5.2. Расчеты стока с малых водосборов

Сток поверхностных вод. В зависимости от происхождения различают следующие виды стока: дождевой паводок (ливневый сток) и весеннее поло­водье (сток от снеготаяния). Количество воды, притекающей с водосбора к водопропускному сооружению в единицу времени, называется расходом стока Q, м³/с. Расход стока с конкретного водосбора изменяется в широ­ких пределах. Наблюдения показали: чем больше расход, тем реже такой сток повторяется. На основе статистической обработки многолетних на­блюдений метеорологических станций для различных районов страны ус­тановлены значения интенсивности ливней и снеготаяния, которые могут

быть превышены в среднем один раз в п лет (например, раз в 50, 100, 300 лет). В таких случаях считают, что вероятность превышения соответст­вующих расходов стока р = 1: п (1:50, 1:100, 1:300 или, соответственно, 2, 1, 0,33 %).

Сток рассчитывают в соответствии с нормами главы СНиП 2.01.14-83 "Определение расчетных гидрологических характеристик" и Инструкцией по расчету ливневого стока воды с малых бассейнов (ВСН 63-76). Для предварительных расчетов и сравнения вариантов в полевых условиях применяется изложенная ниже методика, разработанная Б.Ф. Перевозни- ковым и рекомендованная Пособием по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений [46].

Сток дождевых паводков. Формирование стока дождевых паводков — это сложный процесс, возникающий в результате выпадения атмосферных осадков на поверхность водосбора. Часть осадков просачивается (проника­ет в почвогрунты), заполняет впадины на поверхности склонов, расходует­ся на смачивание растительности, испаряется, и только оставшиеся после всех потерь осадки образуют слой воды, стекающей по склонам к руслу и по нему — к водопропускному сооружению.

Расход такого стока зависит от климатических характеристик района, которые определяют интенсивность ливней, температурный и ветровой режимы, влияющие на испарение, а также от характеристики почв данного водосбора, которые определяют интенсивность просачивания. На расход стока дождевых паводков влияют также геометрические характеристики водосбора: площадь водосбора и уклон главного лога.

Максимальный расход стока дождевых паводков вероятности превыше­ния 1 % для водосборов с песчаными и супесчаными почвами определяют по номограмме (рис. 5.8) в зависимости от площади F водосбора и уклона / главного лога водосбора для каждого из 10-ти ливневых районов, уста­навливаемых по карте-схеме (рис. 5.9), и пяти групп климатических рай­онов:

Номера районов дождевых

паводков (ливневых районов) 1,2,3 За, 4 5,6 7,8,9 10

Группа климатических районов V IV III II I

Поправочные коэффициенты к расходу стока дождевых паводков

Для определения расходов иных вероятностей превышения и в случае почв водосбора, отличных от песчаных, расход fl_lou, полученный по номо­грамме, умножают на поправочный коэффициент к_л (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Вероятность пре­вышения расхода, %	Грунты водосбора
	Глинистые и суглинистые	Песчаные и супесчаные	Рыхлые (осыпи)
0,33	1,46	1,39	1,32
1	1,05	1,00	0,96
2	0,88	0,84	0,80

Пример. Определить расход стока дождевых паводков вероятности превышения р = 0,33 % для водосбора площадью F = 4,5 км² в районе южнее Якутска. Грунты — суглинки, уклон главного лога J = 23 %о.

По карте-схеме (см. рис. 5.9) район строительства относится к 5-му ливневому району, которому соответствует III группа климатических районов. В правой части номограммы на шкале F (см. рис. 5.8) находим точку, соответствующую площади водосбора 4,5 км², и через нее проводим вертикальную прямую до пересечения с линией, которая относится к 5-му ливневому району. Через полученную точку про­водим горизонтальную прямую до пересечения со шкалой /(точка а). В левой час­ти номограммы на шкале J находим точку, соответствующую уклону лога 23 %о, и через нее проводим вертикаль до пересечения с линией, у которой указана группа климатических районов — III. Через полученную точку проводим горизонтальную линию до пересечения со шкалой X (точка б). Соединяем точки а и б прямой и в месте ее пересечения со шкалой Q находим Q_H0U = 26 м³/с. Вероятность превыше­ния этого расхода 1 % и он соответствует песчаным и супесчаным почвам. Для суг­линистых грунтов при р = 0,33 % находим по табл. 5.1 поправочный коэффициент к„ = 1,46. Искомый расход Q = Q„_ov к, = 26 • 1,46 = 38,0 м³/с.

Сток весеннего половодья. Этот вид стока определяют для районов, рас­положенных севернее штриховой линии, нанесенной на карту-схему изо­линий элементарного модуля стока весеннего половодья (рис. 5.10). Юж­нее этой линии учитывают только сток дождевых паводков как преобла­дающий. Расход стока весеннего половодья зависит от климатических ус­ловий района, которые определяют элементарный модуль стока, и от ха­рактеристик данного водосбора: размеров площади, заболоченности и озерности.

Элементарным модулем стока весеннего половодья С_р% называется расход воды, м³/с, стекающей во время снеготаяния с 1 м² площади водосбора минимальных размеров (когда площадь водосбора стремится к нулю). Эле­ментарный модуль стока вероятности превышения 1 % С_1% определяется по карте изолиний (см. рис. 5.10). Расположенные в пределах водосбора болота и озера, аккумулируя талые воды, уменьшают расход стока весенне­го половодья. Озерность и заболоченность устанавливают по планам водо­сборов как выраженное в процентах отношение площади озер и болот к общей плошади водосбора.

Максимальный расход стока весеннего половодья вероятности превы­шения р = 1 % определяют по номограмме (рис. 5.11) в зависимости от указанных факторов. Для определения расходов иной вероятности превы­шения расход, полученный по номограмме, умножают на поправочный коэффициент k_L = 1,37 при р = 0,33 % и к_с = 0,87 при р = 2 %. Если нет болот, то при пользовании номограммой условно принимают заболочен­ность равной 1 %. При степени озерности более 20 % влияние заболочен­ности не учитывают и сток определяют по номограмме для озерности 20 % и заболоченности 1 %.

Пример. Определить максимальный расход стока весеннего половодья вероятно­сти превышения р = 0,33 % для водосбора (см. предыдущий пример) при заболо­ченности 4,5 % и озерности 2 %.

Рис. 5.10. Карта-схема изолиний элементарного модуля стока весеннего половодья вероятности превышения 1

со м

г- 500 , - ОУ/с -300 у

ВО 100

Номограмма для определения расходов весеннего половодья вероятности превышения 1

f s 8 ю го

Заболоченность, %

По карте (см. рис. 5.10) принимаем для района южнее Якутска элементарный модуль стока весеннего половодья С, _% = 2,5 м³/с'км². На шкале /-"номограммы (см. рис. 5.11) находим точку, соответствующую площади водосбора 4,5 км², и через нее проводим вертикальную прямую до пересечения с линией элементарного модуля С, _% = 2,5. От найденной точки проводим горизонтальную линию до пересечения с вертикальной шкалой X (точка а). На шкале "Заболоченность" находим точку, соот­ветствующую 4,5 %, проводим через нее вертикальную прямую до пересечения с линией 2 % озерности. Через точку пересечения проводим горизонтальную линию до пересечения со шкалой Y (точка б). Точки а и б соединяем прямой и в месте ее пересечения со шкалой Q находим расход Q_{t %} = 8,0 м³/с.

Для Ооззж поправочный коэффициент = 1,37 и искомый расход 0,зз% ⁼ = Q,% К = 8,0 • 1,37 = 11,0 м³/с.

В рассмотренных примерах доминирующим является расход дождевых паводков, поэтому отверстие водопропускного сооружения рассчитывают исходя из этого расхода.

5.3. Водопропускная способность труб и малых мостов

Расчетные и наибольшие расходы. Водопропускные сооружения рассчи­тывают на воздействие водного потока при двух расходах: расчетном и наибольшем. Вероятности превышения расходов и соответствующих им уровней принимают следующие: для железных дорог 111 категорий и вы­ше — 1 % при расчетных паводках и 0,33 % при наибольших паводках; для линий IV категории — 2 % при расчетных паводках и 1 % при наибольших паводках. Для водопропускных сооружений на подъездных путях IV кате­гории, на которых по условиям технологии производства не допускаются перерывы в движении поездов, вероятность превышения расчетных расхо­дов и соответствующих им уровней воды принимают равной 1 %.

Водопропускная способность труб. Различают следующие режимы работы труб: безнапорный — входное сечение не затоплено и на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность (рис. 5.12,а); полунапорный — входное сечение трубы затоплено, а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. 5.12,6); напорный — входное сечение трубы затоплено и на большей части длины труба работает полным сечением (рис. 5.12,в). Расчетные расходы в трубах должны пропускаться в безна­порном режиме. Согласно Строительно-техническим нормам СТН Ц-01-95 полунапорный режим может быть допущен только в случае пропуска наи­большего расхода водотока и когда у трубы имеется фундамент. При этом необходимо обеспечить водонепроницаемость швов между звеньями трубы и устойчивость насыпи против фильтрации. Для труб, расположенных в районах с низкими температурами (где средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки ниже —40 °С), не допускается пре­дусматривать полунапорный режим работы, за исключением случаев рас­положения труб на скальном основании.

Согласно нормам проектирования возвышение высшей точки внутрен­ней поверхности трубы над уровнем воды в ней при расчетном расходе и безнапорном режиме должно быть:

в круглых и сводчатых трубах — не менее 1/4 высоты трубы в свету при высоте ее до 3 м и не менее 0,75 м при высоте трубы более 3 м;

Рис. 5.12. Режимы протекания воды в трубе:

а — безнапорный, 6 — полунапорныи, в — напорный

в прямоугольных трубах - не менее 1/6 высоты трубы в свету при высо­те ее до 3 м и не менее 0,5 м при высоте трубы более 3 м. Это возвышение должно быть в любом сечении трубы, в том числе и при входе в трубу, где глубина воды А_вх наибольшая (см. рис. 5.12,а).

В металлических гофрированных трубах наибольший расход должен пропускаться в безнапорном режиме, а заполнение входного сечения трубы не должно превышать 0,9 высоты трубы.

На рис. 5.13—5.16 приведены построенные В.А. Копыленко графики во­допропускной способности труб в зависимости от глубины подпертой воды перед трубой (напора) Н [30]. В соответствии с указанными ограничениями в режимах пропуска воды через трубы на графиках показана зона расчет­ных расходов. Ограничение наибольших допускаемых расходов определя­ется максимальной скоростью воды на выходе из трубы. Значения 2Q и 3Q по оси абсцисс соответствуют водопропускной способности двух- и трех- очковых труб.

Водопропускная способность мостов. Длина пролетных строений сборных железобетонных мостов эстакадного типа (см. рис. 5.3,в) составляет 6,0; 9,3; 11,5; 13,5 и 16,5 м. Эти мосты применяют, как правило, при высоте насыпи от 2 до 8 м. Обычно используют следующие схемы разбивки отвер­стия моста на пролеты: 1) 6,0 м х п\ 2) 9,3 м х п; 3) 11,5 м х п; 4) 9,3 + + 13,5 х т + 9,3 м; 5) 11,5 + 16,5 х т + 11,5 м; где п — общее число проле­тов в схеме моста; т — число внутренних пролетов. Наряду с указанными схемами могут быть применены и другие с различным сочетанием длин крайних и внутренних пролетов.

Целесообразность применения различных пролетных строений опреде­ляется высотой насыпи на подходах к мосту. При насыпях высотой до 4 м используют пролетные строения длиной 6; 9,3 и 11,5 м. При большей вы­соте насыпи (до 6 м) применяют мосты со всеми указанными выше типа­ми пролетных строений. При насыпях высотой более 6 м использовать пролетные строения длиной 6 м не следует, так как при высоких насыпях возрастает стоимость опор и поэтому целесообразно принимать пролетные строения большей длины, уменьшая число пролетов и соответственно ко­личество опор моста.

h,rt

3,1 3,0 z,s г,в г,7 г,в г, 5

2,4

2,г г,г г, 7 2,0 1,9

ив 1,6

1,0

О 1 2 3 4 5 В 7 8 9 10 11 12 13 14 75 Q,n*/c

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I I I I '

0. г 4 в а 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 2Q,»³Jc

1 I I I 1 I I ' I ' : ■ I I I I I

8. н

0. 2,9

г,в

2,7

г,в г,5 г,4

2,3

2. 1. г,О

      1. 7 1,5 1,3 1,0

о

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 3S 42 45 3Q,M³/e Рис. 5.13. Графики водопропускной способности круглых железобетонных труб диаметром 1-2 м

f

/

А

У

к

5 «с 1

г

г

к*.' Л

✓

1

У

у

Зона расчетных расходоб

/

7 в

3 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 0,м³/с -J I I I I I 1 I I '

70 12 14 16 78 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 2Q,M'/C

0 3 6 3 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 3Q,»'/c Рис. 5.14. Графики водопропускной способности круглых металлических гофриро­ванных труб диаметром 1,5—3,0 м

труб отверстием 1—4 м

Рис. 5.16. Графики водопропускной способности прямоугольных бетонных труб отверстием 1,5—6 м с повышенным входным звеном: 1 - трубы высотой 2 м, 2 - то же 3 м

На рис 5 17—5 20 приведены по данным В А Копыленко [30] графики водопропускной способности эстакадных мостов указанных выше схем для разных высот подходной насыпи

0 5 10 15 20 2S 30 35 40 45 SO 55 ВО 85 70 75 80 85 30 35 Q,n³/C

Рис. 5.17. Графики водопропускной способности эстакадных мостов при насыпях высотой

а — 2 м, б — 3 м

О 20 40 60 SO 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Q,M³/c

Рис. 5.18. Графики водопропускной способности эстакадных мостов при насыпях высотой:

а — 4 м; 5 - 5 м

О 20 10 SO 80 100 по № 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Q,n³/c

Рис. 5.19. Графики водопропускной способности эстакадных мостов при насыпях высотой:

а — 6м; б—7м

20 40 SO 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Q м'/с

8. н 3,9

3,8

7. 3,6

W

3. 3,2

   1. 3,0

2. 2,0

   1. 8 1,6 1,0

О

/ /

/

/ /

/ /

/

1

/

/

/

/

/ У

П'2^1

J

A

ч

5ч

//

и

/

/ t

/

> /г

/

1

)

/

/

/

/

/ /

/ г

//

/

/

j

' /

/

/

!

/

/ j

/

1

' /

/. / /

/

/

/

/

/

/

/ /

/

// У

/ /

/

/

/

/

/

/

/ /

/ ,

У

/

s /

/

Рис. 5.20. Графики водопропускной способности эстакадных мостов при насыпи высотой 8 м (условные обозначения см. на рис 5 19)

20 W 60 SO 100 120 т 160 780 200 220 2W 260 2SO 300 320 Q,M*/c

8. н 3,9 3,8

7. 3,6

W

3. 3,2

   1. 3,0

2. 2,0 18

   1. 6 1,0

О

При высоте насыпи более 7—8 м мосты с трапецеидальной формой подмостового сечения имеют длину более 25 м, т.е. относятся уже к сред­ним мостам. Их сооружают со стоечными или массивными опорами, об­сыпными устоями (рис. 5.21); длина железобетонных пролетных строений достигает 18,7; 23,6; 27,6 и 34,2 м. Водопропускную способность мостов с обсыпными устоями можно определить в зависимости от ширины русла по дну Ь_т и напора Н (рис. 5.22 [30]).

Рис. 5.22. Графики водопропускной способности мостов с обсыпными устоями