоке, по д.Л.Соколовскому, находится в соответствии с формулой [63

<?= 0,28 A (j> S <§ F м ^/сек,

где 0 - максимальный расход при весеннем стоке, м ^/сек;

А- максимальная интенсивность весеннего стока с элемен­ тарной площади, мм/час (от снеготаяния и весенних

0,45

F o * ° ' 2 FS

=

В этих формулах обозначено:

Fq - площадь озер в процентах к площади водосбора; Fq - площадь болот в процентах к площади водосбора; Fj - площадь леса в процентах к площади водосбора;

у- коэффициент, равный для лесов на глинистых и суглинистых почвах 0,25 - 0,3 и для леоов на песчаных и супесчаных почвах 0,35 - 0,45 .