автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Сток ливневых вод на основе паводковой волны для сооружений автомобильных дорог и аэродромов

На правах рукописи

005004188

ЧИСТЯКОВ Игорь Владимирович

ШУХю.

СТОК ЛИВНЕВЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ПАВОДКОВОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ

(05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»)

- 1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2011

005004188

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Гидравлика» Научный консультант

- доктор технических наук, профессор

Федотов Григорий Афанасьевич Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Болгов Михаил Васильевич;

- доктор технических наук, профессор

Высоцкий Лев Ильич;

- доктор технических наук, профессор

Макаров Константин Николаевич.

Ведущая организация: ОАО «ГИПРОДОРНИИ»

Защита состоится «15» декабря 2011 г. в 10°° часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.126.02 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу.

125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Автореферат разослан « M<^í/tJL 2011 г.

Ученый секретарь Co¡

профессор

Борисюк Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Автомобильные дороги - это черезвычайно сложные, капиталоемкие, но в то же время высоко рентабельные инженерные сооружения. В связи с исключительной капиталоемкостью автомобильных дорог во все времена инженеры-дорожники искали пути снижения стоимости строительства, но не в ущерб правильности и качеству принимаемых проектных решений. А в условиях рыночных отношений вопрос о повышении обоснованности принимаемых проектных решений становится особенно актуальным.

Сооружения транспортного комплекса всегда создавались с учетом воздействия погодно-климатических факторов. Поэтому решение задач в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог возможно только путем более детального исследования этих явлений, оказывающих влияние на состояние транспортных сооружений. К таким факторам следует отнести и ливневой сток, рациональный расчет которого имеет важное значение.

О важности совершенствования методов расчета ливневого стока говорит тот факт, что существующие методы расчета максимальных расходов и объемов стока не всегда обеспечивают достаточную надежность. Это приводит к различного рода разрушениям и повреждениям автомобильных дорог в местах переходов через малые и временные водотоки. Если проанализировать количество разрушений, относящееся к переходам с малыми водопропускными сооружениями к переходам с мостами больших и средних отверстий, то получим следующее их распределение в %:

переходы с малыми мостами и трубами - 49%; собственно земляное полотно - 32%; переходы с большими и средними мостами - 19%.

Как известно, в основе принимаемых проектных решений при назначении основных противоаварийных мероприятий и генеральных размеров малых мостов и водопропускных труб основными параметрами являются максимальный расход и объём стока ливневых вод. Исходя из выше приведенных данных, есть основание полагать о не вполне достаточной надёжности прогнозов их параметров.

Цель работы состоит в создании научных и научно-методологических основ прогноза параметров стока ливневых вод при проектировании водоотводящих систем на автомобильных дорогах и территорий транспортного комплекса.

Задачи исследования:

1. Путём детального анализа системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по его длине дать научно-методологические основы возможности применения для

описания данной системой уравнений поверхностного стока на водосборных бассейнах, имеющих гидрологическую сеть, состоящую из склонов водосборного бассейна и главного лога.

2. Разработать и дать научно-методологическое обоснование для представления поверхности водосборных бассейнов в виде математической модели местности на горизонталях для дальнейшего математического моделирования поверхностного стока.

3. На основании выполненного анализа системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по его длине и разработанного научно-методологического обоснования применения данного математического обеспечения и представления поверхности водосборного бассейна в виде математической модели местности создать общую математическую модель стока ливневых вод с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов относительно главного лога водосборного бассейна.

4. Используя натурные данные наблюдений о стоке ливневых вод установить адекватность разработанной математической модели натурным парам «ливень-гидрограф».

5. Выполнить натурный эксперимент по массовому наблюдению за прохождением ливневых фронтов в настоящий период времени и путем сравнения с ранее полученными данными установить основные закономерности изменений хода интенсивностей ливней во времени и закономерности прохождения ливней с учетом их направлений и скоростей прохождения ливневых фронтов.

6. Методом массового численного эксперимента с применением разработанной математической модели стока ливневых вод установить основные закономерности формирования максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов.

7. На основании результатов проведенного массового численного эксперимента разработать современные научно-методологические основы формирования ливневого стока.

8. Разработать методику расчета максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, основанной на неравномерном и неустановившемся режимах потока с переменной массой по его длине с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов.

Объектом исследования является сток ливневых вод с поверхности водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог и территорий транспортных комплексов.

Предметом исследования являются теоретические и методологические основы прогнозирования максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод для водоотводящих систем автомобильных дорог.

Теоретической основой диссертационной работы являются механика жидкости, дифференциальные уравнения, математическое и иммитационное моделирование, исследование операций, регрессионный и дисперсионный анализ, методы многомерного статистического анализа и другие.

Научную новизну работы составляет создание новых научных, научно-методологических и технико-производственных основ расчетов стока ливневых вод на основе неустановившегося и неравномерного характера движения ливневых вод с переменной массой по протяженности потока на поверхности водосборного бассейна. Следствием такого подхода при рассмотрении явления стока ливневых вод является формирование паводковой волны в русле водосборного бассейна.

На защиту выносятся:

1. Методология расчета стока ливневых вод, основу которой составляет система дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой и представлении поверхности водосборных бассейнов в виде математической модели местности.

2. Закономерности и положения о формировании ливневого стока в виде паводковых волн.

3. Концепция интеграции новых, дополнительных метеорологических параметров в расчеты максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод, вызванных изменением направлений и скоростей прохождения ливневых фронтов.

4. Вероятностная модель учета дополнительных потерь стока ливневых вод после прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном при наличии поверхностного стока на нём.

5. Новые аналитические зависимости для расчета параметров стока ливневых вод, при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, основу которых составляют неустановившийся характер и переменная масса потока ливневых вод по гидрографической сети водосборного бассейна.

Достоверность рекомендаций, выводов и обоснованность научных положений, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, сравнительным анализом, согласованным с натурными наблюдениями. На основе экспериментальных расчетов стока ливневых вод выполнен анализ экспериментальных зависимостей, полученных на основе проведенного массового численного эксперимента.

Практическая ценность и реализация результатов работы, полученных в диссертации и доведенных до практического применения, заключается в следующем: разработан программный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать как оперативные метеорологические данные о ходе ливней над конкретным водосборным бассейном, так и данные, полученные по многолетним наблюдениям с заданной вероятностью превышения.

Разработана методика расчета стока ливневых вод, базирующаяся на принципе формирования паводковой волны. Данная методика учитывает неустановившийся и неравномерный режим поверхностного стока ливневых вод по поверхности водосборного бассейна с переменной массой по длине потока.

Реализация результатов исследования. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию для практического применения в проектных отделах Управлений автомобильных дорог Москва -Санкт-Петербург, Москва-Волгоград, в ООО «ИНТЕРДОРПРОЕКТ», а также используются в учебном процессе МАДИ. Результаты внедрения подтвердили работоспособность и эффективность разработанных положений расчетов стока ливневых вод с водосборных бассейнов при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах.

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

• на республиканских и международных научно-технических конференциях, семинарах (1992-2008 гг.);

• на заседании кафедры «Гидравлика» (2005г.) Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);

• совместном заседании (2007г.) кафедр «Изысканий и проектирования автомобильных дорог», «Гидравлика» и «Геодезия» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);

• на Международном конгрессе «Управление водными ресурсами в экстремальных условиях» (Москва, июнь 2007 г);

• на Международном дорожном конгрессе (Москва, МАДИ, 2008г).

Структура диссертационной работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 31 - й работе, в том числе - в 1 - й монографии. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 10 работ. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы. Основной текст размещен на 258 страницах, включает 10 таблиц, 148 рисунков, 6 приложений. Список литературы включает 224 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные задачи исследований.

1. Проблемы и противоречия методов расчета ливневого

стока транспортных сооружений

В главе проведен детальный анализ наиболее распространённых методов расчета стока ливневых вод, применяемых при проектировании водопропускных сооружений и систем водоотвода на автомобильных дорогах ранее и в настоящее время (по работам Долгова Н.Е., Николаи Л.Ф., Протодьяконова М.М., Бефани А.И., Соколовского д.Л., Андреева О.Н., Журавлева М.М., Перевозникова Б.Ф., Большакова В.А., Кургановича A.A.), а также современных методов моделирования ливневого стока. Одним из наиболее перспективных является метод математического моделирования (работы Горошкова И.Ф., Калинина Г.П., Корня В.И., Кучмента Л.С., Лятхера В.М., Прудовского A.M., Федотова Г.А.).

Изложена эволюция методов прогнозирования максимальных расходов и объёмов стока, исходя из требований, предъявляемых практикой проектирования водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Рассмотрены достоинства и недостатки каждого из методов. На основании такого проведенного анализа обоснован выбор методов, сформулированы цели и задачи исследований.

2. Методологические и экспериментально - теоретические исследования процесса формирования ливневого стока при гидрологическом обосновании проектных решений в

транспортном строительстве

Одной из задач, сформулированных в первой главе, является представление потока по поверхности водосборного бассейна как неравномерного, неустановившегося с переменной массой по протяженности. Основным из существенных допущений существующих в настоящее время методов расчетов стока о равномерном движении потока по поверхности водосборного бассейна как потока установившегося с постоянными параметрами по протяженности. Это не соответствует реальным условиям формирования максимальных расходов и объемов стока. С этой целью в главе 2 дано обоснование методологических и теоретических возможностей расчета неустановившегося и неравномерного движения жидкости на основе системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине.

Система дифференциальных уравнений описывающих движение вод поверхностного стока по склонам имеет вид:

уравнение динамического равновесия:

а/1 а0В(а-Ь) ,£! Ж

э*+ а-й. " д* + Д ас"1"/с2

и уравнение неразрывности:

£ + £ = (2)

где В - ширина элементарной площадки, а - интенсивность ливня, в - интенсивность впитывания. Эта система уравнений решается в конечных разностях:

уравнение динамического равновесия:

—^—+—^--

*.....- . ■ (3)

.ДХ ^ ■■

уравнение неразрывности:

+ -В, + ^в.Вкр „^.^ (4)

Система дифференциальных уравнений описывающих движение вод поверхностного стока по логу имеет вид: уравнение динамического равновесия:

уравнение неразрывности:

= Я. (6)

где - проекция скорости присоединяемого притока q на направление скорости основного потока; с/ - боковая приточность в единицу времени на единицу длины; ¡г - уклон трения.

Эта система уравнений решается в конечных разностях: уравнение динамического равновесия:

., !Д (Ут; ~ У(т+1)/) , 1.03 • (Ут(/-1)ср ~ Ут;ср) Мт. = ----+-------А1ш +

+ (/« - •й1« + 2 • (г** •С05а - ^р) •й1™ • (7)

\ кт]ср/ Я ср \пт>ср /

уравнение неразрывности:

/-) _ л , ЛА!т> Вт;+Л/г(т+1)ГВ(т+1);ЧЧ-ЛЬтУф-Втуср . ДТ /ох

Ут; ~ <?(ш+1); +---■--Д'?п + 9 ' ¿"т , Vй}

где /?„у, - глубина потока в п -м и (п+1) - м створах при у - м

чения, м/с; Vn(j.1)cp, Vnjcp- средние скорости течения на п - м расчетном участке лога соответственно при (j - 1) - м и / - м уровнях времени, j м/с; Aln - длина п - го участка склона, м; JCK - уклон склона; Qnycp, KnJcp -соответственно расход и расходная характеристика сечения на п - м участке склона при j - м уровне времени, м3/с; сonjCp- средняя на п - м участке лога площадь живого сечения, м2; qnjcp, hnJcp - средний погонный расход на п - м участке лога и глубина соответственно, м2/с и м; а, - угол притока погонного расхода; QnJ, Q(n-n)j - соответственно расходы в п - м и (п+1) - м створах при j - м уровне времени, м3/с; ûhnJ, Ah(n+i)j - приращение глубины потока в соответствующих створах за время Atj, м; Вп, В(п+1) - ширина потока в соответствующих створах, м.

Задача представления рельефа водосборного бассейна в виде математической модели применительно к описанию процесса поверхностного стока системой дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине решается построением цифровой модели самой поверхности водосборного бассей-на(рис.1).

При таком представлении рельефа водосборной площади представляется возможным моделировать продвижение ливневого фронта над водосборным бассейном в разных направлениях с различны-

Рис. 1. Представление поверхности водосбора в виде элементарных

площадок

ми скоростями.

Для учета потерь на впитывание поверхностного стока ливневых вод в подстилающий водосбор грунт также требуется схематизация в пределах, принятых в дорожном проектировании. В этом направлении известны работы Протодьяконова М.М., Болдакова Е.В. и других авторов, которые доказали возможность принимать шесть видов грунтов по впитыванию. Каждому виду грунта соответствует своя стандартная кривая (рис. За). Для описания процесса формирования слоя стока на водосборе кривая хода ливня и кривая потерь объединялись методом «касания». Для применения этих данных в качестве исходной информации в разработанной математической модели кривые хода дождя Н=Щ) и потерь на впитывание Р=ЦЬ) заменяются ступенчатым очертанием с шагом (рис.Зб).

Как видно из схем расчета (рис. 4а, 46), вода, поступившая в виде осадков (эу -М) на элементарный участок площади склона водосборного бассейна длиной Ах и шириной, полученными по данным мате-

а)

б)

Т (час)

Рис. 3. Схематизация слоя стока: а) зависимость потерь стока на впитывании для различных категорий грунтов по впитываемости (/ - V/); б) формирование слоя стока во времени

матической модели водосборного бассейна, частично впитывается в почву частично стекает на следующий элементарный участок,

а часть воды остаётся.

Сток ливневых вод по тальвегу водосбора описывается системой уравнений дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой подлине (5,6).

Схема расчета по руслу аналогична схеме расчета по склону. Система уравнений решается последовательно для каждой пары створов, сверху вниз по логу (и по склону), начиная от водораздела, для

Рис. 4. Схема расчета стока со склоновых элементарных площадок (а) и по руслу (б)

О а.

О ^ X

V О

£ С

о

& ш с О О 2 О О (т ш 0_ <

каждого интервала времени. При этом в створе на водоразделе глубина потока принимается равной нулю. На основе решения представленных систем уравнений и приемов схематизации разработан новый алгоритм комплекса программ математической модели расчета стока ливневых вод с водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог.

3. Комплексная оценка процесса формирования стока ливневых вод методом математического моделирования

Проведены комплексные экспериментальные расчеты стока ливневых вод и представлены результаты проверки адекватности разработанной математической модели стока ливневых вод натурным данным, а также результаты данных наблюдений за реальными ливнями. По результатам наблюдений за ходом реальных ливней получена обобщенная кривая хода ливней для современного периода.

По сравнению с кривой хода ливней 50-х годов прошлого столетия можно сказать, что максимальная интенсивность ливней на современном этапе наблюдается в начальный период хода, это приводит к более интенсивной водоотдаче поверхности водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог. Наблюдения проведены за 41ливнем. По результатам наблюдений получена экспериментальная зависимость хода ливней

Н% = 20,9 ■ т0,34, % {9)

Для сопоставления рассчитанных гидрографов с натурными были взяты материалы наблюдений Подмосковной воднобалансовой станции, Центральной Высотной Гидрометеорологической обсерватории. Так'как разработанная математическая модель стока ливневых вод предполагает сток по сухому водосбору, то для экспериментальных расчетов были взяты данные по логам Лызлово и Кулибин. Сведения о водосборах воднобалансовой станции приведены в табл. 1.

Натурные гидрографы ливневого стока сравнивались с рассчитанными на разработанной математической модели, реализованной по программе «иУБТОК» для ПЭВМ.

Кривые хода дождей для экспериментальных расчетов взяты соответствующими реальному изменению хода дождя во времени. Таким образом, адекватность модели ливневого стока устанавливается на основе натурных пар «дождь-гидрограф» с реально существующих водосборных бассейнов. На рис. 5 приведены натурные и рассчитанные гидрографы ливневого стока с рассмотренных водосборов.

Результаты сравнения по критерию Фишера натурного и рассчитанного гидрографа приведены в табл. 2.

Таблица 1

Данные о водосборных бассейнах воднобаллансовых станций

№п./п. Название водотока Площадь водосбора, км2 Длина тальвега, км г Средняя ширина водосбора, км Средний уклон тальвега, % Площадь угодий (в % от площади водосбора)

Сельхоз. 1— >» с; о <и с;

1. Пог Лыз-пово 1,76 1,3 0,7 16,1 20 0 1

2. Пог Кули-бин 0,44 0,82 0,3 42,6 20 0 0

Таблица 2

Результаты проверки адекватности математической мо дели

№ п п. Гидрограф (пог, дата) 52{у}ост. 3 {У}общ.опыт. Гопыт. ("табл.

1. Лог Лызлово, 13.08.73г. 153.76 980.47 0,157 2.1

2. Лог Лызлово, 11.08.80г. 92,2 893,52 0,103 2,1

3. Лог Кулибин, 11.08.80г. 0,153 4,85 0,03 2,1

4. Лог Кулибин, 24.07.80г. 0,15 7,7 0,02 2,1

5. г. Кисловодск, водосбор №1 1,61 9,47 0,17 2,1

6. г. Кисловодск, водосбор №2 4,57 35,15 0,13 2,1

Рис. 5. Натурные и рассчитанные гидрографы стока: 1 - гидрограф, полученный путем математического моделирования; 2 - реальный гидрограф стока; 3 -кривая хода дождя; 4 - кривая хода потерь стока на впитывание в грунт

Кроме названных водосборов для проверки адекватности математической модели стока ливневых вод, были использованы материалы наблюдений Кисловодской метеостанции, входящей в Ставропольский краевой центр по гидрометеорологии и мониторингу окру-жаючцей среды. Для проверки математической модели стока был взят ливень, прошедший над водосборными бассейнами в ночь на 21 июня 2001г. Согласно данным МС «Кисловодск», количество осадков, выпавших на поверхность водосборных бассейнов, составило 150,2 мм за 8 ч 15 мин. Наблюдения за ходом изменения глубин выполнялись с интервалом в 1 час. Реальный и моделированный график хода изменения глубин во времени представлены на рис. 6. Во всех сравниваемых гидрографах Р0ПЫт. < Ртэ6л.. Следовательно, математическая модель ливневого стока с достаточной степенью достоверности описывает исследуемое явление.

Рис. 6. Графики изменения глубин: 1 - рассчитанный; 2 - реальный

4. Экспериментальные исследования процесса формирования стока ливневых вод методом математического моделирования

Расчет стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах должен учитывать сложный процесс одновременного взаимодействия комплекса показателей, характеризующих водосборный бассейн, с одной стороны, и комплекса показателей, характеризующих гидрометеорологические процессы - с другой. К комплексу показателей, характеризующих водосборный бассейн, следует относить: степень развития гидрографической сети, уклоны склонов и русел, показатели гладкости склонов и русел, характеристики фунтов по впитывающей способности и другие параметры. К комплексу параметров, характеризующих гидрометеорологические процессы, относятся такие, как: слой выпавших осадков, продолжительность ливня, направление прохождения ливневого фронта относительно простирания главного тальвега водосбора, скорости прохождения ливневого фронта над водосбором и другие показатели, учитывающие пространственную неоднородность параметров.

Процесс взаимодействия перечисленных параметров и учет влияния каждого из них на формирование максимальных расходов, объемов стока и уровней ливневых сточных вод устанавливались путем проведения экспериментальных расчетов с применением математической модели, представленной в главе 2 данной работы. Для проведения экспериментальных расчетов по установлению влияния метеорологических характеристик на формирование стока были взяты водосборные бассейны различной конфигурации и структуры (табл.3). А также были взяты два реальных ливня из полученных по результа-

там наблюдений - самый короткий и самый продолжительный. При выборе ливней учитывалась не только продолжительность, но и интенсивность, т.е. при всех прочих равных параметрах получался слой осадков максимальным. Так как в экспериментальных расчетах сток ливневых вод рассчитывается по реальным водосборным бассейнам, то и фунты по впитываемости приняты соответствующими реальным, подстилающим водосборные бассейны грунтам - суглинкам (рис. 7).

В реальных условиях ливневой фронт передвигается над поверхностью водосбора в определенном направлении, поэтому в экспериментальных расчетах предполагалось выяснить влияние направления передвижения ливневого фронта относительно направления стока по главному логу водосбора на формирование максимальных расходов и объемов стока.

Исходя из этих представлений, были взяты три основных направления движения ливневого фронта относительно направления стока по главному логу: первое направление «по стоку», второе направление «против стока» и третье направление «поперек стока» или ориентировочно перпендикулярно к основному направлению стока по главному логу.

В первой серии экспериментальных расчетов было установлено влияние прохождения ливневых фронтов относительно направления стока по главному логу. Примером рассматриваемого экс-

Таблица 3

Параметры экспериментальных водосборов_

Номер п./п. Длина водосбора по главному тальвегу, м Ширина водосбора в средней части, м Площадь водосбора км2 Уклон по тальвегу, %0 Шаг горизонталей, м Отношение B/L

1. 1460 600 0,74 1,1 0,5 0,4

2. 3000 300 1,00 0,5 0,5 0,1

3. 1000 850 0,75 1,0 0,5 0,85

4. 1340 1210 1,16 1,1 0,5 0,9

5. 1220 520 0,52 3,0 0,5 0,42

6. 3200 2010 4,76 8,5 5,0 0,62

7. 5400 2780 10,77 8,0 5,0 0,51

Рис. 7. Изменение расчетного слоя стока во времени для: а) - самого короткого ливня; б) - самого продолжительного ливня

Q (ы3/с)

Налраяпенм* прсюсождвмчя лменееого феокта над аодосворным Ойсовйном - "По стсису"

за

Время Т (мин)

Рис. 8. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1; в серии

экспериментальных расчетов при различном направлении прохождения ливневого фронта

Фронтальная граница ливневой тучи

ПротюгелюстьводосОоря 1340 м. Пропитанность тучи 1500 к.

Ливень N«25. Продолжительность ливня 15 мин. Тыловая (р8ииц) Время ходя сто«ш 10 ими. ливневой тучи

Ход пмновой тучи кад водосбором

Линия свободной поверхности поток» по ла? ^

Створ водопропускного сооружения автомобильной

дороги_

Шаг по логу •)

Створ водопропускного сооружем«) автомобильной дорош

Створ водораздела

Путь пройденный условной частицей воды от водораздела в данньй момент времени.

Время хода дом 14 ими.

Ход ливневой тучи над кэдосбором

Створ водораздела

Часпир воды достмтга завершающего створа

Створ водопропускного сооружения автомобильной дорога

Створ водораздела

Рис. 9. Формирование паводковой волны над водосбором №1, при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку по главному логу»

Протяженность водосбора 1340 м. Протяженность тучи 1500 м. Ливень №25. Продолжительность ливня 15 мин.

Тыловая граница ливневой тучи

Врой я хода стой 6 мин.

Ход ливневой тучи над водосбором

Фронтальная граница ливневой тучи

Линия свободной поверхности потока пологу Створ водопропускного сооружения автомобильной дорога_-ту/ у// - д

Время хода стоп 10 мин.

Створ водораздела

Шаг по логу

1

Ход ливневой тучи над водосбором

Створ водопропускного сооружения автомобильной дорога_

ТГТГГ7^

Створ водораздела

Время хода стока 20 мин., расход максимальный

Ход ливневой тучи над водосбором

Створ водопропускного сооружения автомобильной дороги_

б

т

Створ водораздела

Рис. 10. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока по логу»

периментального расчета является расчет стока по водосбору № 1. Величина максимального расхода составила 9,37 м3/с. Результатом экспериментального расчета является гидрограф стока ливневых вод (рис. 8), глубины потока по главному логу водосбора (рис. 9, 10). С продвижением ливневого фронта над водосбором по изменению глубин потока в русле водосбора можно судить о продвижении паводковой волны. За каждый расчетный интервал времени (Д/У=2мин) ливневой фронт, двигаясь со скоростью 6 км/ч, проходит путь, равный 200м. За время ливня равное (по наблюдениям) 15 мин, ливневой фронт пройдет путь равный 1500м. Протяженность водосбора по длине главного лога составляет 1460м, т. е. приблизительно равна протяженности ливневого фронта.

При движении ливневого фронта над водосбором в направлении «по стоку», начиная с седьмого уровня времени, т. е. по прошествии 14 мин от начала ливня, происходит полное перекрытие всего водосбора. Следовательно, ливневым фронтом перекрывался весь водосбор с одновременным ходом ливня над всей площадью. Но так как протяженность ливневого фронта почти равна протяженности водосборного бассейна, то продолжительность полного перекрытия площади водосборного бассейна во времени была незначительна.

Изменчивость параметров стока во времени отражает принятая в математической модели система дифференциальных уравнений. Это соответствует реальному процессу формирования стока ливневых вод, с реальных водосборных бассейнов, с максимальным учетом стокоформирующих факторов. Как видно из графика изменения глубин (см. рис. 9), максимальное значение расхода наступило в момент достижения «ядра» ливня завершающего створа водосбора. Это соответствует 26 мин хода стока. В то же время лог у водораздела, как видно из графика изменения глубин, уже освобождается от поверхностного стока ливневых вод (см. рис. 9). Далее с прохождением ливневого фронта над водосбором наступает спад паводка. Паводковая волна все далее уходит от водораздела к завершающему створу. Происходит постепенное уменьшение глубин и уменьшение расхода стока до полного осушения лога.

Одновременно с расчетами максимальных расходов математическая модель предоставляет возможность установить влияние неустановившегося и неравномерного режима потока жидкости с изменяющейся массой потока по длине на время добегания «условной элементарной частицы» жидкости от водораздела до завершающего створа (см. рис. 4). Учитывая, что в каждый расчетный интервал времени А(;, на каждом расчетном интервале длины лога водосбора Д/„; известна скорость потока воды у„;, то «условная элементарная час-

тица» воды пройдет путь за расчетный интервал времени, который определится как

= ^ (м). (6)

Таким образом, начиная от водораздела, т.е. на первом расчетном шаге по длине русла (п=1) и на первом уровне времени (¡=1) определяется расстояние, пройденное «условной элементарной частицей» воды З^ДЭ!. При переходе на следующий уровень по времени Ц=2) математической моделью определяется место положения «условной элементарной частицы» в соответствии с расстоянием, пройденным на предыдущем уровне времени. Тем самым определяется индекс расчетного шага по длине русла - п, и значение скорости потока воды в русле принимается в соответствии с индексом - \/п. Далее определяется отрезок пути, пройденный «частицей» воды на втором уровне времени Д52. Затем определяется суммарный путь, пройденный частицей воды от водораздела за два уровня времени и т. д., т.е.

(7)

Аналогично определяются расстояния, пройденные «условной частицей» ливневой воды на всех последующих уровнях времени до тех пор, пока она не достигнет завершающего створа. За время добега-ния принимается момент достижения частицей завершающего створа, т.е.

Аэоб = А]'} - мин- (8)

где у - число уровней времени до момента достижения «условной частицей» завершающего створа; - расчетный интервал времени,

мин.

В рассматриваемом экспериментальном расчете время достижения «условной» частицей завершающего створа наступило на 7 - м уровне времени или на 14 мин паводка. В то же время продолжительность ливня составляет 15 мин. Основываясь на принципе «предельных интенсивностей», можно сказать, что данный ливень является расчетным для данного водосбора по продолжительности, т. е. время добегания «условной элементарной частицы» равно продолжительности ливня. Но пик паводка наступил несколько позже, на 22 мин стока. В данном случае можно сказать, что добегание «условной элементарной частицы» в сочетании с достижением завершающего створа водосбора паводковой волны дает максимальный расход стока с данного водосбора.

Следующий экспериментальный расчет выполнен при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока» над тем же водосбором, при орошении его тем же ливнем. Гидрограф стока, полученный в результате этого экспериментального расчета, представлен на рис. 8. Максимальное значение расхода стока ливневых вод со-

ставляет 6,36 м3/с. Поскольку в данном экспериментальном расчете имеет место продвижение ливневого фронта «против стока», т. е. в направлении от завершающего створа к водоразделу, то в этом случае контролировать в процессе расчета стока время добегания «условной элементарной частицы» воды теряет смысл, так как заранее видно, что сток начинается с той части площади, которая перекрыта ливневым фронтом, а эта часть значительно меньше всей площади водосбора, и процесс формирования ливневого стока в рассматриваемом экспериментальном расчете происходит по другой схеме, в отличие от прохождения ливневого фронта по направлению стока. Кривые свободной поверхности глубин потока в этом случае представлены на рис. 10. Разность величин максимальных расходов в данных экспериментальных расчетах составляет 3,01 м3/с. Это объясняется недостаточной концентрацией выпавших ливневых осадков на поверхность водосбора в завершающем створе водосборного бассейна, так как при перемещении ливневого фронта над водосборным бассейном в направлении «против стока», до того как ливневой фронт достигнет границ водосбора, т.е. водораздела, значительная часть ливневых осадков стекает с уже перекрытой ливневым фрон-

Тьшовая граница ливневой тучи

\

Время хода сто« 10 мин.

Ход ливневой тучи над водосбором в направлении от склона 1 к склону 2

Фронтальная граница ливневой туш

Склон 1

Линия свободной поверхности потока по склону 1

Склон2

Линия свободной поверхности потока по склону 2

\ со стороны склона 1 Створ главного лога / водосбора

Створ водораздела со стороны склона 2/

Рис. 11. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «перпендикулярно главному логу»

том площади водосбора, тем самым ослабляя концентрацию стока ливневых вод на водосборной площади, в отличие от прохождения ливневого фронта в направлении «по стоку», и как бы выключая часть водосборной площади из процесса формирования максимального расхода стока.

Пик паводка в данном случае наблюдается на 10-м уровне времени, что соответствует 20 мин от начала ливня и от начала хода

процесса стока. При этом следует отметить, что спад паводка происходит более стремительно, чем подъем. Это объясняется опять же меньшей концентрацией стока на водосборном бассейне, в отличие от прохождения ливневого фронта «по стоку», где интенсивность спада паводка условно можно считать совпадающей с интенсивностью подъема, т. е. гидрограф стока практически симметричен относительно вертикали с максимальным значением расхода стока.

При прохождении ливневого фронта поперек стока, т. е. в направлении перпендикулярном стоку, максимальный расход имеет значение 7,64 м3/с на 22 - й мин паводка. В данном случае имеет место влияние ширины водосбора. В средней части она составляет 600 метров, что более, чем в два раза меньше протяженности лога (см. табл. 3). Поэтому сказывается влияние на формирование величины максимального расхода стока формы водосборного бассейна, а именно соотношение длины лога водосбора и его ширины. О процессе формирования стока при прохождении ливневого фронта можно судить по изменению глубин стока по склонам водосбора (рис. 11). На склонах водосбора происходит формирование паводковой волны при продвижении ливневого фронта. Причем на склоне 1 паводковая волна формируется в направлении «по стоку», а на склоне №2 паводковая волна формируется в направлении «против стока». Поэтому, как и в случае прохождения ливневого фронта в направлении «против стока» по логу водосбора, склон N92 в процессе формирования стока участвует частично вследствие того, что часть стока успеет достичь лога водосбора прежде, чем ливневой фронт достигнет линии водораздела на склоне №2.

Форма водосбора, в которой преобладающее влияние на формирование стока оказывают склоны водосбора, должна иметь лог значительно короче склонов. Такая форма естественных водосборов встречается очень редко и, как правило, имеет искусственное происхождение, например, сток с придорожной полосы отвода. Преобладающее количество водосборов в рельефе при пересечении их трассой проектируемой автомобильной дороги имеет протяженность лога водосбора от приблизительно равной суммарной протяженности склонов до вытянутой в направлении протяженности лога. Кроме того, в процессе прохождения ливневого фронта в направлении по протяженности лога («по стоку» или « против стока») в формировании максимального расхода стока принимают участие одновременно оба склона водосбора. Это является основной причиной того, что при прохождении ливневого фронта в направлении по протяженности лога значение максимального расхода больше, чем при прохождении ливневого фронта поперек водосборного бассейна.

Результаты массового численного эксперимента показали, что формирование стока ливневых вод происходит аналогично рассмотренным, т.е. на поверхности водосборного бассейна происходит формирование паводковой волны.

В следующей серии экспериментальных расчетов выявлено влияние скорости прохождения ливневого фронта на величину максимального расхода и объема стока.

Параметры ливня и водосборного бассейна были приняты аналогично применяемым в экспериментальных расчетах при анализе влияния направления прохождения ливневого фронта. Серия экспериментальных расчетов проводилась при прохождении ливневого фронта как «по стоку», так и «против стока».

Для выявления влияния скорости прохождения фронта экспериментальные расчеты выполнялись при скоростях прохождения ливневых фронтов 3 км/ч и 10 км/ч.

Гидрографы стока данной серии экспериментальных расчетов (рис.12) выполнены при скорости прохождения ливневого фронта 3 км/ч.

Направление прохождения ливневого фронта

О (м /с)

над водосборным бассейном - "По стоку"

<3 (м /с)

42 48

Время 7" (мин) Направление прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном - "Против стока"

42 48

Время Т(мин)

Рис. 12. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1; в серии экспериментальных расчетов при различном направлении прохождения ливневого фронта со скоростью 3 км/ч

Протяженность водосбора 1340 м. Протяженность тучи 750 м. Лквонь №25. Продоляжтвпмюсть давня 16 «ми. Время кода стой 15 мин.

Ход яшневойтучм над водосбором

Фронтальная фаницз --__-. Тыловая граница

птъвову/чл ____\л5знеас«туч»

Ляшя скобочкой гозорхяосги потока по логу

Створ водопропускного сооружав ттотГкшмоЯ

Ш™.-/ 1 2 Шаг по ло(у

Время хода сто«» 21 иин.

_ Ход ливневой тучи над водосбором

Фронтальная граница

лнокеоой тучи ,-Т -«¡й—< к

-'-—X ттгкеооЯ тучи

Линия свободной поверхности потока по яму

оюрутню тоыобилмюй р^^жТ^11 4 5

Д0^-// 2 3 Шаг по логу

Время хода стока 33 мин., расход матсиматлый

Ход кионесон тучи над водосбором Тыло0ая фдмицэ

л I........—С лкшадаойтучи

Фронтальная гребца." ----------

ливнвввйтучи / Линия свободной поверхности дотока гю логу

Шаг по логу

Рис. 13. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку в главном логу» со скоростью 3 км/ч

11рсляхааиностьвадосоора 1-мим. иротяжемиосгьтучл^м Ливень №25. Продогаипелшхгть лйвня 15 мин. Врюш дам» стш 15мян.

Ход меновой тум »ад водосбором

«Июмтааигюфдаед _— V--1 Типовая грана»

лкенезойту* ^^

Пинт сьодсщАгюж1»ох>ы помаю ^

Стаорюдятрлтусяко'о дороги

Время хода ския И мин.

Ход туч»» ¡куждарш

Шзгпопиу

Время ход» сто» 30 июц расход иашяшаьный

Френгалыая ¡рожу» Пкшя ая^нсймяврхност пета прлор

Ход гя®йбо>< ту« нзд взд«*йрем

Тыловая фю«ца пйзмезойтучя

Шзгпап»у

Рис. 14. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока в главном логу» со скоростью 3 км/ч

Направление прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном - "По стоку"

12 16 20 24 28

~1—Г 32 Время Т(мин)

Направление прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном - "Против стока"

16 20 24 28 32 Время Г (мин)

Рис. 15. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1; в серии экспериментальных расчетов скорость 10 км/ч

Протяженность водосбора 1340 м. Протяженность тучи 2500 н. Ливень №25. Продолжительность лиеня 15 мин. Время дода стек« в мин.

Фронтальная границе ливневой тучи

Ход ливневой тучи над аадосборэм

Лиииясвободной поверхности гжтжа по логу { I г

Створ ведрпролуомого Створ водциадвпа /

сооружения автомобильной ^^^ГШ'ТГ^' Тыловая граница /

Дороем

1 * Шагпологу время хода стока 14 мкн.

ливневой тучи

Ход пизневой тучц над водосбором

Г Фронтальная граница —С \^ливнввой гучи

Тыловая граница "Т-^^лививвой тучи

Линия свободной поверхности потока по ло»у Створводопропускного 1 _ к-уДууСтаорводораздела

сооружения автоыобшьно^ '

I

1 Шаг пологу

Время хода стою 20 мии^ расход макйммаоьиый

Тыловая граница ливневой туе»

1 ^ Шэгполсяу

Рис. 16. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку в главном логу» со скоростью 10

км/ч

Линия саободтой поверхности тотота полосу ^ -

Протяженность водосбор» 1340 и. Протяженность ту* 2500 в. Ляякь №25. ГЦюдолмгелыюсл птт 15 «и». Вргия ходе стоя С им

Ход тмимо* тучи над ищосаоро«^

■ ' —--1 Фрокталыдафаинца

Гшюткгртт ' 1 1 \лшнто»туч. \ лннноаод тучи Дминя свободной паирхмосш потопа го лоту 4--

тт--/, г

ВрммтмспаНшм.

___I_

^яс^^по«^аполог,

--1 2 ШогянюГ

Зр»Ш1 «ЦИ СТОЫ 2В *»н,, расход Кяанндльнь»!

Тыловая грамщз )здляияюйчч.яадвадк0о(»«| I лшнево*туч» _. ' ^ --|

Чг «у ъшг^гр^ц./

Опор воволропуоомго /

соорумм» мт4 'Сшор ввдоридаа

Рис. 17. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока в главном логу» со скоростью 10 км/ч

Величина максимального расхода стока при движении ливневого фронта в направлении «по стоку» составила 5,98 м3/с, а против стока - 5,45 м3/с. Время наступления максимального расхода стока при движении ливневого фронта «по стоку» составило 33 мин, а при движении ливневого фронта в направлении против стока 30 мин. Следует обратить внимание на отличие формы гидрографа при движении ливневого фронта в направлении «по стоку» и «против стока».

Ветвь подъема гидрографа при движении фронта «по стоку» имеет вогнутый вид, а при движении ливневого фронта «против стока» -выпуклый, что указывает на то, что интенсивность притока к проектируемому водопропускному сооружению во втором случае значительно выше. Но в то же время ветвь сброса гидрографа стока при движении ливневого фронта в направлении «по стоку» имеет выпуклый вид, в отличие от ветви сброса при движении «против стока». Это указывает на то, что приток ливневой воды к сооружению проходит более интенсивно, но менее продолжительно. Формирование паводковой волны в данной серии экспериментальных расчетов представлено на рис. 13 и 14. Характер формирования максимальных расходов стока указывает на волновую природу формирования стока ливневых вод. При прохождении ливневого фронта против стока макси-

мальный расход стока наступает в тот момент, когда начинается спад глубин потока и возрастают скорости движения ливневых вод по поверхности водосбора. В экспериментальных расчетах, результаты которых представлены на рис. 15, 16 и 17, ливневой фронт продвигался над водосборным бассейном со скоростью 10 км/ч. Характер формирования гидрографа стока аналогичен процессу формирования стока при скорости движения ливневого фронта 3 км/ч, т.е. вогнутость и выпуклость соответствующих ветвей подъема и спада гидрографа аналогичны предыдущим экспериментальным расчетам. Но величины максимальных расходов как при движении «по стоку», так и «против стока», превышают величины максимальных расходов при движении ливневого фронта со скоростью 3 км/ч. Величина максимального расхода при движении ливневого фронта по стоку равна 10,11м3/с, а при движении ливневого фронта против стока 9,25 м3/с.

В результате увеличения скорости прохождения ливневого фронта над водосборной площадью при фиксированной длительности ливня слой выпавших осадков на поверхность водосборного бассейна также возрастает. Объясняется это тем, что при движении ливневого фронта со скоростью 3 км/ч и продолжительности ливня 25 мин протяженность самого ливневого фронта составит 1,25 км. А при движении ливневого фронта со скоростью 10 км/ч при той же продолжительности ливня 25 мин протяженность ливневого фронта составит уже 4,17 км. При прохождении ливневого фронта над водосбором, слой выпавших осадков следует определять исходя из времени прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном (рис. 18), которое определится как

5

7 =- , мин, (9)

°тучи

Направление движения ливневого фронта

С

О

3

С'

Рис. 18. Схема формирования расчетной продолжительности ливня при прохождении ливневого фронта над водосбором

где Т - полное время прохождения ливневого фронта над водосбором, от начала ливня до его окончания, мин; 8 - полный путь, проходимый ливневым фронтом над водосборным бассейном за время ливня, начиная с фронтальной его части от водораздела, заканчивая его тыловой частью над створом проектируемого сооружения автомобильной дороги, определяемый как Э = Цоаа+^ф, км,

где ¿лога - протяженность лога водосбора, определяется по материалам топографической съемки местности, км; протяженность ливневого фронта, определяемая как 1лф = итучи -Тливня, км.

Анализ влияния метеорологических параметров на процесс стока ливневых вод, выполненный в ранее представленных сериях, показывает, что момент наступления максимального расхода в створе проектируемого водопропускного сооружения на автомобильной дороге непосредственно имеет связь с достижением этого створа паводковой волной. На водосборном бассейне имеет место перемещение створа с максимальным расходом по главному логу, т.е. перемещение паводковой волны.

Из экспериментальных расчетов следует, что за время достижения паводковой волной створа проектируемого водопропускного сооружения следует принимать время достижения сечения с максимальным расходом, движущимся по главному логу водосбора, указанного створа

'„волям =л/-у,мин, (10)

где у- число уровней времени до момента достижения паводковой волной завершающего створа.

При известном времени достижения паводковой волной завершающего створа водосбора и известной длине главного лога водосбора скорость достижения паводковой волной завершающего створа определится как

°п.волны = !~ПОга .КМ/МИН, (11)

1п.волны

Для выявления степени влияния поверхностных характеристик водосборов на скорость достижения паводковой волной завершающего створа и получения экспериментальных зависимостей были выполнены экспериментальные расчеты путем математического моделирования на ПЭВМ.

На основании полученных данных было установлено, что скорость формирования паводковой волны является одной из основных величин, влияющих на формирование максимального расхода, и исследовались следующие факторы на иямюы : величины уклона лога -

1лога ■' коэффициента шероховатости лога - тлога; длины лога - Lnoea\ скорости прохождения ливневого фронта (тучи):

ип волны — * тучи J

(12)

Графически изменения v„Mm представлены на рис. 19. По результатам многочисленных экспериментов на ПЭВМ для определения ипеоты была получена следующая зависимость:

«w« = о,016.к„ км/мин. (13)

где ки - коэффициент, представляющий собой отношение скорости паводковой волны при конкретных параметрах русла к скорости паводковой волны при минимальных параметрах русла и скорости движения ТуЧИ, Т. е. При итучц=3км/ч-, i-лтт = 250м; тлт,п = 5; 'логаmin = 0,0001 минимальная скорость паводковой волны, полученная в экспериментальных расчетах, имеет значение vaJam =о,о1бш/лшн.

Из этих данных следует, что коэффициент Kv - есть функция от частных коэффициентов, т.е. Kv=f{vmy4i/vmy4u min, Lnosa/L„ т,„, 1„ога), и, следовательно, должен учитывать влияние этих коэффициентов, т.е.

KCKm>KL>Ki-

Ko-Kckm1-Kl.K,. (14)

Определение коэффициента Kv с учетом показателя гладкости русла целесообразно разделить на три характерных для встречающихся в практике проектирования автомобильных дорог пересекаемых русел и логов временных водотоков, группы: первая группа -сильно заросшее русло в завалах и валунах - шл =5...20; вторая группа - русла, покрытые невысокой луговой растительностью, выгон, пашня, ровный луг с редкой травой - тл =го...зо; третья группа - русла и поверхности с гладкой, спланированной, хорошо укатанной поверхностью, асфальтобетон, цементобетон - т„>30.

Частные коэффициенты характеризуют влияние отдельных параметров на формирование паводковой волны: Кскт- влияние скорости перемещения ливневой тучи над водосбором; KL- влияние длины лога; Kt - влияние уклона лога.

По экспериментальным данным формирования паводковой волны были получены следующие зависимости коэффициента скорости при различных показателях гладкости водосбора: для тл = 5...20

Скорость прохождения ливневого фронта 3 км/ч

. 1 I Г I I -

0.01 0 03 005 0.07 0.08

уклон лога

1 Т I

101 0.ОЗ 0.05 0.07 ООО

уклон лога

от 00} 0.05 0.07

_уклон лога

Скорость прохождения ливневого фронта 6 км/ч

001 <ШЗ 0.05 а07 0.1

уклон лога

Скорость прохождения ливневого фронта 15 км/ч

уклон лога

0.01 0.03 аш 0.07 0.09

уклон лога

0.О1 ОГО 0-05 0 07

уклон пага

Рис. 19. Графики скоростей паводковой волны в зависимости от параметров водосборного бассейна при различных скоростях прохождения ливневого фронта

ДЛЯ т„ =20...50 ДЛЯ тл > 50

К2,4-К^-К".КГ ,

1<" I/ 0.5 ¿с 0,3 1X0,09

(16) (17)

Таким образом, скорость движения паводковой волны в зависимости от скорости прохождения ливневой тучи, длины лога, уклона лога и показателя гладкости лога представляется возможным определить по зависимости (13).

5. РАСЧЕТ СТОКА ЛИВНЕВЫХ ВОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ДОРОГАХ

В данной главе выполнен анализ результатов экспериментальных расчетов, из которых следует, что длительность ливневого паводка состоит из двух основных периодов: первый период - время подъема паводка, второй период - время спада паводка. Продолжительность периода подъема паводка определяется временем, за которое паводковая волна проходит путь от водораздела до расчетного створа (створа проектируемого сооружения на автомобильной дороге) по руслу главного лога. Второй период - время от момента достижения паводковой волной расчетного створа до полного осушения водосборного бассейна от ливневой воды.

Первый период формирования стока уже рассмотрен. Для него характерно совместное стекание ливневых вод по склонам и руслу водосбора по мере открытия ливневым фронтом площади водосборного бассейна.

Для определения времени спада паводка после прохождения тыловой границы ливневого фронта путем экспериментальных расчетов были получены значения коэффициента времени спада Ксп. Коэффициент Ксп - есть отношение времени спада паводка после прохождения ливневой тучи над водосборным бассейном ко времени подъема:

Анализ данных экспериментальных расчетов показал, что основным фактором, влияющим на значение коэффициента Ксп, является отношение длины лога к ширине водосборного бассейна в средней части 1_пога!в- По полученным осредненным экспериментальным значениям был установлен вид эмпирической зависимости, т.е. установлен К„=^лога/в).

Для невпитывающей поверхности Ксп имеет вид:

Таким образом, время спада паводка с учетом коэффициента спада паводка Ксп определится как

К - Г<

' п яг

п.волны

(18)

(19)

Та — ^сп ' Тц .волны ' (^0)

С целью учета влияния на время спада паводка потерь на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт были выполнены экспериментальные расчеты при различных грунтах по степени впитываемости. При этом потери стока на впитывание, а следовательно, и объем стока изменяются от 10 % до 70% в зависимости от рода подстилающих поверхность водосборного бассейна грунтов.

Анализ материалов математического моделирования стока ливневых вод показывает, что процесс потерь фактически прекращается после прекращения стока и не заканчивается на момент прекращения ливня. Так как сток по поверхности водосборного бассейна направлен от водораздела к расчетному створу, то и осушение поверхности водосборного бассейна происходит в том же направлении. Следовательно, определение слоя стока необходимо выполнять по схеме, представленной на рис. 20.

Слой стока с учетом потерь на Слой стока с учетом потерь на

впитывание на момент впитывание на момент

прекращения ливня, а-Н (мм) завершения стока, а-КпгН (мм)

Рис. 20. Схема учета потерь на впитывание при формировании слоя стока

По результатам экспериментальных расчетов получены эмпирические зависимости для определения коэффициента спада паводка Ксп для каждого вида фунтов: Категория II, грунт - глины

Ken = 2,71 ■ f —^-j

V L лова J

Категория III, грунт - суглинки

Ксп =2,37

Категория IV, грунт - супесь

Л0,25

=2,0) '

(21)

в_у-23 . (22)

(23)

Категория V, грунт - пески

Ксл =1,78 •

(24)

Таким образом, определив время спада и далее полное время формирования гидрографа, представляется возможным определить величину потерь стока на впитывание для каждого вида грунтов, подстилающих конкретный водосборный бассейн до полного осушения водосборного бассейна.

Существующая в настоящее время методика расчета параметров ливневого стока основана на принципе предельных интенсивностей. Такой подход к решению данной пространственно-временной задачи в то время был оправдан, так как охватить наблюдением обширнейшие территории, на которых необходимо установить закономерности процесса формирования ливневого стока, не представлялось возможным из-за пространственно - временного фактора исследуемого явления. Расчет величины максимального расхода стока выполняется по формуле

РК =16>7• а«с. -КгР-а-<р, М3/С, (25)

где Р - площадь водосборного бассейна, км2; ач - интенсивность ливня часовой продолжительности (мм/мин), в зависимости от ливневого района и вероятности превышения паводка (ВП%); а - коэффициент потерь стока, учитывающий впитывание и смачивание растительности, принимается по таблицам нормативных документов; <р -коэффициент редукции, учитывающий неравномерность выпадения осадков по площади водосбора, принимается в зависимости от величины площади водосборного бассейна; Кг коэффициент приведения интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной продолжительности.

При исследовании процесса стока ливневых вод с применением математической модели было установлено, что основным параметром наступления момента максимального расхода является время формирования паводковой волны при прохождении ливневых фронтов над водосборной площадью. Следовательно, для перехода от ливня часовой интенсивности к ливню расчетной интенсивности для конкретного водосборного бассейна представляется возможным применить время формирования паводковой волны, которое можно определить по формуле

7-,«™= т/=*-(МИН.), (26)

•'п. волны

где Ц10га - протяженность главного лога водосборного бассейна, считая от самой удаленной точки на водоразделе до створа проектируемого водопропускного сооружения на автомобильной дороге, (км); Ц».волны ~ скорость паводковой волны, движущейся по главному логу водосбора во время прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном в направлении по стоку (км/мин).

В расчетах коэффициента перехода от ливня часовой интенсивности к ливню расчетной интенсивности необходимо применять скорость движения паводковой волны по главному логу водосборного бассейна, т. е.

К( =

(вп 1/ \2/3 ' п. волны

(27)

ч лога ;

Скорость прохождения паводковой волны следует определять по эмпирической формуле (13).

Далее для расчета необходимо определить время спада паводка. Оно определяется по зависимости (20). Зная время спада паводка, можно определить коэффициент потерь стока после прекращения ливня - Кп. Коэффициент Кп следует определять по зависимостям, полученным для разных видов грунтов с учетом времени спада: для глин

-0,13 -К^6 , (28)

для суглинков

К„=0,18-К°с-п63 , (29)

для супеси

Кп = 0,23 • , (30)

для песков

К„=0,28-К°с'„7. (31)

Объем ливневого стока следует определять по формуле

И/=60000а^^? (м3). (32)

у/К,

С целью установления возможности применения полученных зависимостей и методики для расчета стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны были выполнены расчёты стока по двенадцати водосборным бассейнам с различными параметрами. По полученным результатам расчета стока были приняты основные размеры водопропускных сооружений на автомобильных дорогах в соответствии со СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы».

Предполагаемая экономическая целесообразность применения методики расчета стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах оценивалась по строительной стоимости. Расчеты показали, что при протяженности лога водосборного бассейна до »1,5 км величины максимальных расходов меньше, чем по традиционной методике. Отличие составляет в отдельных случаях до 40 - 45%. В то же время при протяженности главного лога водосборного бассейна более указанной величины наблюдается увеличение величин максимальных расходов в отдельных случаях до двух раз. Это же имеет место и при моделировании стока на математической модели. Получение больших значений максимальных расходов заставляет применять большие размеры водопропускных сооружений, т.е. принять более обоснованные проектные решения с позиции повышения надежности их работы. В то же время пониженные величины максимальных расходов стока позволяют исключить необоснованные затраты.

Волновой характер формирования стока ливневых вод особенно проявляется при более протяженных логах водосборных бассейнов. Наблюдается также ситуация, когда максимальные расходы стока имеют незначительное отличие. При этом объемы стока отличаются значительно. В сравнительных расчетах, при относительно равных типоразмерах назначаемых водопропускных сооружениях имеет место уменьшение либо увеличение отметки насыпи земляного полотна за счет изменения величины подпора перед сооружением, а также укрепительных мероприятий в нижнем бьефе водопропускного сооружения. Все водопропускные сооружения запроектированы на безнапорный режим работы.

Анализ данных стоимости водопропускных сооружений показывает, что даже при одинаковых диаметрах труб экономический эффект составляет до 1,5%. Максимальный экономический эффект составил 36,7 %.

Заключение

Представленные в данной работе, полученные автором, результаты заставляют переосмыслить процесс формирования стока ливневых вод в виду следующих причин:

в настоящее время неудовлетворенность положения в теории и практике гидрологических расчетов при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах все более подчеркивает насущную необходимость их модернизации и совершенства;

выполненные автором наблюдения за процессом прохождения ливней показывают на нестационарность гидрологических данных. Создалась ситуация, когда методы расчетов стока ливневых вод при наличии используемых в настоящее время наблюдений (получение эмпирических и аналитических зависимостей, кривых распределения на материалах гидрометрических данных), теряют свою состоятельность из-за антропогенных изменений в атмосфере, литосфере, биосфере и т.д. В качестве основы для создания методов гидрологических расчетов нового поколения должно служить математическое моделирование всего комплекса процессов составляющих в конечном результате формирование стока ливневых вод. В данной работе впервые сформулированы и определены новые наиболее целесообразные компоненты комплекса гидрологических изысканий и расчетов в транспортном строительстве как новое научное направление.

Исходя из выше сказанного, следуют следующие основные выводы:

1. В настоящее время назрела острая необходимость детально исследовать объект моделирования, в данном случае - процесс формирования стока ливневых вод. Таким образом, проблема заключается в методологических аспектах технологии моделирования ливневого стока при расчетах системы водоотвода и водопропускных сооружений на автомобильных, железных дорогах и аэродромах

2. В данной работе представлены и обоснованы новые методологические основы технологии математического моделирования стока ливневых вод на основе представления поверхности водосборного бассейна в виде математической модели.

3. Для описания движения ливневых вод по поверхности схематизированного математической моделью водосборного бассейна впервые применяется система дифференциальных уравнений неустановившегося и неравномерного потока жидкости с переменной массой по длине потока.

4. В работе впервые представляется возможность исключить ранее сделанные допущения, характерные для существующей ныне технологии гидрологических изысканий и расчетов стока ливневых вод, а именно: движение поверхностных вод допускалось равномер-

ным; ход ливня постоянным во времени; ход потерь на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт, также постоянным во времени; поток по своей протяженности рассматривался как поток с постоянной массой по длине; не учитывались новые значимые факторы, такие как скорость и направление прохождения ливневых фронтов. Следовательно, существующие методы расчета параметров стока не могли дать результат, который бы максимально учитывал реальный процесс. Что, в свою очередь, влияло на принятие надежных и качественных решений при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных и железных дорогах.

5. По результатам выполненных исследований впервые установлено, что величина максимального расхода зависит от скоростей и направления прохождения ливневых фронтов относительно направления стока в русле водосборного бассейна.

6. Обнаружено новое явление в гидрологии - процесс формирования максимального расхода имеет волновой характер, и величины максимальных расходов при прохождении ливневых фронтов над водосборными площадями формируются независимо от времени до-бегания «условной элементарной частицы жидкости» от водораздела до створа проектируемого водопропускного сооружения. Сам процесс добегания имеет неустановившийся характер и, следовательно, является частным случаем при определенных условиях, свойственных отдельным регионам территорий земной поверхности.

7. Впервые установлено, что потери стока ливневых вод на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт не заканчиваются с окончанием ливня, а продолжаются до полного освобождения поверхности водосборного бассейна от поверхностного стока, что также имеет нестационарный характер.

8. На основании данных результатов моделирования стока ливневых вод получены экспериментальные зависимости для определения величин максимальных расходов в зависимости от времени формирования паводковой волны, параметров водосборного бассейна скорости и направления прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном. Также получены зависимости для определения потерь стока на впитывание до полного осушения поверхности водосборного бассейна;

9. Для более точного определения величин максимальных расходов необходимо привлекать новую информацию по регионам территорий земной поверхности о скоростях и направлении прохождения ливневых фронтов. Эта информация ранее не привлекалась для расчета максимального расхода стока. Но как установлено, она оказывает существенное влияние на характер ливневого стока. На дан-

ный момент это возможно при использовании данных космической съемки в реальном времени;

10. Выполненное экспериментальное проектирование водопропускных сооружений показало, что применение методики расчета стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны позволяет снизить строительную стоимость водопропускных сооружений в среднем до 15%. Снижение строительной стоимости достигается за счет учета во вновь разработанной методике расчета стока дополнительных факторов, влияющих на формирование максимальных расходов и объемов стока ливневых вод, а также за счет того, что в основе коэффициента К, - перехода от ливней часовой интенсивности к ливням расчетной интенсивности положен принцип формирования паводковой волны на поверхности водосборных бассейнов при учете одновременного взаимодействия явлений происходящих в атмосфере и параметров водосборных бассейнов.

11. Весь комплекс результатов исследований позволяет квалифицировать данную работу, как решение крупной научной проблемы планетарного характера по гидрологическому обоснованию проектных решений водопропускных сооружений транспортного комплекса, в условиях постоянно изменяющихся параметров.

Выполнение дальнейших исследований планируется проводить в направлении получения и разработки методики и технологии детальных расчетов водопропускных сооружений транспортного комплекса с учетом новых установленных факторов. Существенными задачами в данном направлении являются задачи получения поля скоростей по поверхности водосборных бассейнов, с дальнейшим прогнозом деформации рельефа, переносом наносов и установлением характера заиливания отверстий водопропускных сооружений. Установления наиболее выгодных условий для назначения мероприятий по решению экологических проблем, в частности переноса, загрязнения и очистки вод ливневого стока. Разработка способов аккумулирования вод ливневого стока в условиях дефицита пресной воды для хозяйственных нужд.

Основные опубликованные работы по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Цифровая модель водосбора для проектирования водопропускных соружений / И.В. Чистяков II Транспортное строительство. -2008. - № 4. - С. 28-30.

2. Комплексная оценка процесса формирования ливневого стока методом математического моделирования / И.В. Чистяков // Транспортное строительство». - 2008. - № 5. - С. 7-8.

3. Зависимость максимального расхода стока от направления прохождения ливневого фронта / И.В. Чистяков // Транспортное строительство.-2009. № 1.-С. 12-15.

4. Влияние скорости прохождения ливневого фронта на формирование стока ливневых вод / И.В. Чистяков // Транспортное строительство. -2009. - № 2. - С. 12-14.

5. Влияние поверхностных характеристик водосборов на формирование паводковой волны / И.В. Чистяков // Транспортное строительство. - 2009. - № 4. - С. 13-15.

6. Формирование продолжительности ливневого стока с малых бассейнов с учетом потерь на впитывание / И.В. Чистяков Н Транспортное строительство. - 2009. - № 5. - С. 20-21.

7. Расчет стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны / И.В. Чистяков // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2010. -№ 4.-С. 10-21.

8. Экономическая эффективность методики расчета стока ливневых вод на основе паводковой волны/ И.В. Чистяков // Транспортное строительство. - 2011. - № 3. - С. 5 - 7.

9. Влияние разработки карьеров на сток ливневых вод с водосборных площадей / И.В. Чистяков, Ю.Э. Васильев // Строительные материалы. - 2011. - № 9. - С. 84 - 85.

10. Формирование стока ливневых вод при урбанизации водосборных площадей водопропускных сооружений / И.В. Чистяков II Наука и техника в дорожной отрасли. - 2011. - № 3. - С. 41 - 42.

Работы, опубликованные в изданиях, которые не входят в список ВАК РФ

11. Компьютерное моделирование стока ливневых вод /И.В. Чистяков // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2005. - № 4. - С. 16-17.

12. Чистяков, И.В. Математическая модель стока ливневых вод с малых водосборных бассейнов при проектировании автомобильных дорог / Г.А. Федотов, И.В. Чистяков II Проектирование искусственных сооружений на автомобильных дорогах: сб. научн. тр.; МАДИ. - М., 1983.-С. 37-40.

13. Чистяков, И.В. Анализ влияния характеристик водосбора на формирование стока ливневых вод // Русловые процессы на мостовых переходах: сб. научн. тр.; МАДИ. - М., 1986. - С. 67 - 69.

14. Чистяков, И.В. Математическое моделирование стока ливневых вод с малых водосборов /Г.А. Федотов, И.В. Чистяков // Совершенствование методов изысканий и проектирования автомобильных дорог и мостовых переходов: сб. научн. тр.; ГипродорНИИ. - М., 1988. - С. 77-80.

15. Естественное очищение водосборных площадей под влиянием поверхностного стока: регион, научн. конф. (1994; Брянск). Материалы

региональной научной конференции «Экологические проблемы региона» 16-17 февр. 1994 г. / Брянский технологический ин - т. - Брянск: РИО БрТИ, 1994. -140 с. (соавт. Микрин В.И., Кузьменко Н.И.).

16. Чистяков, И.В. Математическое моделирование стока ливневых вод в решении экологических проблем на автомобильных дорогах /Г.А. Федотов, И.В. Чистяков // Экология Строительство Проектирование: сб. научн. тр.; БрТИ. - Брянск., 1995. - С. 121 - 123.

17. Совершенствование методов расчета малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах (1997; Брянск): материалы научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» 17-19 февр. 1997г. / Брянская государственная инженерно-технологическая академия. - Брянск: РИО БГИТА, 1997. -164с.

18. Решение проблем водоотвода на автомобильных дорогах средствами математического моделирования стока ливневых вод (1998; Омск): материалы II Международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири» 13-17 февр. 1998г. / Сибирский автомобильно-дорожный ин-т. - Омск: Изд-во СибАДИ, 1998, -157с.

19. Результаты математического моделирования стока ливневых вод с малых водосборов при проектировании автомобильных дорог (1998; Брянск) Материалы Международной научно-методической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» 26-28 февр. 1998г. / Брянская государственная инженерно-технологическая академия. - Брянск: РИО БГИТА, 1998, 187с.

20. Гидравлический расчет водопропускных труб на автомобильных дорогах методом математического моделирования / И.В. Чистяков, И.А. Моисеев// Проектирование автомобильных дорог: сб. научн. тр.; МАДИ (ГТУ). - М„ 2005. - С. 57-59.

21. Расчет параметров стока ливневых вод средствами компьютерного моделирования в проектировании водопропускных сооружений водоотвода на автомобильных дорогах // Вода. - 2007. - №12. С. 23-24.

22. Компьютерные технологии в моделировании ливневого стока при проектировании водопропускных сооружений и водоотвода на автомобильных дорогах (2008; Казань): материалы научно-практической конференции «Повышение надежности транспортных сооружений» 11-15 ноябр. 2008 г. / Казанская государственная архитектурно-строительная академия. - Казань: Изд-во КГАСА, 2008. -120с.

23. Компьютерное моделирование экстремальных условий формирования ливневого стока в проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах (2008; Москва): материалы Между-

народной конференции «Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях» 4-7 июня,- М.: СИБИКО, 2008. - 570с.

24. Чистяков, И.В. Прогноз параметров стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны при гидрологическом обосновании проектных решений на автомобильных дорогах и аэродромах: монография; МАДИ (ГТУ). - М., 2008. -168 с.

Подписано в печать ?.?.10.20Нг.

Формат 60x84/16 Уч. -изд. л. 2,1

Печать офсетная Тираж 100 экз.

Усл. печ. л.2,3 3аказ324

Ротапринт МАДИ 125319, Москва, Ленинградский просп., 64