автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Методика расчета максимального стока для проектирования дорог в Шри Ланке

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ШАХИ ТУСИТА ЧАНДАНИ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОГ В ШРИ ЛАНКЕ

Специальность 05.23.11 -строительство автомобильных

дорог и аэродромов.

Диссертация На соискание ученой степени кандидата технических

наук

Научный руководитель- Засл. деятель науки РФ,

Академик А.Т. России, доктор техн. наук, профессор, Б.Ф.ПЕ РЕВОЗНИКОВ

МОСКВА - 1999 п.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ................................................................5

Глава1. Анализ особенностей формирования и гидрометеорологической изученности максимального стока в Шри Ланке. Цели, задачи и методика исследования.................................... 10

1.1. Природно-климатические условия района исследований и формирования речного стока......... 10

1.2. Особенности гидрографических и гидрометеорологических условий формирования максимального стока..........................................34

1.3. Особенности размещения и функционирования дорожной сети и других видов хозяйственной деятельности, обусловливающих техногенные факторы регулирования максимального стока в Шри Ланке. 61

1.4. Инженерная оценка степени гидрометеорологической изученности, опасности проявления и воздействий паводочных процессов в районе исследования.................................... 8 3

1.5 Цели, задачи и методика исследований....... 10 3

ГЛАВА II Теоретические основы расчета максимального дождевого стока.............................. 110

2.1. Особенности формирования максимальных дождевых расходов воды и требования дорожного строительства к методам их определения.......... 110

2.2. Оценка состояния и применимости научно-методической базы расчетов России и других

стран для условий Шри Ланки................ 121

2.3. Обоснование выбора и теоретические основы расчетного метода определения максимальных дожде-

вых расходов............................... 150

2.4. Основные принципы обоснования структуры и параметров расчетного метода определения максимально г о дождевого стока в условиях Шри Ланки. 160 ГЛАВА.III Исследования по установлению расчетных ливневых характеристик максимально по дождевого стока......................................... 177

3.1. Синоптические условия формирования и одновременно по выпадения дождевых осадков по территории района исследования.................... 177

3.2. Методические основы и результаты численного эксперимента по определению пространственно-временной изменчивости годовых сумм дождевых осадков.................................... 192

3.3 Внутригодовое изменение дождевых осадков

По территории Шри Ланки.................... 218

3 . 4 Расчетные ливневые характеристики максимального дождевого стока......................... 233

ГЛАВА.IV Методика расчета максимальных расходов воды

дождевых паводков в условиях Шри Ланки...... 2 65

4.1. Расчетные критерии вероятности превышения максимальных расходов воды.................... 2 65

4.2. Расчетная формула и методы обоснования ее параметров................................... 270

4.3 Инженерная оценка учета аккумуляции части па-водочного стока при проектировании малых водопропускных сооружений в условиях Шри Ланки. 277

4.4 Инженерно- гидрометеорологические изыскания по изучению условий формирования максимального стока и уточнению его расчетных характеристик. 2 87

Заключение. ........................................ 303

Список литературы..................................... 304

Приложения:

1. Сведения о реках и их бассейнах Шри Ланки. 319

2. Сведения о последствиях наводнений 1974, 1978, 1982, 1985, 1990, 1991 и 1992 родов произошедших на территории Шри Ланки................. 324

3. Сведения о последствиях декабрьского наводнения 1993 пода................................ 325

4. Сведения о последствиях январского наводнения

1994 пода................................... 326

5. Сведения о последствиях майского наводнения

1994 пода................................... 327

6. Основные сведения о пидрометеорологических станциях Шри Ланки......................... 328

7. Карта-схема распределения среднеподового количества осадков............................... 331

8. Карта-схема слоя полного речного стока...... 332

9. Основные характеристики расположения метеостанций Шри Ланки с репрезентативными данными. 333

10 Площадь одновременного охвата территории Шри Ланки ливневым дождем....................... 339

11 Карта-схема распределения суточных максимумов дождевых осадков 1989г. по месяцам.......... 344

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние дорожной сети Шри Ланки характеризуется ее особой подверженностью воздействием опасных паводочных процессов и недостаточной защищенностью от них почти 90% территории этой страны.

Поэтому центральной проблемой дорожнопо хозяйства Шри Ланки является обеспечение надежно по функционирования дорожно-мостовых сооружений и их защиты от наводнений как при совершенствовании(реконструкции), так и при дальнейшем развитии дорожной сети.

В разрешении этой проблемы особое место занимают исследования, направленные на разработку национальной нормативно-методологической базы расчетов максимальных расходов воды для разработки проектно- строительных решений и защитно- восстановительных мероприятий.

Эти исследования нормы расчета максимального стока имеют особую актуальность, ранее в этой стране они не имели место, все это предопределило необходимость постановки настоящего исследования. Тема работы находится в соответствии с международным десятилетием (1990-1999 гг) по снижению последствий стихийных бедствий, объявленный 11.12.1990 г Генеральной ассамблей ООН.

Цель работы: целью исследования является разработка региональных норм методики расчета максимального дождевого стока и его регулирования для проектирования нового строительства и реконструкции автомобильных дорог в Шри Ланке и разработка защитно-восстановительных противопаводочных мероприятий на существующей дорожной сети этой страны.

Задачи исследования: изучение и анализ особенности природных условий формирования и проявления паво-дочных процессов, гидрометеорологической изученности данного региона и результатов предшествующих научных и проектных работ предопределили следующие основные задачи диссертационного исследования:

• теоретическое обоснование выбора наиболее целесообразной модели расчета максимальных расходов воды, исходя из особенностей, степени изученности факторов и условий формирования паводочных процессов, а также с учетом требований и задач дорожного строительства в Шри Ланке;

• установление расчетных критериев вероятности превышения максимальных расходов и уровней воды для проектирования дорожно-мостовых водопропускных сооружений с учетом степени ответственности этих сооружений в Шри Ланке;

• изучение метеорологических условий формирования максимального стока, определение на его основе расчетных ливневых характеристик и выявление закономерностей их пространственно-временной изученности на территории Шри Ланки;

• обоснование расчетных характеристик и параметров влияния подстилающей поверхности водосборов на величины максимальных расходов воды;

• обоснование и разработка методов учета наиболее специфических природно-техногенных факторов регулирования максимальных расходов воды;

• разработка практических рекомендации по расчету максимальных дождевых расходов воды в условиях Шри Ланки -

Методы исследования: методика исследования по решению поставленных задач предусматривала следующую последовательность их выполнения:

• сбор, систематизацию и анализ качества исходных данных наблюдений за атмосферными осадками и расходами воды по гидрометеорологической сети Шри Ланка;

• анализ, обобщение результатов предшествующих исследований максимального стока с целю выработки принципов и направленности исследования, а также установления расчетного метода определения максимальных расходов воды и его параметров;

• проведение численного эксперимента по многолетним рядам метеорологических наблюдений с определением расчетных ливневых характеристик и их пространственно-временной изменчивости по годовым, месячным, суточным и другим временным интервалом измерений атмосферных осадков;

• разработка методики расчета максимального стока с количественным обоснованием параметров расчетной формулы;

• влияние региональных факторов природно- техногенного регулирования максимального стока и обоснования методов их расчета;

• сопоставительный анализ результатов расчета с исходными данными наблюдений и оценкой достоверности результатов исследований.

Результаты выполненных работ по решению поставленных выше задач и методика исследования каждой из них более подробно рассмотрены в четырех главах диссертации .

Научная новизна работы состоит в следующем: рекомендованы расчетные величины вероятности превышения (ВП) максимальных расходов воды для дорог1 Шри Ланки; разработана методика расчета максимальных расходов воды для расчета водопропускных и других -искусственных сооружений при проектировании и строительстве автомобильных дорог; произведено пространственно-временное распределение расчетных подовых, месячных, суточных сумм и часовых интенсивностей дождевых осадков различных ВП установлены коэффициенты редукции дождевых осадков по площади их одновременного орошения; получена зависимость длины водотока от площади бассейна.

На защиту выносится: результаты численного эксперимента по определению основных параметров кривых распределений вероятностей превышения годовых сумм осадков и их расчетных величин; карты-схемы распределения подовых сумм осадков 1%, 2% и 3% ВП по территории Шри Ланки; распределение среднегодовых сумм осадков по Шри Ланке; методика определения часовых сумм осадков; расчетные величины часовой интенсивности осадков и карта-схема их распределения 0,33%, 1%, 2%, 3% и 10% ВП по территории Шри Ланки; расчетная формула максимального дождевого стока и методы обоснования ее параметров с учетом региональных факторов естественного и искусственного регулирования в условиях Шри

Ланки; рекомендация по расчету максимальных расходов воды.

Апробация работы: основные положения и результаты исследований были доложены и получили одобрение на научно-исследовательских конференциях МАДИ-ТУ (1997 1999 гг.), на заседании кафедры «Изыскания и проектирование дорог» МАДИ-ТУ и на научно технического совета Союздорпроекта(199г).

Публикация: по результатам исследований опубликованы 2 работы.

Структура и обгьем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, включающей 130 наименований, в том числе 7 на иностранных языках; содержит 34 7 страницы машинописного текста, в том числе 37 таблиц, 74 рисунков и 11 приложений.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ И ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА В ШРИ ЛАНКА. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Природно-климатические условия района исследований и формирования речного стока.

Республика Шри Ланка занимает территорию одного из Островов Индийского океана, расположенного к югу от полуострова Индостан на перекрестке важных морских путей.

Остров относится к числу наиболее крупных островов Земного шара, расположенного между 5° 55' и 9° 52'

северной широты и между 7 9° 41' и 81° 53' восточной долготы. Его территория составляет 65,6 тыс. кв. км. Максимальная протяженность острова с севера на юг -436км, расстояние от крайней западной точки острова до крайней восточной точки- 225км.

В центре южной половины Шри Ланки находится горный массив(Центральное или Цейлонское нагорье), достигающий в самой высокой точке отметку 252 4м (г.Пидуруталагала). Остальная территория страны в основном представлена относительно равниной местностью (рис.1.1).

В горных районах отчетливо выделяются отдельные высотные пояса с присущими им комплексами природных, в том числе гидрометеорологических условий. Эти пояса

к-олоньоЧ»

тр\лнкомА-Л\Л

Рис.1.1. Рельеф Шри Ланки

Высота над уровнем моря(м) : | ! 0-300 ¡Ш 300-900

900-1500 • ЦЦ >1500

хорошо видны на более детальной карте Центрального на горья(рис.1.2) .

К Центральному нагорью принято относить участки местности с высотой более 300м. Наиболее высокая часть нагорья, лежащая между высотами 1500 и 2100м над уровнем моря, представляет собой систему горных цепей. На юге одна из таких цепей, включающая в себя Адамов Пик(2238м), простирается на восток до плоскогорья Хортон, а дальше образует хребет, пролегающий через Хапутале на Намунукулу. Это восточное продолжение высокогорной цепи не является таким же цельным, как западная ее часть. Так как здесь хребет прерывается хорошо известными горными проходами Идалгасхин-на, Хапутале и Элла.

Другая высокогорная цепь тянется на север плоскогорья Хортон и Пидуруталагала, а затем снижается по направлению к долине Махавели Ганга. За этой долиной поверхность вновь повышается по направлению к горным цепям Матале, которые постираются с северо-запада на юго-восток. За исключением гор Матале. Конфигурация остальных высоких горных цепей напоминает якорь или прерывистую букву «Т».

Горные цепи Адамов Пик и Хортон- Педро охватывают полукругом плато, лежащее на высотах от 900 до 1500м над уровнем моря. Это плато известно по названием Хаттон. Оно имеет уклон на северо-запад и разрезается верхними притоками Махавели Ганга.

Рис.1.2. Карта-схема рельефа Центрального нагорья Шри Ланки:' ■

1.Адамов Пик

2.Намунукула

3.Пидурутала гала

4.Тотапола

С другой стороны хребта Хортон-Педро, почти полностью окруженное им с запада и горными цепями с востока, лежит плато Велимада. Оно им имеет уклон на север и ориентируется реками Бадулу Ойя, Ума Ойя и Логгал Ойя.

Плато Хаттон и Велимада переходит в пониженное плато, лежащее на высотах от 300 до 900м. Оно называется Кандийским и простирается на северо-запад и северо-восток от более высоких плато Хаттон и Велимада.

Центральное нагорье постепенно снижается на север и северо-запад и переход от высоких горных цепей к равнине происходит через ряд плато. Южный склон нагорья не является пологим. Массив Адамова Пика, Хор-тона, горы Хапутале круто спускаются к узкой платформе, имеющей высоту от 900 до 1500м, которая, в свою очередь, круто падает до более низкого плато высотой 350 -900м.

К числу наиболее важных факторов формирования максимального стока относится, несомненно, климат, основными показателями которого в гидрометеорологическом отношении являются атмосферные осадки и их распределение во времени и пространстве. Климат влияет на элементы водного баланса и максимальный сток не только непосредственно, но и через другие компоненты природы.

По классификации Б.П.Алисова(57) территория республики Шри Ланка расположена между экваториальной и субэкваториальной климатическими зонами Земли. Особенности атмосферной циркуляции, влагооборота, балан-

са влаги в атмосфере и зональности увлажнения в этих двух климатических зонах более подробно освещены в работах (6,13,50,56, 57, 66,67).

Территория Шри Ланки относится к приокеаническим районам и районам, испытывающим заметное (постоянное или сезонное) влияние океана на климат. Среднегодовая интенсивность атмосферных осадков, выпадающих в океаническом пространстве вокруг Шри Ланки колеблется от 5 до 6 мм/час (56) .

В определении климата Шри Ланки часто встречаются термины «тропический климат» и «муссонный климат». В свете общей циркуляции атмосферы эти термины не являются противоречивыми. Шри Ланка по своему географическому положению от почти 6° до 10° северных широтах находится в тропиках, но территория страны также попадает в зону влияния южно-азиатского муссона, представляющего собой часть общей циркуляции в нижних тропических широтах.

Шри Ланка подвергается влиянию муссонов 2 раза в год, в каждом из этих случаев направление и их структура воздушных потоков меняются. По направлению господствующих ветров муссоны делятся на юго-западный и северо-восточный. Эти муссоны вместе с переходными периодами определяют следующие климатические сезоны в районе исследования:

• первый предмуссонный период(с марта по середины мая) ;

• юго-западный муссонный период(с середины мая по сентябрь);

• второй предмуссонный период(с октября по ноябрь ) ;

• северо-восточный муссонный период(с декабря по февраль).

Юго-западный муссон, который проносится со стороны Индийского океана, имеет вертикальную высоту 7 км и насыщен влагой больше чем северо-восточный муссон. А зимний муссон, образующийся на азиатском материке, содержит в себе меньше влаги и имеет вертикальную высоту 1-2 км.

Юго-западный летный муссон является более влажным, а северо-восточный (зимнии) менее влажным и относительно сухим. Поэтому можно ожидать, что юго-западные районы страны должны быть более увлажнены, чем северо-восточные. Но, не будь в центре Шри Ланки горного массива, эти различия не были бы столь существенными, по сравнению со фактическими, а «сухая» и «влажная» зоны не выделялись бы столь контрастно.

Для экваториальных обл