Гидравлико-гидрологическое обоснование.pdf

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Малые водопропускные сооружения устраивают в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами и временными водотоками, по которым стекает вода от дождей и таяния снега. В зависимости от района расположения и рельефа местности на 1 км дороги приходится в среднем от 1 до 3 труб и малых мостов, поэтому гидравлико-гидрологическое обоснование водопропускных сооружений – одна из наиболее типичных задач дорожного проектирования.

Расчетно-графическая работа включает в себя определение объемов дождевого стока и стока талых вод, гидравлический расчет водопропускной трубы и малого моста.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Размеры отверстий малых водопропускных сооружений определяют из условия пропуска расчетных расходов воды весеннего половодья и дождевых паводков. Вероятность превышения расчетных наибольших паводков следует принимать по таблице 1 [1, таблица 3].

Таблица 1 – Вероятность превышения расчетных паводков

Автомобильные дороги, городские улицы и дороги

1

Расчетный максимальный расход воды весеннего половодья Qp% , м3/с, определяют по редукционной формуле 1

[2, формула (7.9)]:

где K0 – параметр, характеризующий дружность весеннего половодья; в процессе расчета расхода воды весеннего половодья значения K0 принимают по таблице 2;

hp% – расчетный слой суммарного весеннего стока (без срезки

грунтового питания), мм, ежегодной вероятности превышения Р %;– коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров кривых распределения слоев стока и максимальных расходов воды [3, приложение 7]; δ, δ1, δ2 – коэффициенты, учитывающие влияние водохранилищ,

прудов и проточных озер (δ), залесенности (δ1) и заболоченности (δ2) речных водосборов на максимальные расходы воды; значения коэффициентов можно принимать равными 1; А – площадь водосбора до расчетного створа, км2;

A1 – дополнительная площадь, учитывающая снижение интенсивности редукции модуля максимального стока с уменьшением площади водосбора, км2 [3, приложение 8]; п – показатель степени редукции [3, приложение 8].

Таблица 2 – Определение параметра дружности весеннего половодья

2

Площадь водосборного бассейна А находится по карте местности, приложенной к заданию, при помощи палетки, либо подсчетом количества клеток при наложении кальки с контурами бассейна на миллиметровую бумагу; также площадь водосборного бассейна можно разбить на элементарные геометрические фигуры. Пример выделения контура водосборного бассейна показан на рисунке 1.

Расчетный слой суммарного весеннего стока hp% определя-

ют в зависимости от коэффициента вариации Cv и отношения Cs / Cv (Cs – модульный коэффициент слоя стока), a также средне-

где h0 – средний многолетний слой стока, мм (приложение А);

K p – коэффициент, учитывающий вероятность расчетного слоя стока [5, рисунок 15.7; 4, рисунок 9.6];

k' – поправочный коэффициент, определяемый по формулам

а) для лесостепной зоны при средних уклонах водосборов iв 70 %:

3

б) для рек со средними уклонами водосборов iв 70 % значения k' принимаются равными единице

где q'1% – относительный модуль максимального срочного расхода воды ежегодной вероятности превышения Р = 1 %, который определяют для исследуемого района в зависимости от гидроморфометрической характеристики русла Фp и продолжительности склонового добегания τск, мин [3, приложение 21];– сборный коэффициент стока; определяют по [2, формула (7.30)]:

где C2 – эмпирический коэффициент, который для тундры и лесной зоны принимают равным 1,2, для остальных природных зон – 1,3;0 – сборный коэффициент стока для условного водосбора с

площадью А, равной 10 км2, и средним уклоном водосбора iв равным 50 ‰ [3, приложение 24];

n5 – степенной коэффициент, определяемый в зависимости от механического состава почв и природной зоны [3, приложение 24]; n3 – степенной коэффициент, принимаемый для лесотундры и лесной зоны равным 0, 07, для остальных природных зон – 0,11; iв – средний уклон водосбора, равный уклону лога, ‰:

H1% – максимальный суточный слой осадков вероятности превышения Р = 1 %, мм (приложение А); А – площадь водосбора до расчетного створа, км2;

– коэффициент, учитывающий влияние водохранилищ, прудов

4

и проточных озер, значения коэффициента можно принимать равным 1; λр% – переходный коэффициент от максимальных срочных расхо-

дов воды ежегодной вероятности превышения Р = 1 % к значениям другой вероятности превышения Р < 25 % [3, приложение 19 и 20].

Гидроморфометрическую характеристику русла исследуемой реки Фр определяют по [2, формула (7.25)]:

где L – гидрографическая длина водотока (длина лога), км;

mp – гидравлический параметр, характеризующий состояние русла водотока [3, приложение 18]; т – параметр определяемый по [3, приложение 18];

iв – средний уклон водосбора (уклон лога iл ), ‰. Продолжительность склонового добегания ск определяют

где l – средняя длина безрусловых склонов водосбора км, равная:

nск – коэффициент характеризующий шероховатость склонов водосбора определяемый по [3, приложение 26].

5

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЯ ВОДОПРОПУСКНОЙ ТРУБЫ.

УКРЕПЛЕНИЕ РУСЛА ЗА СООРУЖЕНИЕМ

В зависимости от глубины подтопления и типа входного оголовка в трубах могут устанавливаться следующие режимы протекания:

-безнапорный режим – если подпор меньше высоты трубы на входе либо превышает ее не более чем на 20 %; на всем протяжении трубы водный поток имеет свободную поверхность;

-полунапорный режим – возникающий при оголовках обычных типов (портальных, раструбных), в тех случаях, когда подпор превышает высоту трубы на входе более чем на 20 %; на входе труба работает полным сечением, а на всем остальном протяжении поток имеет свободную поверхность;

-напорный режим – устанавливающийся при специальных входных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы на входе более чем на 20 %; на большей части длины труба работает полным сечением и лишь у выхода поток может отрываться от потолка трубы.

Трубы должны пропускать весь объем воды, притекающий к ним с площади водосборного бассейна. Расчет отверстия водопропускной трубы производится двумя основными способами.

-Отверстие водопропускной трубы подбирают по таблицам

водопропускной способности [5, таблицы 15.10–15.13; 6, таблицы 3.9–3.10] без учета аккумуляции, проверяя режим работы сооружения.

- Отверстие водопропускной трубы назначают с учетом возможного временного накопления перед сооружением части паводкового расхода (аккумуляции) – графо-аналитический метод Союздорпроекта.

Второй способ позволяет уменьшить размеры отверстий проектируемых сооружений, однако аккумуляция воды у сооружения не допускается в следующих случаях:

-при значительных уклонах главного лога (горная и предгорная местность), когда лог явно выражен;

-когда перед сооружением нельзя создать пруд (застройка, полезные земли, сельскохозяйственные угодья);

6

-в районах муссонного климата, где возможен проход расчетного паводка одного дождя по частично или полностью затопленному другим дождем пруду;

-в районах вечной мерзлоты (возможное образование нале-

ди);

-не аккумулируют также сток талых вод, поскольку их паводки растянуты во времени.

Для первого способа расчета отверстия водопропускной трубы выбирается максимальный расход воды, посчитанный по формулам (1), (5).

Расчет отверстия трубы с учетом аккумуляции (второй способ) производится графически; для этого требуются следующие данные.

Объем ливневого стока, определяемый по [4, формула (9.12)], м3:

где aчас – средняя интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин [4, рисунок 9.2, таблица 9.3; 5, рисунок 15.5, таблица 15.7];

А– площадь водосбора, км2;

– коэффициент стока, зависящий от вида грунтов на поверхности водосбора [4, таблица 9.2];

– коэффициент редукции, учитывающий неполноту стока, тем большую, чем больше водосбор; по данным Союздорпроекта, для площадей до 100 км2 коэффициент может быть подсчитан по [4, формула (9.2)]:

Kt – переходный коэффициент [4, таблица 9.4].

По живому сечению (рисунок 2) вычисляется коэффициент

7

Рисунок 2 – Схема к определению объема пруда

Далее с помощью графика учета аккумуляции (рисунок 3) по оси абсцисс откладываем две точки – Qл и 0,62Qл, где Qл – максимальный ливневый расход воды Qp% , м3/с; по оси ординат от-

0,7W k0

Рисунок 3 – Уточненный графоаналитический прием учета аккумуляции

8

После выполнения построений назначают диаметр (размер) водопропускной трубы и вычисляют по графику (рисунок 3) расход с учетом аккумуляции Qс, м3/с и подпор воды над трубой Н, м.

Определяем режим работы трубы:

H1,2hвх – безнапорный режим;

H1,2hвх – полунапорный режим;

H1,4hвх – напорный режим.

Устанавливаем скорость потока воды на выходе из трубы:

– минимальная толщина засыпки труб (безнапорный режим – 0,5 м, полунапорный и напорный режим – 1 м);

hтр – входное отверстие, диаметр или высота трубы, м; hдо – толщина дорожной одежды (0,50 м).

При этом поверхность дорожного покрытия должна возвышаться над уровнем кратковременно стоящих поверхностных вод не менее, чем указано в таблице 3 [7, таблица 21].

Таблица 3 – Наименьшее возвышение поверхности покрытия

9