- •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
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 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.
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.
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.
- 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;
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
№, п/п |
Наименование константы |
Обозначение |
Числовое значение |
Размерность |
1 |
Плотность воды |
rв |
1,0 |
г/см3 |
2 |
Плотность льда |
rL |
0,917 |
г/см3 |
3 |
Теплоемкость воды |
Св |
1,0 |
кал/г.град |
4 |
Теплоемкость льда |
СL |
0,5 |
кал/г.град |
5 |
Удельная теплота плавления льда |
L1 |
80,0 |
кал/г |
6 |
Удельная теплота возгонки льда |
L3 |
680,0 |
кал/г |
7 |
Константа Стефана-Больцмана |
s |
8,16·10-11 |
кал/(см2.мин.град) |
8 |
Альбедо снега |
rc |
0,8305 |
безразмерно |
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 «снег-атмосфера» (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
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.
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:
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
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:
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
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;
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;
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.
Рис. 31.8. Способы схематизации водосборных бассейнов
В этом случае формулы (31.7) и (31.8) представляют в следующем виде:
(31.9)
(31.10)
где слагаемые
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
(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;
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:
где (31.14)
Q - расход воды в русле, м/с;
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
Тип русла и его описание |
Коэффициент шероховатости |
Искусственные земляные или гладкие из скальных обломков |
0,016-0,025 |
Естественные небольшие, максимальной шириной до 30 м, чистые и прямые |
0,025-0,033 |
Земляные русла периодических водотоков |
0,033 - 0,040 |
Поймы травянистые |
0,040 - 0,050 |
Поймы кустарниковые |
0,050 - 0,070 |
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 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;
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.
УТКС |
Вероятность превышения, % |
|||||||
1 |
10 |
30 |
50 |
|||||
поле |
лес |
поле |
лес |
поле |
лес |
поле |
лес |
|
Мурманское |
94 |
113 |
65 |
88 |
58 |
80 |
51 |
73 |
Северное |
115 |
196 |
69 |
97 |
61 |
89 |
52 |
81 |
Северо-Западное |
97 |
120 |
56 |
73 |
48 |
64 |
40 |
56 |
Уральское |
110 |
166 |
62 |
95 |
53 |
82 |
44 |
69 |
Эстонское |
- |
- |
33 |
38 |
30 |
35 |
26 |
32 |
Латвийское |
- |
- |
40 |
46 |
34 |
38 |
28 |
30 |
Литовское |
- |
- |
26 |
40 |
23 |
33 |
20 |
26 |
Белорусское |
64 |
73 |
30 |
46 |
27 |
40 |
23 |
34 |
Верхне - Волжское |
111 |
131 |
62 |
84 |
55 |
76 |
48 |
68 |
Приволжское |
90 |
137 |
47 |
84 |
41 |
76 |
35 |
68 |
Центр.-Черноземное |
55 |
86 |
29 |
45 |
26 |
42 |
24 |
38 |
Украинское |
- |
- |
28 |
38 |
23 |
43 |
18 |
27 |
Северо- Кавказское |
- |
- |
22 |
66 |
19 |
53 |
16 |
40 |
Омское |
63 |
100 |
52 |
85 |
45 |
76 |
37 |
65 |
Западно-Сибирское |
- |
- |
60 |
85 |
50 |
77 |
40 |
69 |
Казахское |
- |
- |
42 |
- |
33 |
- |
24 |
- |
Красноярское |
144 |
259 |
68 |
107 |
44 |
91 |
39 |
74 |
Якутское |
- |
- |
54 |
64 |
47 |
57 |
39 |
49 |
Иркутское |
82 |
182 |
60 |
67 |
50 |
56 |
40 |
46 |
Забайкальское |
- |
- |
23 |
62 |
19 |
47 |
14 |
32 |
Колымское |
143 |
147 |
85 |
87 |
68 |
76 |
50 |
66 |
Дальне-Восточное |
88 |
151 |
39 |
68 |
33 |
58 |
27 |
46 |
Приморское |
- |
- |
38 |
52 |
32 |
45 |
25 |
37 |
Камчатское |
106 |
183 |
76 |
120 |
70 |
115 |
64 |
105 |
Сахалинское |
135 |
186 |
74 |
119 |
62 |
102 |
49 |
83 |
Таблица 31.5.
Вероятности превышения основных стокообразующих факторов в зависимости от категории дорог
Категории дороги |
ВП паводка, % |
ВП высоты снега. % |
ВП радиационного баланса. % |
- |
0?1 |
1 |
5 |
I |
1 |
10 |
5 |
II-III |
2 |
30 |
5 |
IV-V |
3 |
50 |
5 |
с определенным шагом по времени задают или рассчитывают по соответствующим формулам радиационный баланс границы «снег-атмосфера»;
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 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.
Широта места (°) |
Площадь водосбора, км2 |
|||||||
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 |
более 100 |
|
Для Европейской части России |
||||||||
65-70 |
38,54 |
32,96 |
25,43 |
24,63 |
23,28 |
21,43 |
21,14 |
20,98 |
60-64 |
45,16 |
38,83 |
30,06 |
29,42 |
27,71 |
25,69 |
25,40 |
25,20 |
56-59 |
51,81 |
44,03 |
37,20 |
34,67 |
34,59 |
32,16 |
31,93 |
30,41 |
52-55 |
56,06 |
51,26 |
39,22 |
38,16 |
35,83 |
33,48 |
31,30 |
30,78 |
48-51 |
49,09 |
41,96 |
32,28 |
31,36 |
29,57 |
27,24 |
25,39 |
25,22 |
44-47 |
28,72 |
24,43 |
18,56 |
17,92 |
16,82 |
15,26 |
12,71 |
7,69 |
40-43 |
15,55 |
13,41 |
10,49 |
10,22 |
9,89 |
9,09 |
8,82 |
8,51 |
Для Азиатской части России |
||||||||
72-76 |
38,52 |
38,47 |
35,56 |
34,14 |
33,34 |
32,92 |
30,83 |
18,19 |
68-71 |
46,41 |
39,61 |
30,46 |
29,63 |
27,88 |
25,65 |
25,30 |
21,65 |
64-67 |
27,61 |
23,50 |
18,26 |
17,67 |
17,61 |
15,47 |
15,38 |
14,32 |
60-63 |
30,69 |
26,12 |
20,30 |
19,68 |
18,61 |
17,09 |
16,01 |
15,30 |
56-59 |
46,50 |
39,62 |
30,77 |
29,97 |
28,47 |
26,28 |
25,58 |
23,34 |
52-55 |
46,64 |
39,82 |
30,79 |
30,09 |
28,73 |
26,24 |
25,90 |
21,40 |
48-51 |
27,61 |
23,45 |
18,44 |
17,92 |
17,33 |
17,01 |
15,70 |
11,98 |
44-47 |
27.76 |
25.29 |
23,84 |
23.90 |
23,80 |
23.05 |
23,02 |
17.31 |
Таблица 31.7.
Максимумы и минимумы радиационного баланса границы "снег-атмосфера"
Широта места |
Минимумы кал/см\мин |
Максимумы кал/см2.мин |
||
ETC |
АТС |
ETC |
АТС |
|
80 |
- |
0,01 |
- |
0,31 |
76 |
- |
0,00 |
- |
0,53 |
72 |
- |
-0,02 |
- |
0,64 |
68 |
-0,08 |
-0,07 |
0,67 |
0,67 |
64 |
-0,08 |
-0,08 |
0,66 |
0,56 |
60 |
-0,08 |
-0,08 |
0,72 |
0,70 |
56 |
-0,08 |
-0,08 |
0,76 |
0,76 |
52 |
-0,08 |
-0,08 |
0,70 |
0,68 |
48 |
-0,08 |
-0,08 |
0,75 |
0,72 |
44 |
-0,08 |
-0,08 |
0,80 |
0,74 |
40 |
-0,08 |
-0,09 |
0,85 |
0,76 |
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
ВП % |
0,1 |
1 |
2 |
3 |
l |
1,70 |
1,00 |
0,85 |
0,78 |
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
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:
b................................... 2 3 4 5 6 7 8
Kp................................. 0,76 0,62 0,54 0,44 0,38 0,32 0,28
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 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.
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
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 а по 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............................... Н скорости на выходе
До, %........................... 15 % 5 % 10 % 5 % 3 %