- •Содержание
- •Введение
- •Введение
- •Раздел первый. Обоснование проектных решений
- •Глава 1. Классификация и нормы проектирования автомобильных дорог
- •1.1 Классификация автомобильных дорог
- •1.2. Нормы проектирования автомобильных дорог
- •1.3. Расчетные скорости, нагрузки и габаритные размеры подвижного состава
- •1.4. Охрана окружающей среды
- •Приложение 1. Список рекомендуемых нормативно-технических документов
- •1.1. Общие стандарты
- •1.2. Грунты, земляное полотно, торф
- •1.3. Асфальтобетонные смеси, битум
- •1.3. Бетон, железобетон. Бетонные смеси, щебень, гравий, песок, цемент, шлаки, шламы и другие материалы
- •1.5. Автомобильные, железные дороги, аэродромы, земляное полотно дорог, мосты и трубы, укрепительные работы (изыскания, проектирование, строительство)
- •1.6. Основания и фундаменты
- •1.7. Изыскания автомобильных, железных дорог, аэродромов
- •1.8. Эксплуатация автомобильных дорог
- •1.9. Геотекстиль
- •1.10. Экология, климатология
- •1.11. Безопасность движения и техника безопасности
- •Глава 2. Организация проектирования автомобильных дорог
- •2.1. Общие положения
- •2.2. Предпроектное проектирование
- •2.3. Разработка проектной документации
- •2.4. Разработка рабочих чертежей
- •2.5. Состав проектной документации
- •Раздел 1. Общая пояснительная записка.
- •Раздел 2. Документы согласований.
- •Раздел 3. Отвод земель.
- •Раздел 4. Разделение собственности и стоимости строительства (реконструкции) по балансодержателям.
- •Раздел 5. Охрана окружающей среды.
- •Раздел 6. Строительные решения по автомобильной дороге.
- •Раздел 7. Строительные решения по искусственным сооружениям:
- •Раздел 8. Организация строительства:
- •2.6. Оформление проектной документации
- •2.2. Пример продольного профиля вновь проектируемых автомобильных дорог
- •Задание на разработку инженерного проекта капитального ремонта автомобильной дороги м-10 «Россия» в Новгородской области
- •Перечень технических документов, подлежащих использованию при разработке обоснования инвестиций
- •Перечень материалов и документов, включаемых в состав обоснования инвестиций (ои).
- •Перечень материалов и документов, включаемых в состав обосновывающих материалов инженерного проекта (ип).
- •Глава 3. Современная технология изысканий автомобильных дорог
- •3.1. Особенности традиционной технологии изысканий автомобильных дорог и ее анализ
- •3.2. Особенности технологии изысканий автомобильных дорог при проектировании на уровне сапр-ад
- •3.4. Методы обоснования полосы варьирования конкурирующих вариантов трассы
- •3.5. Цифровое моделирование рельефа, ситуации и геологического строения местности
- •3.6. Виды цифровых моделей местности
- •3.7. Методы построения цифровых моделей местности
- •3.8. Математическое моделирование местности
- •3.9. Задачи, решаемые с использованием цифровых и математических моделей
- •Глава 4. Экономическое обоснование строительства автомобильных дорог и мостовых переходов
- •4.1. Структура экономического обоснования дорожного строительства
- •4.2. Перспективный парк автомобилей
- •4.3. Прогнозирование перспективной интенсивности движения
- •4.4. Методы оценки общественной эффективности инвестиционных проектов дорожного строительства
- •4.5. Процедуры учета неопределенности
- •4.6. Элементы затрат-выгод инвестиционных проектов дорожного строительства
- •Глава 5. Топографо-геодезическое обоснование проектов
- •5.1. Геодезические опорные сети
- •5.2. Обозначение пунктов государственных геодезических сетей на местности
- •5.3. Привязка к пунктам государственных геодезических сетей
- •2. Привязка трассы к двум пунктам геодезической сети способом прямой засечки.
- •3. Привязка трассы к двум пунктам геодезической сети способом обратной засечки.
- •4. Привязка трассы к пунктам геодезической сети наземно-космическим способом.
- •5.4. Планово-высотное обоснование топографических съемок
- •5.5. Электронная тахеометрическая съемка
- •5.6. Наземно-космическая съемка
- •5.7. Наземное лазерное сканирование
- •Глава 6. Инженерно-геологическое обоснование проектов
- •6.1. Общие сведения об организации и составе инженерно-геологических изысканий
- •6.2. Современные технические средства, применяемые при инженерно-геологических изысканиях
- •6.3. Инженерно-геологические изыскания на полосе варьирования трассы
- •6.4. Инженерно-геологические изыскания по принятому варианту трассы
- •6.5. Разведка местных дорожно-строительных материалов
- •6.6. Лабораторные испытания и полевые методы исследования физико-механических свойств грунтов и материалов
- •6.7. Геофизические методы инженерно-геологических изысканий
- •6.8. Камеральная обработка и представляемые материалы
- •Глава 7. Инженерно-гидрометеорологическое обоснование проектов
- •7.1. Состав инженерно-гидрометеорологического обоснования проектов
- •7.2. Технология инженерно-гидрометеорологических изысканий
- •7.3. Морфометрические работы
- •7.4. Гидрометрические работы
- •7.5. Аэрогидрометрические работы
- •Раздел второй. Основные проектные работы
- •Глава 8. Обоснование требований к геометрическим элементам автомобильных дорог
- •8.1. Элементы плана автомобильных дорог
- •8.2. Элементы поперечных профилей
- •8.3. Элементы продольного профиля
- •8.4 Ширина проезжей части и земляного полотна
- •8.5. Остановочные, краевые полосы и бордюры
- •8.6. Поперечные уклоны элементов дороги
- •8.7. Нормы проектирования плана и продольного профиля
- •8.8. Переходные кривые
- •8.9. Виражи
- •8.10. Уширение проезжей части
- •8.11. Серпантины
- •8.12. Мосты и трубы
- •8.13. Тоннели
- •Глава 9. План автомобильных дорог. Принципы ландшафтного проектирования
- •9.1. Выбор направления трассы
- •9.2. Элементы клотоидной трассы
- •9.3. Принципы трассирования
- •9.4. Цели и задачи ландшафтного проектирования*
- •9.5. Согласование элементов трассы с ландшафтом
- •9.6. Особенности трассирования автомобильных дорог в характерных ландшафтах
- •9.7. Согласование земляного полотна с ландшафтом
- •9.8. Правила обеспечения зрительной плавности и ясности трассы
- •Глава 10. Проектирование продольного профиля автомобильных дорог
- •10.1. Принципы проектирования продольного профиля
- •10.2. Критерии оптимальности
- •10.3. Комплекс технических ограничений
- •10.4. Техника проектирования продольного профиля в традиционном классе функций
- •Глава 11. Проектирование земляного полотна
- •11.1. Элементы земляного полотна и общие требования к нему
- •11.2. Грунты для сооружения земляного полотна
- •11.3. Природные условия, учитываемые при проектировании земляного полотна
- •11.4. Учет водно-теплового режима при проектировании верхней части земляного полотна
- •11.5. Поперечные профили земляного полотна в обычных условиях
- •11.6. Проектирование насыпей на слабых основаниях
- •11.7. Проверка устойчивости откосов при проектировании высоких насыпей и глубоких выемок
- •11.8. Земляное полотно на склонах
- •Глава 12. Проектирование нежестких дорожных одежд
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Основы конструирования нежестких дорожных одежд
- •12.3. Расчеты нежестких дорожных одежд на прочность
- •12.4. Расчет конструкции дорожной одежды в целом по допускаемому упругому прогибу
- •12.5. Расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев
- •12.6. Расчет конструкции дорожной одежды на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе
- •12.7. Обеспечение морозоустойчивости дорожной одежды
- •12.8. Осушение дорожной одежды и земляного полотна
- •Глава 13. Конструкции и основные положения расчета жестких дорожных одежд
- •13.1. Область применения. Основные виды покрытий
- •13.2. Общие требования к жестким дорожным одеждам. Основные принципы конструирования
- •13.3. Особенности конструкций жестких дорожных одежд
- •13.4. Основные положения расчета жестких дорожных одежд
- •Список литературы к главе 13
- •Глава 14. Особенности расчета жестких дорожных одежд
- •14.1. Напряжения в цементобетонном покрытии от внешней нагрузки
- •14.2. Определение разрушающей нагрузки для плит цементобетонного покрытия
- •14.3. Определение напряжений в цементобетонном покрытии по прогибам, измеренным в натуре
- •14.4. Определение эквивалентного модуля упругости и коэффициента поперечной деформации многослойного основания под жестким дорожным покрытием
- •14.5. Температурные напряжения
- •14.6. Устойчивость плит бетонных дорожных покрытий при повышении температуры
- •14.7. Прочность при усилении жестких покрытий слоем асфальтобетона или цементобетона
- •14.8. Устойчивость против выпирания асфальтобетонного слоя на цементобетонном основании
- •14.9. Устойчивость положения плиты со свободными краями при нагрузке от транспортных средств
- •Список литературы к главе 14
- •Глава 15. Проектирование системы поверхностного и подземного дорожного водоотвода
- •15.1. Система поверхностного и подземного дорожного водоотвода
- •15.2. Нормы допускаемых скоростей течения воды
- •15.3. Определение объемов и расходов ливневых и талых вод с малых водосборов
- •15.4. Гидравлический расчет дорожных канав
- •15.5. Гидравлический расчет отверстий малых мостов и труб
- •15.6. Косогорные сооружения поверхностного водоотвода
- •15.7. Укрепление русел за сооружениями
- •15.8. Расчет дренажа
- •15.9. Некоторые рекомендации к разработке региональных норм стока
- •Глава 16. Проектирование мостовых переходов
- •16.1. Основные сведения о проектировании переходов через большие водотоки
- •16.2. Гидрологические расчеты
- •16.3. Морфометрические расчеты
- •16.4. Прогноз природных деформаций русел рек
- •16.5. Расчет срезок пойменных берегов подмостовых русел и отверстий мостов
- •16.6. Расчет общего размыва
- •16.7. Определение максимальной глубины расчетного общего размыва
- •16.8. Расчет местного размыва у опор мостов
- •16.9. Расчет размывов переходов коммуникаций у мостовых переходов
- •16.10. Расчет характерных подпоров на мостовых переходах
- •Глава 17. Проектирование подходов, регуляционных и укрепительных сооружений
- •17.1. Условия работы пойменных насыпей
- •17.2. Проектирование подходов к мостам
- •17.3. Проектирование оптимальных пойменных насыпей
- •17.4. Расчет устойчивости откосов подтопляемых насыпей
- •17.5. Расчет осадок пойменных насыпей
- •17.6. Расчет скорости осадки насыпей на слабых основаниях
- •17.7. Задачи и принципы регулирования рек у мостовых переходов
- •17.8. Конструкции регуляционных сооружений на мостовых переходах
- •Глава 18. Пересечения и примыкания автомобильных дорог
- •18.1. Общие положения и требования по проектированию пересечений и примыканий в одном уровне
- •18.2. Классификация пересечений автомобильных дорог в разных уровнях и требования к ним
- •18.3. Элементы пересечений автомобильных дорог в разных уровнях
- •18.4. Задачи, решаемые при проектировании развязок движения в разных уровнях
- •18.5. Анализ условий пересечений при проектировании развязок
- •18.6. Пропускная способность развязок в разных уровнях и оценка безопасности движения
- •18.7. Технико-экономическое сравнение вариантов развязок движения
- •Глава 19. Особенности изысканий и проектирования дорог на многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах
- •19.1. Распространение вечной мерзлоты на территории Российской Федерации
- •19.2. Дорожно-климатическое районирование первой зоны - зоны вечной мерзлоты России
- •19.3. Принципы проектирования и строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах
- •19.4. Особенности водно-теплового режима естественных грунтов и земляного полотна автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты
- •19.5. Особенности расчета дорожных конструкций нежесткого типа в условиях вечной мерзлоты
- •19.6. Особенности изысканий для строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах
- •19.7. Особенности проектирования дорог на многолетнемерзлых грунтах
- •19.8. Земляное полотно автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах
- •19.9. Требования к грунтам земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах
- •19.10. Конструкции земляного полотна автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах
- •19.11. Водоотводные сооружения
- •19.12. Проектирование земляного полотна и искусственных сооружений на наледных участках
- •Глава 20. Инженерное обустройство автомобильных дорог
- •20.1. Обслуживание дорожного движения
- •20.2. Дорожные знаки
- •20.3. Дорожная разметка
- •20.4. Направляющие устройства
- •20.5. Дорожные ограждения
- •20.6. Освещение автомобильных дорог
- •20.7. Составление схемы обстановки дороги
- •Глава 21. Проектирование реконструкции автомобильных дорог
- •21.1. Особенности реконструкции автомобильных дорог
- •21.2. Особенности изысканий для разработки проектов реконструкции автомобильных дорог
- •21.3. Реконструкция автомобильных дорог в плане и продольном профиле
- •21.4. Земляное полотно при реконструкции автомобильных дорог
- •21.5. Дорожные одежды при реконструкции автомобильных дорог
- •21.6. Особенности организации работ при реконструкции автомобильных дорог
- •Глава 22. Проектирование организации строительства
- •22.1. Цели и задачи проекта организации строительства
- •22.2. Строительный генеральный план
- •22.3. Календарный план строительства
- •22.4. Механизация дорожного строительства
- •22.5. Машины для земляных работ
- •22.6. Машины для уплотнения грунтов и материалов дорожных одежд
- •22.7. Определение потребности в основных строительных машинах, транспортных средствах и трудовых ресурсах
- •Глава 23. Оценка проектных решений при проектировании автомобильных дорог
- •23.1. Система показателей для оценки проектных решений
- •23.2. Определение предельной пропускной способности дороги и коэффициента загрузки движением
- •23.3. Расчет средней скорости движения транспортного потока
- •23.4. Расчет максимальной скорости движения одиночного автомобиля
- •23.5. Определение степени загрязнения придорожной полосы соединениями свинца
- •23.6. Расчет загрязнения атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта
- •Глава 24. Оценка безопасности движения при проектировании дорог и их реконструкции
- •24.1. Влияние дорожных условий на безопасность движения
- •24.2. Оценка относительной опасности участков дороги и выявление опасных мест методом «коэффициентов относительной аварийности»
- •24.3. Выявление опасных мест метолом «коэффициентов безопасности»
- •24.4. Оценка обеспеченности безопасности движения на пересечениях в одном уровне
- •24.5. Оценка безопасности движения на пересечениях в разных уровнях
- •Раздел третий. Автоматизированное проектирование автомобильных дорог
- •Глава 25. Принципиальные основы автоматизированного проектирования автомобильных дорог и сооружений на них
- •25.1. Понятие о системах автоматизированного проектирования
- •25.2. Средства обеспечения систем автоматизированного проектирования
- •25.3. Функциональная структура сапр
- •25.4. Принципы оптимизации и моделирования при проектировании автомобильных дорог
- •Список литературы к главе 25
- •Глава 26. Система автоматизированного проектирования cad «credo»
- •26.1. Историческая справка
- •26.2. Функциональная структура подсистемы «Линейные изыскания»
- •26.3. Функциональная структура подсистемы «Дороги»
- •Глава 27. Система автоматизированного проектирования «indorcad/road»
- •27.1. Историческая справка
- •27.2. Функциональная структура системы автоматизированного проектирования «IndorCad/Road». Раздел «План»
- •27.3. Раздел «Продольный профиль»
- •27.4. Раздел «Верх земляного полотна»
- •27.5. Раздел «Поперечный профиль»
- •27.6. Графический редактор «IndorDrawing»
- •Глава 28. Автоматизированное проектирование плана автомобильных дорог
- •28.1. Автоматизированное проектирование плана и продольного профиля. Общий методологический подход
- •28.2. Методы «однозначно определенной оси»
- •28.3. Метод «опорных элементов»
- •28.4. Метод «сглаживания эскизной линии трассы»
- •28.5. Методы «свободной геометрии». Сплайн-трассирование
- •Глава 29. Автоматизированное проектирование продольного профиля автомобильных дорог
- •29.1. Метод «опорных точек»
- •29.2. Метод «проекции градиента»
- •29.3. Метод «граничных итераций»
- •29.4. Методы «свободной геометрии»
- •Глава 30. Автоматизированное проектирование оптимальных нежестких дорожных одежд
- •30.1. Особенности автоматизированного проектирования оптимальных нежестких дорожных одежд
- •30.2. Оптимизационный метод проектирования дорожных одежд нежесткого типа
- •30.3. Технология автоматизированного проектирования оптимальных дорожных одежд
- •Глава 31. Автоматизированное проектирование системы поверхностного водоотвода автомобильных дорог
- •31.1. Математическое моделирование стока ливневых вод с малых водосборов
- •31.2. Математическое моделирование стока талых вод с малых водосборов
- •31.3. Расчет отверстий и моделирование работы малых мостов и труб
- •31.4. Проектирование оптимальных водопропускных труб
- •Результаты проектирования оптимального сооружения
- •31.5. Проектирование оптимальной системы поверхностного водоотвода
- •Глава 32. Комплексная методология автоматизированного проектирования мостовых переходов
- •32.1. Принципы автоматизированного проектирования мостовых переходов
- •32.2. Аналитическая аппроксимация и универсальный метод определения расчетных гидрометеорологических характеристик
- •32.3 Комплексная программа расчета отверстий мостов «Рома»
- •32.4. Исходная информация и результаты расчета по программе «Рома»
- •I. Файл названий и свойств объектов расчета
- •II. Основной файл исходных данных
- •III. Файл измененных длин расчетных интервалов
- •IV. Файл измененных проекций длин расчетных интервалов
- •V. Файл измененных высот (отметок) дна русла
- •VI. Файл измененных высот (отметок) геологического ограничения размыву
- •VII. Файл измененных ширин русла
- •VIII. Файл координат типового водомерного графика
- •XIII. Файл фракционного состава донных отложений
- •I. Фактический водомерный график и гидрограф паводка
- •II. Расчетный водомерный график и тахограф паводка
- •III. Результаты расчета
- •32.5. Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур»
- •32.6. Исходная информация и результаты расчета по программе «Рур»
- •I. Файл названий объектов расчета
- •II. Основной файл исходных данных
- •III. Файл измененных длин расчетных интервалов
- •IV. Файл измененных проекций длин расчетных интервалов
- •V. Файл координат расчетной многолетней гидрологической характеристики водотока
- •Результаты расчета
- •Глава 33. Методы расчета соединительных рамп
- •33.1. Существующие принципы конструктивного решения участков ответвлений и примыканий соединительных рамп
- •33.2. Переходные кривые, требования к ним и методы их расчета
- •33.3. Расчет элементов соединительных рамп
- •33.4. Проектирование продольного профиля по соединительным рампам
- •33.5. Планово-высотное решение соединительных рамп
- •Глава 34. Оценка проектных решений при автоматизированном проектировании автомобильных дорог
- •34.1. Программы для оценки проектных решений
- •34.2. Построение перспективных изображений автомобильных дорог
- •34.3. Перцептивные изображения автомобильных дорог
- •34.4. Оценка зрительной плавности трассы
- •34.5. Определение показателей транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог
- •34.6. Оценка проектных решений автомобильных дорог на основе математического моделирования
- •34.7. Технико-экономическое сравнение вариантов автомобильных дорог и мостовых переходов
16.2. Гидрологические расчеты
Паводки на реках год от года не остаются одинаковыми. При этом периоды прохода сравнительно невысоких паводков (маловодные периоды) сменяются периодами прохода высоких (многоводные периоды). Закономерное чередование маловодных и многоводных периодов связано с опосредованным влиянием Солнечной активности на циркуляцию околоземной атмосферы и обязательно должно учитываться при обосновании генеральных размеров сооружений мостовых переходов.
Степень опасности повреждения тех или иных сооружений мостовых переходов оказывается тем большей, чем большие по высоте паводки проходят на реках. Мостовые переходы должны безопасно функционировать в течение всего срока его службы, т.е. в течение столетия. Естественно, что в течение этого длительного срока на реке могут пройти очень высокие паводки, в том числе даже такие, которые еще не были зафиксированы на водомерных постах данного водотока.
Каждый i-й паводок может быть охарактеризован наибольшим его расходом Qi, наивысшим уровнем высокой воды УВВi, продолжительностью паводка tпвi, его формой (полнотой Пi) и т.д. Основными характеристиками водности реки на данном ее участке являются наибольшие годовые расходы воды Qi и соответствующие им максимальные уровни высокой воды УВВi.
Прогноз величин максимального стока (гидрологические расчеты) выполняют, как правило, на основе статистических данных о режиме водного стока за период гидрометрических наблюдений, предшествовавший проектированию мостового перехода. Прогноз водного стока базируется на следующих основных положениях:
1. Годовой цикл водного стока закономерен и отражает смену времен года и тип питания реки.
2. Ежегодные колебания генетически однородных характеристик паводков подчиняются закону больших чисел, т.е. средние величины этих характеристик устойчивы во времени и практически мало зависят от длительности наблюдений.
3. Закономерности колебаний характеристик стока свободных (не зарегулированных) рек устойчивы в течение периодов соизмеримых со столетиями.
4. Величины характеристик стока для каждого года можно считать случайными и не зависимыми друг от друга. Поэтому не представляется возможным прогнозировать срок их появления, но можно оценить лишь вероятность их превышения более высокими величинами.
Для установления средних величин характеристик паводков за длительный период времени и установления закономерностей их колебаний относительно этой средней величины используют статистические многолетние данные наблюдений за возможно более длительный период, предшествовавший проектированию мостового перехода. При этом нельзя объединять в единый ряд наблюдений генетически разнородные характеристики стока. Например, если на реке наблюдаются паводки как от снеготаяния, так и от выпадения ливней, то многолетние ряды наблюдений за максимальным стоком нужно строить отдельно для каждой фазово-однородной характеристики (скажем, расходы и уровни только от снеготаяния, либо только от ливней и т.д.).
Максимальные расходы или уровни паводков могут быть охарактеризованы вероятностью превышения их еще более высокими. При этом, если какой-либо расход или уровень является расчетным для данного мостового перехода, то при проходе паводка такой (расчетной) высоты запасы устойчивости сооружений мостового перехода будут полностью исчерпаны.
Вероятность превышения той или иной характеристики паводка (прежде всего максимальных годовых расходов Qi, и уровней воды Нi) исчисляется в долях единицы и справедлива для каждого года, так как превышение расчетного паводка может произойти в любой год службы мостового перехода. Чем больше максимальный расход или уровень воды в данном створе водотока, тем меньше вероятность их превышения еще более высокими.
Если вероятность превышения паводка отнести не к одному году, а к длительному периоду наблюдений, то уже можно говорить о частоте (или повторяемости паводков той или иной высоты). Так, если вероятность превышения паводка равна 0,01, то это одновременно означает, что этот паводок будет превышаться более высокими в среднем 1 раз в 100 лет, при этом будут иметь место опасные условия работы сооружений мостовых переходов с возможными их повреждениями или даже разрушениями.
Расчетную вероятность превышения паводков нормируют в соответствии с народнохозяйственным значением проектируемого объекта, что означает, что каждый объект на реке проектируют с определенной степенью инженерного риска (таблица 16.1). При этом, чем выше народнохозяйственное значение объекта, тем меньшую вероятность превышения расчетного паводка принимают при проектировании.
Таблица 16.1.
Нормируемые вероятности превышения паводков
Сооружения |
Категория дорог |
Вероятность превышения максимальных расходов, % |
Большие и средние мосты |
I, I-б, II, III, городские улицы и дороги |
1* |
То же |
IV, V |
2* |
Малые мосты и трубы |
I |
1** |
Тоже |
I-б, II, III, городские улицы и дороги |
2** |
То же |
IV, V, внутрихозяйственные дороги |
3** |
Примечания: * В районах с неразвитой сетью автомобильных дорог для сооружений, имеющих особо важное народнохозяйственное значение, при технико-экономическом обосновании вероятность превышения допускается принимать 0,33 вместо 1 % и 1 вместо 2 %.
** В районах с развитой сетью автомобильных дорог для автодорожных малых мостов и труб при технико-экономическом обосновании вероятность превышения допускается принимать 2 вместо 1 %, 3 вместо 2 % и 5 вместо 3 %.
Например, чем выше категория автомобильной дороги, на которой проектируют мостовой переход, тем меньшей вероятности паводок принимают в качестве расчетного. Железнодорожные мостовые переходы, где практически невозможно организовать объезд в случае их разрушения и народнохозяйственные потери, связанные с вынужденными перерывами движения, оказываются огромными, проектируют, используя более жесткие нормы и требования, чем для автомобильных дорог, где такой объезд организовать можно.
Некоторые крупнейшие гидротехнические сооружения гидроэнергетики и водоснабжения проектируют на паводки, которые вообще не могут быть превзойдены более высокими, т.е. имеющими вероятность превышения 0 % (паводки «максимум-максиморум»). Практическая повторяемость таких паводков составляет 1 раз в 10 000 лет при сроке изменения климата на земном шаре в 12 000 лет, равном периоду качания земной оси.
Однако стоимость сооружений, запроектированных на физически возможный предельный паводок, чрезвычайно велика, поэтому оказывается экономически целесообразным ограничивать величины расчетных паводков, хотя и весьма редкими, но реально превышаемыми в течение расчетного срока службы паводками, т.е. проектировать мостовые переходы с экономически оправданной степенью инженерного риска.
Ряды максимальных годовых расходов и уровней воды на реках, зафиксированных в течение ряда лет непрерывных наблюдений на водомерных постах Гидрометеослужбы, могут быть изображены в виде столбчатой диаграммы: хронологической (рис 16.1, а), либо ранжированной в убывающем порядке (рис. 16.1, б). Средняя высота ряда и характерное вогнуто-выпуклое очертание не изменяются с увеличением длительности наблюдений на водомерных постах реки. Чем больше длительность наблюдений, тем более плавное очертание приобретает ранжированная диаграмма. При гипотетически бесконечной длительности ряда непрерывных наблюдений и неизменной длине диаграммы последняя принимает плавное криволинейное очертание для максимальных годовых расходов (рис. 16.1, в) и максимальных годовых уровней воды (рис. 16.1, г).
Рис. 16.1. Диаграммы наблюденных максимальных годовых расходов и уровней воды на водомерном посту реки: а - хронологическая; б - ранжированная; в - кривая вероятностей расходов; г - кривая вероятностей уровней • - точки перегиба
Ранжированные диаграммы гидрометеорологических величин при неограниченной длительности ряда непрерывных наблюдений называют кривыми вероятностей.
Если длительность ряда наблюдений (длину диаграммы) принять за единицу, то вероятность превышения конкретного расхода Qp будет определена той частью единицы, которой соответствуют более высокие расходы. Для приближенного вычисления вероятности превышения расхода по ограниченному числу лет наблюдений можно взять отношение порядкового номера искомого расхода m в ранжированном ряду к общему числу лет наблюдений п. Такую вероятность превышения рэ называют эмпирической:
На практике наиболее часто вероятность превышения определяют в %. В этом случае эмпирическая вероятность превышения будет равна:
Общей формулой, отображающей возможность включения в относительно короткий ряд непрерывных наблюдений, расходов с частотой превышения несколько меньшей, чем 1 раз за период наблюдений, является:
где (16.1)
- эмпирический параметр С.М. Бликштейна
Уравнение кривой вероятности подбирают для каждого створа реки самостоятельно, как обычную эмпирическую формулу.
Обычно в качестве кривой вероятности применяют так называемую биноминальную трехпараметрическую кривую гамма-распределения (Пирсон III), при использовании которой определяют:
среднее значение максимальных расходов Qcp;
коэффициент вариации или изменчивости Сv;
коэффициент асимметрии Cs.
Среднее значение максимальных расходов Qcp определяют по обычной формуле арифметического среднего:
где
Qi - значение максимального расхода паводка i-го года;
п - число лет наблюдений.
Коэффициентом вариации Сv называют отношение среднеквадратического отклонения максимальных расходов к этому среднему значению:
Если принять
то окончательно получим:
Коэффициент асимметрии Cs, зависящий от коэффициента вариации и наименьшего из максимальных расходов, определяется:
Коэффициент асимметрии характеризует распределение максимальных расходов относительно среднего значения. Например, если из общего числа лет наблюдений 100 лет, 40 расходов больше среднего, а 60 - меньше, то коэффициент асимметрии имеет положительное значение.
Окончательно расход расчетной вероятности превышения может быть определен по формуле:
Qp% = Qcр(СvФ + 1), где
Ф = f(Cs, P%) - коэффициент, определяемый по таблице 16.2.
Таблице 16.2.
Значения коэффициента Ф
Cs |
Значение Ф при вероятности превышения Р, % |
|||||||||
|
0,1 |
0,33 |
1 |
2 |
10 |
25 |
50 |
75 |
90 |
99 |
0,00 |
3,09 |
2,75 |
2,33 |
2,04 |
1,28 |
0,67 |
-0,00 |
-0,67 |
-1,28 |
-2,33 |
10 |
3,23 |
2,82 |
2,40 |
2,10 |
1,29 |
0,66 |
-0,02 |
-0,68 |
-1,27 |
-2,25 |
20 |
3,38 |
2,93 |
2,47 |
2,15 |
1,30 |
0,65 |
-0,03 |
-0,69 |
-1,26 |
-2,18 |
30 |
3,52 |
3,04 |
2,54 |
2,20 |
1,31 |
0,64 |
-0,05 |
-0,70 |
-1,24 |
-2,10 |
40 |
3,66 |
3,15 |
2,61 |
2,25 |
1,32 |
0,63 |
-0,07 |
-0,71 |
-1,23 |
-2,03 |
50 |
3,81 |
3,27 |
2,68 |
2,30 |
1,32 |
0,62 |
-0,08 |
-0,71 |
-1,22 |
-1,96 |
60 |
3,96 |
3,36 |
2,75 |
2,34 |
1,33 |
0,61 |
-0,10 |
-0,72 |
-1,20 |
-1,88 |
70 |
4,10 |
3,48 |
2,82 |
2,37 |
1,33 |
0,59 |
-0,12 |
-0,72 |
-1,18 |
-1,81 |
80 |
4,24 |
3,60 |
2,89 |
2,43 |
1,34 |
0,58 |
-0,13 |
-0,73 |
-1,17 |
-1,74 |
90 |
4,38 |
3,70 |
2,96 |
2,48 |
1,34 |
0,57 |
-0,15 |
-0,73 |
-1,15 |
-1,66 |
1,00 |
4,55 |
3,81 |
3,02 |
2,53 |
1,34 |
0,55 |
-0,16 |
-0,73 |
-1,13 |
-1,59 |
10 |
4,67 |
3,83 |
3,09 |
2,56 |
1,34 |
0,54 |
-0,18 |
-0,74 |
-1,10 |
-1,52 |
20 |
4,81 |
4,04 |
3,15 |
2,61 |
1,34 |
0,52 |
-0,19 |
-0,74 |
-1,08 |
-1,45 |
30 |
4,95 |
4,08 |
3,21 |
2,64 |
1,34 |
0,51 |
-0,21 |
-0,74 |
-1,06 |
-1,38 |
40 |
5,09 |
4,12 |
3,27 |
2,67 |
1,34 |
0,49 |
-0,22 |
-0,73 |
-1,04 |
-1,32 |
50 |
5,23 |
4,28 |
3,33 |
2,71 |
1,33 |
0,47 |
-0,24 |
-0,73 |
-1,02 |
-1,26 |
60 |
5,37 |
4,33 |
3,39 |
2,73 |
1,33 |
0,46 |
-0,25 |
-0,73 |
-0,99 |
-1,20 |
70 |
5,50 |
4,45 |
3,44 |
2,78 |
1,32 |
0,44 |
-0,27 |
-0,72 |
-0,97 |
-1,14 |
80 |
5,64 |
4,53 |
3,50 |
2,82 |
1,32 |
0,42 |
-0,28 |
-0,72 |
-0,94 |
-1,09 |
90 |
5,77 |
4,62 |
3,55 |
2,85 |
1,31 |
0,40 |
-0,29 |
-0,72 |
-0,92 |
-1,04 |
2,00 |
5,91 |
4,70 |
3,60 |
2,89 |
1,30 |
0,39 |
-0,31 |
-0,71 |
-0,90 |
-0,99 |
10 |
6,06 |
4,80 |
3,65 |
2,93 |
1,29 |
0,38 |
-0,32 |
-0,70 |
-0,88 |
-0,94 |
20 |
6,20 |
4,91 |
3,70 |
2,96 |
1,28 |
0,37 |
-0,33 |
-0,69 |
-0,85 |
-0,90 |
30 |
6,34 |
4,98 |
3,75 |
2,99 |
1,27 |
0,35 |
-0,34 |
-0,68 |
-0,82 |
-0,87 |
40 |
6,47 |
5,08 |
3,79 |
3,02 |
1,25 |
0,33 |
-0,35 |
-0,66 |
-0,79 |
-0,83 |
50 |
6,60 |
5,19 |
3,83 |
3,04 |
1,24 |
0,32 |
-0,36 |
-0,65 |
-0,79 |
-0,80 |
60 |
6,73 |
5,31 |
3,87 |
3,06 |
1,23 |
0,31 |
-0,37 |
-0,64 |
-0,78 |
-0,77 |
3,00 |
7,22 |
5,55 |
4,02 |
3,16 |
1,18 |
0,25 |
-0,40 |
-0,60 |
-0,65 |
-0,67 |
4,00 |
8,17 |
6,08 |
4,34 |
3,30 |
0,96 |
0,01 |
-0,41 |
-0,49 |
-0,50 |
-0,50 |
5,00 |
9,12 |
6,52 |
4,54 |
3,37 |
0,78 |
-0,10 |
-0,38 |
-0,40 |
-0,40 |
-0,40 |
Вычисление параметров ряда расходов ведут в табличной форме, либо вычисляют на компьютере. Точность вычисления параметров кривой вероятностей зависит от длительности непрерывного ряда наблюдений. Обычно ряд считают репрезентативным при длительности непрерывных наблюдений на водомерном посту п ³ 15.
Определение величин максимальных расходов расчетной вероятности превышения более высокими может быть выполнено не только изложенным выше аналитическим способом, но графоаналитическим, т.е. с графической экстраполяцией кривой вероятностей в область малых вероятностей превышения. Однако фактическое очертание кривой вероятностей максимальных расходов является столь сложным (наличие двух точек перегиба, см. рис. 16.1, в), что надежная непосредственная графическая экстраполяция кривой вероятности практически невозможна. Еще сложнее экстраполировать в область малых вероятностей превышения кривые вероятностей уровней, имеющие уже три точки перегиба (см. рис. 16.1, г). Поэтому, подобно тому, как используют логарифмические клетчатки для выравнивания степенных зависимостей, для выравнивания кривых вероятностей максимальных расходов и уровней воды используют специальные клетчатки вероятностей (рис. 16.2).
Рис. 16.2. Кривые на клетчатке вероятностей: 1 - расходов (Cs > 0) ; 2 - уровней (Cs < 0); 3 - расходов и уровней при Cs » 0;
Однако, в отличие от логарифмической клетчатки, ось ординат клетчатки вероятностей принимают равномерной, а неравномерную функциональную шкалу абсцисс строят по уравнению нормального распределения Пирсон III при коэффициенте асимметрии Cs = 0.
Получаемые на клетчатке вероятностей плавные кривые, имеющие выпуклость вверх для максимальных уровней воды (Cs < 0) или выпуклость вниз для максимальных расходов (Cs > 0), а также практические прямые вероятностей расходов и уровней при Cs » 0 позволяют выполнить довольно точную экстраполяцию в область малых вероятностей превышения. При графической экстраполяции не задаются типом уравнения кривой вероятности, поэтому ошибки, связанные с обязательным использованием уравнения кривой распределения определенного типа, на результаты расчета не влияют. Чем круче наклон кривых вероятностей, тем большим коэффициентом вариации Cv (изменчивостью) характеризуется ряд, тем опаснее река для жизни мостового перехода.
После определения расхода воды расчетной вероятности превышения Qр% изложенным выше аналитическим или графо-аналитическим методом переходят к определению расчетного уровня высокой воды той же вероятности превышения РУВВр%. Такой расчет может быть легко выполнен при наличии в створе перехода гидрометрической кривой расходов Н = f(Q), построенной по данным непосредственных гидрометрических измерений.
На существующей сети водомерных постов России в большинстве случаев водомерные наблюдения систематически проводятся только за уровнями воды в реках. Поэтому, определение расчетных уровней воды, совершенно необходимых для разработки проектов мостовых переходов, как правило, выполняют самостоятельно.
Непосредственное использование теоретического метода с применением уравнения вероятности Пирсон III, изложенного выше для максимальных расходов, для вероятностной обработки уровней воды недопустимо. В этих случаях необходимо учитывать совпадение вероятностей превышения величин максимальных расходов и уровней и производить самостоятельную обработку рядов максимальных уровней специальным, изложенным ниже, статистическим методом.
Графо-аналитический расчет максимальных уровней воды расчетной вероятности превышения осуществляют в следующей последовательности (рис. 16.3):
1. Ряд максимальных наблюденных уровней воды в реке ранжируют в убывающем порядке.
2. Каждому члену ранжированного ряда присваивают соответствующие эмпирические вероятности превышения, определяемые по формуле (16.1).
3. По полученным парам значений Нi и Pэ%i наносят точки на клетчатку вероятностей.
4. Осуществляют графическую аппроксимацию полученного поля точек плавной кривой, которую экстраполируют в область малых вероятностей превышения.
Рис. 16.3. Пример определения расчетных гидрологических величин по клетчатке вероятностей: Нп - отметка поймы; Pп% - вероятность затопления поймы; Pэ% - эмпирическая вероятность превышения
5. По полученной таким образом кривой вероятностей, прежде всего, определяют расчетный уровень высокой воды (обычно в отсчетах рейки водомерного поста, см) Нр%, расчетный строительный уровень Н10% и вероятность (частоту) затопления пойм Pп% в паводки в месте перехода.
Непосредственное определение расчетных уровней воды неприменимо для мостовых переходов в зонах эрозии или аккумуляции, где соответственно протекают процессы необратимого врезания русла в коренные породы с соответствующим снижением уровней воды (реки-каньоны) или отложение наносов с соответствующим повышением уровней воды (блуждающие реки).
Следует особо отметить, что при проектировании мостовых переходов расчетный уровень воды РУВВр% является характеристикой существенно более важной, чем расчетный расход Qр%. Так, установив расчетный уровень воды по клетчатке вероятностей, можно вычислить процентное распределение расчетного расхода между характерными элементами живого сечения долины реки (руслом и поймами), являющееся основной характеристикой при обосновании всех генеральных размеров сооружений мостового перехода. Такой расчет называют морфометрическим.