5.1. Гідрологічне обгрунтування максимальних витрат і об 'єму стоку.

До теперішнього часу розроблено кілька способів визначення гідрологічних характеристик поверхневого стоку, серед яких є й аналітичні, засновані на точному й на спрощеному рішенні рівняння балансу зливового стоку. В іншому ж це емпіричні залежності, про порівняльну точність яких говорити не має сенсу, внаслідок випадкової природи метеорологічних факторів і самого процесу формування стоку.

Для практичного застосування варто вибирати залежності фізично несуперечливі, логічно бездоганні й по можливості прості. Такі залежності для витрати і об'єму зливового стоку рекомендовані формулами МАДІ -Союздорпроекта:

(5.1)

де: 16,7 - коефіцієнт, що приводить у відповідність розмірності ліву й праву частини формули; а_год, (мм/хв) - інтенсивність водовіддачі зливи годинної тривалості, яка залежить від зливового району (додаток 1) і ймовірності перевищення (по додатку 2); К_t - коефіцієнт переходу від зливи годинної інтенсивності до розрахункової, для задернованих поверхонь, визначається (по додатку 3) залежно від довжини Lі поздовжнього похилу басейну I;

F, (км²) - площа басейну (водозбору); а - коефіцієнт стоку, що залежить від виду грунтів на поверхні водозбору (додаток 4); - коефіцієнт редукції, що враховує неповноту стоку, тим більшу, ніж більше водозбір:

(5.2)

При цьому об'єм стоку (в м³) становить:

(5.3)

Для басейнів із гладкими поверхнями табличні значення К_tподвоюються, але вони не можуть бути більше 5,24, що відповідає повному стоку, що утворюється при зливі тривалістю 5 хв і менш.

Витрата талих вод з малих водозборів визначається по редукційній формулі Державного гідрологічного інституту:

де: — коефіцієнт дружності повені, що для лісостепової й степової зони приймається рівним - 0,02; - площа водозбору, км²; n - показник ступеня, що для рівнинних районів лісостепової й степової зони приймається рівним -0,25; - коефіцієнти, що враховують зменшення витрати на басейнах, зарегульованих озерами, залесених і заболочених (для малих водозборів коефіцієнти 5 можна приймати рівними 1), тому що знаходження озер на малих водозборах зустрічається вкрай рідко, а ліс на незначних площах може бути повністю вирубаний при будівництві автомобільної дороги;-розрахунковий рівень стоку в мм визначається по формулі:

(5.5)

де: - середній шар стоку талих вод (додаток 5);К_р - модульний коефіцієнт (додаток 6), що залежить від коефіцієнта асиметрії й імовірності перевищення.

Коефіцієнт асиметрії С_shдля рівнинних районів приймається рівним 2С_vh, де С_vh- коефіцієнт варіації шарів стоку талих вод, приймається по додатку 7.

5.2. Розрахунок отворів малих мостів без врахування акумуляції.

Розрахункова формула для визначення ширини отвору малого моста Ь отримується у результаті рішення рівняння Д.Бернуллі, записаного для точок на вільній поверхні потоку в перерізах 1 і 2 відносно горизонтальної площини 0-0, рис. 5.1. Перший переріз вибирається в створі з найбільшим підпором Н перед мостом, а другий - у створі з найменшою глибиною під мостом h_с, що називається стислою глибиною. Записуючи рівняння Д.Бернуллі, приймається до уваги та обставина, що на вільній поверхні тиск однаковий в обох перерізах і дорівнює атмосферному.

Рис. 5.1. Розрахункова схема протікання потоку під малим мостом

Таким чином, для розглянутого випадку рівняння Д.Бернуллі буде мати такий вигляд:

.

де: Н — напір: і — середні швидкості в перерізах 1 і 2; g - прискорення вільного падіння; а = 1,1 - коефіцієнт Коріоліса (коректив кінетичної енергії); - втрати енергії на відрізку між перерізами 1 і 2.

У розрахунках малих мостів швидкістю на підході до споруди в перерізі 1, як правило, зневажають через її малість. Втрати енергії враховуються тільки місцеві, які виникають при вході потоку під міст і які залежать від конструкції оголовка. По формулі Вейсбаха ці втрати рівні:

(5,7)

де:- коефіцієнт втрат енергії, що в цьому випадку показує яка частина

питомої кінетичної енергії потоку втрачається при вході потоку під міст.

Тоді:

Використовуючи рівняння нерозривності:

будемо мати:

Позначивши ,де - коефіцієнт швидкості і з огляду на те, щоможна записати:

або

Тоді ширина отвору буде дорівнювати:

(5.8)

що відповідає коефіцієнту витрати т = 0,30 і створює деякий запас у ширині

отвору малого мосту, тому що для найпоширенішого типу оголовка у вигляді

розтруба т = 0,35. Типи оголовків, які використовуються в наш час показані

на рис. 5.2, а відповідні їм коефіцієнти витрати знаходяться в табл. 6.

Використовуючи наближені співвідношення і(-

критична глибина під мостом), встановлюється зв'язок між напором і

швидкістю в стислому перерізі під мостом:

( 5.9)

На цій підставі пропонується така послідовність розрахунку:

1) задається швидкість по бажаному типу зміцнення русла під мостом, користуючись табл. 5; при цьому варто враховувати, що максимальна швидкість буде спостерігатися в потоці лише на дуже короткій відстані в зоні глибини Ь_с, у зв'язку з чим табличні швидкості (див. табл. 5) можна підвищувати приблизно на 10%;

2) обчислюється напір по формулі (5.9);

3) по формулі (5.8) визначається ширина отвору;

4) приймаючи у виробництво типовий проект моста з отвором Ь_т, варто перерахувати напір по формулі:

(5.10)

За відомим значенням напору визначається мінімальна висота моста,

що не повинна перевищувати висоту насипу:

(5.11)

де: - мінімально допустима висота моста;= 0,5 м - підвищення низу

прогонової будови над рівнем води, а при наявності корчеходу= 1 м;-

конструктивна висота прогоної будови; - висота насипу.

Таблиця 5 Допустимі швидкості

Тип зміцнення	Допустимі швидкості, м/с	Тип зміцнення	Допустимі швидкості, м/с
Засіяно травою Обдерновка плиском Обдерновка в стінку Одиночне брукування на щебені. каменем 15-20 см Подвійне брукування каменем 15-25 см	0,8 1,0 1,8 2,5-3,5 3,5-4,5	Укріплений грунт товщиною: 5 см 10 см Бетон низьких марок Бетонні плити Перепади	1,0 2,5 4-6 5-7 більше 5