Сток ливневых вод на основе паводковой волны для сооружений автомобильных дорог и аэродромов

(мин.),

где - протяженность главного лога водосборного бассейна, считая от самой удаленной точки на водоразделе до створа проектируемого водопропускного сооружения на автомобильной дороге, (км); - 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, то есть

,

Скорость прохождения паводковой волны следует определять по эмпирической формуле (17).

Далее для расчета необходимо определить время спада паводка. Оно определяется по зависимости (24).

Зная время спада паводка, можно определить коэффициент потерь стока после прекращения ливня - . Коэффициент следует определять по зависимостям, полученным для разных видов грунтов с учетом времени спада:

для глин

,

для суглинков

для супеси

,

для песков

.

Объем ливневого стока следует определять по формуле:

(м3).

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».

Предполагаемую экономическую целесообразность применения методики расчета стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах можно оценить по строительной стоимости. Из выполненных, экспериментальных примеров проектирования водопропускных сооружений видно, что применение методики основанной на формировании паводковой волны, в отличие от традиционной, позволяет при одинаковых условиях применить сооружения типоразмеров отличающихся от типоразмеров рассчитанных по традиционной методике. При протяженности лога водосборного бассейна до ?1,5 км величины максимальных расходов меньше, чем по традиционной методике. Отличие составляет в редких 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 применить 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 главных логах водосборных бассейнов. Наблюдается также ситуация когда максимальные расходы стока имеют незначительное отличие. Но объемы стока отличаются значительно. Что говорит о «пиковости» гидрографа стока, при малых величинах времени подъёма паводка и общей продолжительности стока. Этот фактор показывает на то, что в данном случае в основе принятия проектных решений при назначении размеров водопропускного сооружения следует отдавать предпочтение некоторым другим параметрам стока, в частности объему стока, либо максимальным глубинам потока при бытовых условиях.

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 %.

Средний ожидаемый экономический эффект выразится в повышении надежности работы водопропускных сооружений. В частности, повышение типоразмеров, которое вызывает увеличение строительной стоимости, при эксплуатации потребует меньше затрат при ликвидации аварийных ситуаций от прохождения ливневых паводков.

Основные выводы

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.

В первую очередь следует отметить то, что сегодня уже известно о нестационарности гидрологических данных. Создалась ситуация, когда методы расчетов стока ливневых вод при наличии данных 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 и математическое моделирование. Исходя из полученных результатов выполненного исследования, следуют следующие основные выводы:

- в настоящее время назрела острая необходимость детально исследовать 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 дорогах и аэродромах;

- в данной работе предложена новая методологическая основа технологии математического моделирования стока ливневых вод на основе математического моделирования поверхности водосборного бассейна;

- для описания движения ливневых вод по поверхности водосборного бассейна впервые применяется система дифференциальных уравнений неустановившегося и неравномерного потока жидкости с переменной массой по длине потока. Таким образом представляется возможность исключить ранее сделанные допущения в существующей ныне технологии гидрологических расчетов стока ливневых вод: движение поверхностных вод допускалось равномерным; 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 также скорость и направление прохождения ливневых фронтов. Следовательно, существующие методы расчета параметров стока не могли дать результат, который бы максимально учитывал реальный процесс ливневого стока. Что, в свою очередь, влияло на принятие надежных решений при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах;

- по результатам выполненных исследований следует сказать, что величина максимального расхода зависит от скоростей и направления прохождения ливневых фронтов относительно направления стока в русле водосборного бассейна.

- процесс формирования максимального расхода имеет волновой характер, и величины максимальных расходов при прохождении ливневых фронтов над водосборными площадями формируются независимо от времени добегания 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;

- потери стока ливневых вод на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт не заканчиваются с окончанием ливня, а продолжаются до полного осушения поверхности водосборного бассейна от поверхностного стока;

- на основании результатов математического 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 с учетом нестационарности процесса впитывания;

- 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 показали экспериментальные расчеты, она оказывает существенное влияние на характер ливневого стока. На данный момент это возможно при использовании данных космической съемки в реальном времени;

- 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 - 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.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Чистяков И.В. Компьютерное моделирование стока ливневых вод. В журнале «Наука и техника в дорожной отрасли», №4, 2005. С. 16-17.

2. Чистяков И.В. Цифровая модель водосбора для проектирования водопропускных соружений. В журнале «Транспортное строительство», №4, Москва, 2008. С. 28-30.

3. Чистяков И.В. Комплексная оценка процесса формирования ливневого стока методом математического моделирования. В журнале «Транспортное строительство», №5, Москва, 2008. С. 7-8.

4. Чистяков И.В. Зависимость максимального расхода стока от направления прохождения ливневого фронта. В журнале «Транспортное строительство», №1, Москва, 2009. С. 12-15.

5. Чистяков И.В. Влияние скорости прохождения ливневого фронта на формирование стока ливневых вод. В журнале «Транспортное строительство», №2, Москва, 2009. С. 12-14.

6. Чистяков И.В. Влияние поверхностных характеристик водосборов на формирование паводковой волны В журнале «Транспортное строительство», №4, Москва, 2009. С. 13-15.

7. Чистяков И.В. Формирование продолжительности ливневого стока с малых бассейнов с учетом потерь на впитывание. В журнале «Транспортное строительство», №5, Москва, 2009. С. 20-21.

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

8. Федотов Г.А., Чистяков И.В. Математическая модель стока ливневых вод с малых водосборных бассейнов при проектировании автомобильных дорог Сб. научн. тр. МАДИ «Проектирование искусственных сооружений на автомобильных дорогах» - М., МАДИ, 1983.

9. Федотов Г.А. Чистяков И.В. Математическое моделирование стока ливневых вод с малых водосборов. Сб. научн. тр. ГипродорНИИ «Совершенствование методов изысканий и проектирования автомобильных дорог и мостовых переходов» - М., ГипродорНИИ, 1988.

10. Федотов Г.А. Чистяков И.В. Математическое моделирование стока ливневых вод в решении экологических проблем на автомобильных дорогах. Сб. научных трудов БрТИ «Экология Строительство Проектирование» - Брянск, РИО, БрТИ, 1995.

11. Чистяков И.В. Анализ влияния характеристик водосбора на формирование стока ливневых вод. Сб. научн. тр. МАДИ «Русловые процессы на мостовых переходах» - М., МАДИ, 1986.

12. Чистяков И.В., Микрин В.И., Кузьменко Н.И. Естественное очищение водосборных площадей под влиянием поверхностного стока. Тезисы докладов научно-технической конференции. - Брянск, РИО, БрТИ, 1994.

13. Чистяков И.В. Совершенствование методов расчета малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Материалы Научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику»: т. 2, Брянск, РИО, БГИТА, 1997.

14. Чистяков И.В. Решение проблем водоотвода на автомобильных дорогах средствами математического моделирования стока ливневых вод. Материалы II Международной Научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири», - Омск.: Издательство СибАДИ, 1998, - С.33-35.

15. Чистяков И.В. Результаты математического моделирования стока ливневых вод с малых водосборов при проектировании автомобильных дорог. Труды Международной НМК «проблемы строительного и дорожного комплексов», -Брянск, РИО, 1998, - С.111-114,

16. Чистяков И.В., Моисеев И.А. Гидравлический расчет водопропускных труб на автомобильных дорогах методом математического моделирования. В сб. науч. тр. МАДИ “Проектирование автомо- бильных дорог”: Москва, МАДИ (ГТУ), 2005. С 57-59.

17. Чистяков И.В. Расчет параметров стока ливневых вод средствами компьютерного моделирования в проектировании водопропускных сооружений водоотвода на автомобильных дорогах. В журнале «Вода», №12, 2007. С. 23-24.

18. Чистяков И.В. Компьютерные технологии в моделировании ливневого стока при проектировании водопропускных сооружений и водоотвода на автомобильных дорогах. Материалы Научно - практической конференции «повышение надежности транспортных сооружений», г.Казань, 2008. С. 49-51.

19. Чистяков И.В. Компьютерное моделирование экстремальных условий формирования ливневого стока в проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. В сб. докладов Международной конференции «Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях» Москва 2008. С. 263-264.

20. Прогноз параметров стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны при гидрологическом обосновании проектных решений на автомобильных дорогах и аэродромах. Монография. - М.: МАДИ (ГТУ), 2008. - 168 с., 300 экз. И.В. Чистяков ISBN 5-7962-0094-1

Размещено на Allbest.ru