База нормативной документации: www.complexdoc.ru

31.2. Математическое моделирование стока талых вод с малых водосборов

До недавнего времени при проектировании малых водопропускных сооружений аккумуляцию талых вод не учитывали (хотя это явление почти всегда имеет место), что в ряде случаев приводило к назначению завышенных размеров отверстий сооружений и геодезических высот бровок земляного полотна над ними. Это было связано, во-первых, с отсутствием надежных методов расчета объемов стока талых вод и, во-вторых, с неверным представлением о форме и продолжительности гидрографа стока в форме одно-модальной трапеции, которая справедлива только для водосборов площадью более 200 км2. Для малых же водосборов гидрограф стока талых вод имеет выраженный внутри суточный ход, причем, максимальные расходы превосходят минимальные в 5-10 раз, что приводит к образованию кратковременного пруда аккумуляции талых вод в периоды дневного стока с последующим его сбросом в периоды ночного минимума.

Современные представления о механизме формирования стока талых вод состоят в следующем:

в результате таяния снега в верхнем его слое жидкость частично удерживается абсорбционными и капиллярными факторами, заполняя, так называемую, водоудерживающую емкость снега и частично проникает в более глубокие слои, постепенно насыщая всю толщу снега, вплоть до подстилающего грунта;

оставшаяся вода стекает вдоль склонов водосборов и затем попадает в русловую сеть тальвегов. Со временем сюда же попадает и часть воды, которая передвигалась вдоль склонов по временным и постоянным водоупорам;

в ходе этого процесса некоторая часть воды испаряется, а некоторая продолжает просачиваться в более глубокие слои почв;

процесс отекания талой воды по склонам при наличии снега качественно отличается от склонового стока ливневых вод. Только после попадания в русловую сеть тальвегов его пропуск аналогичен пропуску ливневого стока.

При формировании талого стока выделяют два основных случая:

талый сток по не промерзшей почве. В этом случае интенсивность впитывания в почву лишь немногим меньше

1429

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

интенсивности снеготаяния и водоотдачи из снега, поэтому сток талых вод незначителен;

талый сток по промерзшей почве. В этом случае почва представляет собой водоупор, по которому происходит склоновый сток талых вод в водонасыщенных слоях снега с последующим попаданием его в русловую сеть тальвегов. Этот случай более опасен, поскольку здесь объемы и максимальные расходы снегового стока могут достигать значительных величин.

В суточных изменениях гидротермического режима таящего снега выделяют 4 основные фазы:

утреннее прогревание слоя снега до температуры таяния;

дневное снеготаяние (пик приходится примерно на 13-14 часов);

вечернее охлаждение поверхности снега;

ночное промерзание (когда температура снега опускается ниже 0°С, талая вода замерзает, склоновый сток прекращается).

Главными факторами, требующими учета при расчетах аккумуляции талой воды перед сооружениями, являются уклоны склонов и русла, их шероховатости и экспозиция водосбора относительно стран света.

Аккумуляция возникает, когда есть стеснение потока. Однако при принятии трапецеидальной формы гидрографа притока с значительной продолжительностью максимального расхода, сбросный расход в сооружении может достичь величины максимального расхода притока только при больших бассейнах (рис. 31.7, а). Для малых же водосборов с выраженным внутрисуточным ходом стока время притока максимального расхода к сооружению недостаточно для уравнивания расходов, что вызывает снижение сбросных расходов по сравнению с максимальными расходами притока (рис. 31.7, б, в). На малом водосборе могут формироваться до 2-3 примерно одинаковых суточных максимума стока, при этом время интенсивного стока составляет около 10 часов в сутки. Поэтому накопленный во время дневного максимума притока пруд аккумуляции талой воды должен быть опорожнен до начала подъема паводка следующих суток.

1430

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 31.7. Типы взаимодействия между гидрографами притока и сброса талых вод

Основными генетическими факторами образования стока талых вод являются мощность снежного покрова к началу таяния и максимальные суточные величины радиационного баланса границы «снег-атмосфера».

Максимальный расход неуклонно возрастает при изменении высоты снежного покрова от 15 до 60 см, а затем замедляется и в пределе полностью стабилизируется (в этом случае гидрограф стока растягивается во времени).

С увеличением же радиационного баланса резко возрастают максимумы расхода и суточного объема снегового стока (при этом период снеготаяния уменьшается, а гидрограф стока сокращается во времени).

Таким образом, с точки зрения возможных разрушений водопропускных сооружений наиболее опасными являются половодья, происходящие при наибольших суточных максимумах радиационного баланса, если начальная мощность снежного покрова достаточно велика.

1431

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

При схематизации гидрографа притока и сброса талых вод треугольниками в ходе 24 часового суточного цикла максимальный сбросный расход имеет следующий вид:

где

Qc - максимальный сбросный расход в сооружении;

- максимальный расход притока талой воды.

Это означает, что предельное снижение расчетных сбросных расходов не должно превышать в 2,4 раза по сравнению с максимальным расходом притока. С некоторым гарантийным запасом эту величину уменьшают до 2-х. Тогда система ограничений для назначения отверстий малых водопропускных сооружений примет вид:

где

- максимальный ливневый расход.

1432

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

- максимальный расход талых вод.

Интенсивность поступления воды на водосбор в период таяния снега зависит от величины снегозапасов, физических свойств снега и количества тепла, поступающего из атмосферы к верхней границе снегового покрова.

Основными составляющими потока тепла на поверхности снежного покрова являются: прямая и рассеянная коротковолновая радиация, длинноволновое излучение из атмосферы и снега, турбулентный теплообмен атмосферы и снега, теплообмен при конденсации и испарении снега, поступление тепла вместе с жидкими осадками. Поток тепла из почвы определяется ее температурой и физическими свойствами, в частности, тепло- и температуропроводимостью.

Гидротермодинамический режим снежного покрова описывают системой дифференциальных уравнений, предложенных Л.С. Кучментом:

где

(31.6)

Q - объемная влажность снега в долях единицы;

t - время;

rв, rL - плотности воды и льда;

qв - поток влаги по вертикали;

z - расстояние по вертикали;

L - объемная льдистость снега в долях единицы;

1433

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Сэф - эффективный коэффициент теплоемкости снега;

Т - температура снега;

lэф - эффективный коэффициент теплопроводимости снега;

L1 - удельная теплота плавления льда.

Сэф и lэф определяют по следующим формулам:

Сэф = СL·rL·L + Св·rв·Q;

lэф = 0,00005 + 0,004rс2 где

СL и Св - теплоемкости льда и воды; rс - плотность снега.

СL, Св, rв, rL, rс и другие гидрофизические константы для расчета талых вод приведены в табл. 31.2.

Таблица 31.2.

Гидрофизические константы для расчета талых вод

1434

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Система уравнений (31.6) описывает гидротермодинамический режим снега как трехфазной среды, состоящей из льда, жидкой воды и воздуха (пара). Систему (31.6) решают в конечных разностях. В качестве исходной метеорологической информации используют данные о ходе радиационного баланса границы «снегатмосфера» (приток или отток тепла) и мощности снежного покрова к началу таяния. Необходимые метеорологические данные можно получить из климатических справочников рассматриваемых районов.

Для расчета гидротермического режима снега его общую толщину разбивают на N слоев толщиной Dz и аппроксимируют системой уравнений (31.6) в конечноразностной форме:

граница снег-атмосфера

граница снег-почва

1435

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

где

j - индекс шага (интервала) по времени t;

i - индекс шага (интервала) по вертикали z;

qд - поток влаги от жидких осадков;

Ra - поток тепла из атмосферы;

RN - поток тепла в почву.

Поток влаги из верхнего расчетного слоя снега в нижний определяется водоудерживающей способностью снега

qi+1 = rв (Qi - Qвc)Dz/Dt при Qi > Qвc;

qi+1 = 0 при Qi £ Qвc, где

Qвc - водоудерживающая способность снега, рассчитываемая по формуле:

Количество тепла, необходимое для того, чтобы за время Dt повысить температуру единичного объема снега до 0° С

Величина DRi представляет собой «эффективный запас холода» элемента снега, который слагается из теплосодержания элемента и разности потоков тепла к нему за время Dt. DRi может компенсироваться за счет образования и таяния льда:

DL(i)max = DRi /rLL1.

1436

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Так как температура снега всегда ниже 0° С, то внутри снежного покрова происходит только процесс образования льда. Увеличение льдистости за время Dt находят из соотношений:

Для поверхностного слоя снега запас холода находят из выражения:

а для нижнего слоя

При таянии снега с поверхности (т.е. при DR1 <0) высота верхнего расчетного слоя уменьшается на величину

Приращение влажности в верхнем слое определяют по воднобалансовому уравнению:

1437

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Изменение льдистости на таящей поверхности

Распределение плотности сухого снега

rс = 0,1695 + 0,0037z.

Распределение температуры в толще снега в начальный момент времени вычисляют по линейной формуле:

Тci = Тс1 - (Тс1 - Тn) z, где

Тn - температура почвы.

Величину радиационного баланса границы «снег-атмосфера» задают по материалам климатических справочников, а при их отсутствии определяют по методике П.П. Кузьмина:

RR = R0 (1 - rc) (1 - 0,1N0 - 0,47Nн), где

RR - поток прямой коротковолновой радиации;

R0 - максимально возможная интенсивность суммарной коротковолновой радиации при безоблачном небе;

rc - альбедо снега;

N0 и Nн - общая и нижняя облачность в долях единицы.

Величину R0 оценивают по приближенной зависимости:

R0 = 0,025h0, где

h0 - высота солнца над горизонтом в градусах, определяемая по уравнению:

sinh0 = sinj sind + cosj cosd cosw, где

1438

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

j - географическая широта местности;

d и w - склонение и часовой угол Солнца, определяемые по формулам:

d= 23,5 sin(2p)(tc - 81)/П; w = p (tч - 12)/12, где

П- количество дней в году;

tc - время в сутках от 1 января;

tч - местное время в часах от полуночи.

Альбедо снежного покрова зависит от структуры и влажности поверхностного слоя снега. Интегральной характеристикой этих величин считают плотность поверхностного слоя снега rсi.

При rсi > 0,1 г/см3 альбедо снежного покрова вычисляют по формуле:

rc = 1,03 - rсi.

Расчет длинноволнового излучения атмосферы производят по формуле:

где

Î - относительная поглащательная способность длинноволновой радиации;

s - константа Стефана-Больцмана (см. табл. 31.2);

Та - температура воздуха;

е200 - упругость водяного пара.

Расчет длинноволнового излучения снега выполняют по формуле:

1439

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

где

Тпов - температура поверхности снега.

Турбулентный теплообмен атмосферы и снега определяют по формуле:

RТ = 1,75(Та - Тпов)(0,18 + 0,098U)·0,027, где

U - скорость ветра, м/с.

Расчет затрат тепла на испарение снега выполняют по формуле:

Rи = 1,75 (е200 - ес)(0,18 + 0,098U)·0,027, где

ес - максимальная упругость водяного пара надо льдом при температуре Тпов, которая равна

Поток тепла от выпадения жидких осадков

Rос = rвСвTаRж, где

Rж - интенсивность жидких осадков.

Окончательно радиационный баланс границы «снег-атмосфера» равен

Rа = RR + RаR + RT - Rи - RCR + Roc

Поток тепла в почву задают по приближенной формуле:

где

1440

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

lс, lп - теплопроводимости снега и почвы;

Tс, Tп - температуры нижнего слоя снега и почвы;

dс, dп - толщины нижнего слоя снега и расчетного слоя почвы (для приблизительных расчетов допускают dс = dп).

Допуская, что теплопроводимость промерзшей минеральной почвы примерно в 10 раз больше теплопроводи мости снега, а ее температура остается постоянной за период таяния и равна -1°С, для задания потока тепла в почву используют формулу:

RN = 1,8lс(Tс + 1), где

lс, Tс - теплопроводимость и температура нижнего слоя снега.

Для описания склонового стока талых вод используют уравнение кинематической волны в следующем виде:

где

h - глубина потока, м;

t - время, сек;

q - приток воды в единицу времени на единицу длины склона,

м3/(см);

х - расстояние по рассматриваемому направлению склона, м;

а - поступление воды, м/с;

b - потери, м/с;

a, m - множитель и показатель степени, которые: для ламинарного движения a = gic/2v и m = 3, для турбулентных

и m=5/3;

1441

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

ic - уклон склона, ‰;

п - коэффициент Маннинга;

v - кинематическая вязкость.

Преобразуя для описания склонового стока талой воды в водонасыщенных слоях снега, уравнение кинематической волны представляют в виде:

где

(31.7)

mc - пористость снега (mc = 1 - L - Qc);

L - льдистость снега;

Qc - влажность снега;

k0 = 64,5ехр(-7,8rс) - коэффициент гидравлической проводимости водонасыщенного снега;

Ic - уклон склона (при углах наклона поверхности склона jс = 1-15° sinjс » Ic);

rс - плотность снега, г/см3;

R - избыток (дефицит) влаги в снеге относительно водоудерживающей способности склона;

Kp = 1 - 0,8lg(1 + 0,1fб + 0,05fL) - коэффициент, учитывающий перехват талых вод растительностью, заболоченными участками водосбора;

fб, fL - средневзвешенная заболоченность и залесенность рассматриваемого склона (правого и левого).

Кз = 0,9(F - Fз)/F - коэффициент потерь на заполнение углублений;

1442

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

F, Fз - соответственно площадь водосбора и площадь углублений, ограниченная замкнутыми горизонталями внутри бассейна;

Кэ - коэффициент экспозиции относительно стран света:

Кэ = 1,0 при экспозиции 3, В;

Кэ = 0,8 - 1,0 при экспозиции С;

Кэ = 1,0 - 1,2 при экспозиции Ю.

Если глубина талой воды превысит мощность снежного покрова или стекание по склонам происходит на полностью очистившихся склонах, то уравнение кинематической волны представляют в следующем виде:

где

(31.8)

m = 5/3;

;

RT - приток влаги от таяния последнего слоя снега.

Для решения уравнений (31.7) и (31.8) применяют следующие 2 способа схематизации водосборных бассейнов:

1. Водосбор в виде конической поверхности, сходящейся к замкнутому створу (рис. 31.8, а) - для схематизации пологих и широких водосборов, имеющих плавную, близкую к сектору окружности, конфигурацию.

1443

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 31.8. Способы схематизации водосборных бассейнов

В этом случае формулы (31.7) и (31.8) представляют в следующем виде:

(31.9)

1444

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

(31.10)

представляют собой увеличение глубин талой воды за счет схождения водораздела к замыкающему створу;

L - радиус схематизации водосбора;

r0 - ширина замыкающего створа;

х - текущая координата по расстоянию.

При этой схематизации нет нужды производить расчет руслового стока талых вод в главном тальвеге, т.к. параметры потока талых вод в замыкающем створе определяются уже после решения одного из уравнений (31.9) и (31.10).

2. Водосбор в виде 2-х площадок, имеющих форму параллелограммов и примыкающих к главному тальвегу под углами, которые составляют направления средних уклонов склонов бассейна (рис. 31.8, б), при этом для каждой площади задают свои уклоны, коэффициенты шероховатости, потери, экспозиции и размеры. Этот способ более универсален и может быть использован для схематизации водосборов любой формы.

При обоих способах схематизированные бассейны по площади должны соответствовать реальным.

Решение уравнений (31.9-31.10) производят следующим образом: на склоне выбирают полосу единичной ширины, на которой разбивается конечно-разностная схема с шагом по расстоянию 20-200 м (в зависимости от длины склона), а шаг по времени выбирают, исходя из продолжительности весеннего снеготаяния (как правило, шаг по времени принимают равным шагу, принятому в расчетах гидротермического режима снега).

Аппроксимируя дифференциальные уравнения (31.9-31.10) по разностной схеме, получают:

1. Для схематизации в виде конической поверхности

1445

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

(31.11)

2. Для схематизации в виде площадок

(31.12)

i - индекс по интервалу расстояния;

j - индекс по интервалу времени.

За граничные условия для решения уравнений (31.11) и (31.12) принимают глубины на первой расчетной вертикали при всех интервалах времени и на всех расчетных вертикалях в первый момент времени.

Решая уравнения в замыкающем створе водосбора, схематизированного в виде конической поверхности, определяют глубины талых вод, после чего по формулам для водослива с широким порогом рассчитывают скорость n и расход потока Q в этом створе:

где

h - глубина потока, м;

1446

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Полный объем стока талых вод и объем за любые дискретные интервалы времени можно определить по рекуррентной формуле:

W = W + QDt.

Для водосбора в виде площадок на последних расчетных вертикалях определяют величины бокового притока и скорости по формулам:

qб = nб (hп + hл);

Vб = 0,45g1/2((hп)1/2cosbп + (hл)1/2cosbл), где

(31.13)

qб - величина бокового притока талой воды в тальвег в единицу времени на единицу его длины, м3/(с.м);

Vб - проекция скорости бокового притока на оси тальвега, м/с;

hп, hл - соответственно глубина талой воды на последних расчетных створах правой и левой площадок к тальвегу, м;

bп, bл - углы примыкания правой и левой площадок к тальвегу.

Для описания движения талых вод в руслах непризматической формы с переменной боковой приточностью применяют следующую систему уравнений неустановившегося движения жидкости:

Q - расход воды в русле, м/с;

1447

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

w - площадь живого сечения потока, м2;

l - длина рассматриваемого участка по тальвегу, м; t - время;

qб - боковой приток в тальвег в единицу времени на единицу длины, м3/(с.м);

h - глубина потока в русле, м;

Iл - уклон дна лога, ‰;

IT - уклон трения;

a - коэффициент Кориолиса (как правило, a = 1,1);

V - скорость потока в русле, м/с;

nб - проекция скорости бокового притока на ось русла, м/с; g - ускорение свободного падения;

b - коэффициент Буссинеска.

Уклон трения при установившемся состоянии потока допускают определять на основе формулы Маннинга:

IT = (Q2п2Р4/3)/w10/3, где

п - коэффициент шероховатости русла (табл. 31.3);

Р - смоченный периметр сечения.

Таблица 31.3.

Коэффициенты шероховатости для открытых русел

1448

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Решение системы уравнений (31.14) производят методом конечных разностей:

(31.15)

Для определения площади живого сечения w и смоченного периметра Р поперечный профиль русла схематизируют семью точками (рис. 31.9), при этом считают, что поперечный профиль одинаков по всей длине русла. Тогда площадь поперечного сечения равна

w = 1/2[(X1 - Х2)(Y1 - Y2) + (Х2 - Х3)(Y2 + Y3) + ... + (Хn - Хn)(Yn + Yn)], где

n - общее количество координат (в данном случае n = 7);

X1... n, Y1... n - прямоугольные координаты точек, зависящие от глубины потока в русле схематизированного поперечного сечения русла.

В результате решения уравнений (31.15) получают глубину, скорость и расход потока талых вод во входном створе проектируемого искусственного сооружения по заданным

1449

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

интервалам времени. Это дает возможность получить гидрограф стока, определить его полный объем и объемы за различные интервалы времени (например, за сутки) и тем самым решить следующее уравнение сбросных расходов для предварительно назначенных вариантов искусственного сооружения:

dWnp = Qdt - Qcdt, где

Wnp - объем пруда, тыс.м3;

Q - расход притока у входа сооружения, м3/с;

Qc - сбросный расход в сооружении, м3/с.

Рис. 31.9. Схема поперечного профиля русла

Необходимо отметить, что снижение сбросных расходов в сооружениях допускается не более чем в 3 раза по сравнению с максимальным расходом притока.

При упрощенной схематизации гидрографа в виде равновеликого по площади треугольника расхождение сбросного расхода не составляет более 10 %.

На основе приведенных теоретических предпосылок д-ром техн. наук К.Н. Макаровым разработана единая физико-математическая модель для расчета снегового стока с малых водосборов, состоящая из следующих трех частей:

моделирования гидротермодинамического режима таящего снежного покрова и водоотдачи из снега;

моделирования снегового стока талых вод в водонасыщенных слоях снега и при отсутствии снега;

1450

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

моделирования руслового стока талых вод по тальвегу водосбора.

Изложенная выше математическая модель стока талых вод с малых водосборов реализована по следующему алгоритму:

задают начальное значение мощности снежного покрова и число слоев разбиения с учетом ВП (табл. 31.4-31.5);

Таблица 31.4.

Вероятные высоты снежного покрова к началу таяния, осредненные по УГКС, см.

поле лес поле лес поле лес поле лес

1451

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

1452

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Таблица 31.5.

Вероятности превышения основных стокообразующих факторов в зависимости от категории дорог

с определенным шагом по времени задают или рассчитывают по соответствующим формулам радиационный баланс границы «снегатмосфера»;

для каждого расчетного интервала времени и каждого слоя снега рассчитывают значения температуры и влажности, а также величину слоя спаивания снега с поверхности;

для каждого интервала времени вычисляют величину избытка или дефицита влаги в нижнем слое снега относительно его водоудерживающей способности;

для каждого интервала времени решают уравнение склонового стока талых вод в водонасыщенном слое снега или при отсутствии

1453

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

снега и определяют величину и скорость бокового притока со склонов в русло;

решают систему уравнений руслового стока и определяют для каждого интервала времени значения глубины, скорости и расхода потока талых вод в замыкающем створе водосбора.

Изложенный алгоритм расчета стока талых вод с малых водосборов реализован К.Н. Макаровым в виде расчетной программы «СНЕГ». Программа позволяет с заданным шагом по времени от 1 до 6 часовой продолжительности рассчитывать бытовые значения глубины, скорости и расхода потока талых вод в замыкающем створе водосбора. В программе предусмотрено 3 варианта задания исходных данных о радиационном балансе границы «снег-атмосфера», 2 способа схематизации водосборных бассейнов и 2 варианта выдачи результатов.

Экономическая эффективность учета аккумуляции талых вод за счет уменьшения размеров отверстий водопропускных сооружений на автомобильных дорогах в отдельных случаях может достигать до 48 % от суммарной стоимости тела трубы и укреплений.

По результатам массовых расчетов с использованием программы «СНЕГ» К.Н. Макаровым составлены таблицы модуля объема снегового стока с 1 км2 за сутки с ВП = 1 % для Европейской и Азиатской территорий России в зависимости от географической широты места и плошали водосбора (табл. 31.6). Для расчетов использовались водосборы от 1 до 120 км2 со средними уклонами лога 0,015 и склонов 0,020. В качестве исходных использованы данные о высоте снежного покрова (см. табл. 31.4) и радиационном балансе границы «снег-атмосфера» (табл. 31.7) по климатическим справочникам Гидрометеоиздата.

Таблица 31.6.

Модуль объема снегового стока, 1000 м3/сут.

0,0-2,0 2,0-5,0 5,0-10,0 10,01-20,00 20,01-30,00 30,01-50,00 50,01-100,00

1454

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

1455

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

1456

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Расчет снегового стока с малых водосборов по упрошенной методике производят в следующей последовательности:

1. Определяют максимальный суточный объем стока за половодье по формуле:

WCT = lW1FKpKэ×103, где

WCT - максимальный суточный объем, м3 снегового стока заданной ВП;

l - коэффициент перехода от модуля объема стока с ВП = 1 % к модулю объема стока заданной ВП, определяемый по табл. 31.8;

Таблица 31.8.

Значения переходного коэффициента l

W1 - модуль объема снегового стока с 1 км2 с ВП = 1 %, тыс. м3, определяемый по табл. 31.6 в зависимости от площади и местонахождения водосбора;

F - площадь водосбора, км2;

Kэ - коэффициент экспозиции водосбора относительно стран света;

Kp - коэффициент перехвата талых вод растительностью и болотами, рассчитываемый по формуле:

Kp = 1 - 0,81g(1 + 0,1fб + 0,05fл), где

1457

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

fб, fл - средневзвешенная заболоченность и залесенность рассматриваемого склона (правого и левого).

Если принять b = 1+ 0,1fб + 0,05fл, то b и Kp имеют соотношение:

2. В зависимости от площади водосбора рассчитывают максимальный расход талых вод заданной ВП следующими двумя способами:

а) при F £ 20 км2 - гидрограф стока схематизируют в виде треугольника, а продолжительность интенсивного стока принимают равной 10 час, тогда

где

Тсп - продолжительность снегового паводка за сутки (Тсп = 10 час);

б) при F >20 км2 - гидрограф стока схематизируют в виде параболы, а время интенсивного стока принимают в среднем 14 час, тогда

3. Для назначения отверстия сооружения с учетом аккумуляции талых вод на графике водопропускной способности труб (рис. 31.10), построенном в координатах Н3 и Qтр (где Н - подпор перед трубой, Qтр - расход в трубе), строят отрезок прямой сбросных

1458

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

расходов с координатами: Н3 = 0,85WCT/a и

Здесь

где

(31.16)

I1, I2 - уклоны склонов водосбора, ‰;

Iл - уклон лога, ‰.

4. На графике из точки

восстанавливают перпендикуляр к оси абсцисс, который разделит плоскость чертежа на 2 зоны (см. рис. 31.10). Точки пересечения отрезка прямой сбросных расходов с кривыми пропускной способности труб, лежащие справа от пересечения этой прямой с перпендикуляром к оси абсцисс, дают искомые значения расхода и подпора для соответствующих типоразмеров труб.

1459

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 31.10. Графическое построение для определения отверстия сооружения с учетом аккумуляции талых вод

Пример. Дано: l = 0,85 (табл. 31.8); W1 = 44,03 тыс. м3 (табл. 31.6); F= 2,33 км2; Кр =1 (т. к. лес может быть вырублен за срок эксплуатации); Кэ = 1 (восточная экспозиция); I1= 0,011, I2 = 0,012, Iл = 0,006. Определить

и выбрать типоразмер трубы с учетом аккумуляции.

WCT = lW1FKpKэ×103 = 0,85×44,03×2,33×1,1×1000 = 87201,42

м3.

Поскольку площадь водосбора менее 20 км2, то

1460

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Для пропуска расхода

без учета аккумуляции может быть запроектирована труба круглого сечения диаметром 1,5 м, пропускающая данный расход при подпоре 1,78 м и скорости на выходе 3,70 м/с. Однако, если рельеф водосбора допускает создание значительного по объему пруда аккумуляции, то производят расчет отверстия трубы с учетом аккумуляции талых вод. Для этого определяют величину

апо формуле (31.16), принимая I1= 0,011, I2 = 0,012, Iл = 0,006, т.е.

а= 4839,8, и координаты отрезка прямой сбросных расходов:

Н3 = 0,85WCT/a = 15,3 м3; ;

Произведя необходимые графические построения (см. рис. 31.10), можно принимать круглую трубу d =1,0 м, для которой сбросный расход Qc = 3,05 м3/с и Н3 = 5,9 м3. Следовательно, подпор составляет (5,9)1/3 =1,81 м, а скорость на выходе трубы v = 4,10 м/с.

По изложенному упрощенному методу расчета расхождение по сравнению с результатами компьютерных расчетов составляет:

Для...............................

1461