Разработка научных и технологических основ гидрологического обоснования проектных решений автомобильных дорог

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. 16.

Рис. 16 Схема учета потерь на впитывание при формировании слоя стока

По результатам экспериментальных расчетов получены эмпирические зависимости для определения коэффициента спада паводка для каждого вида грунтов:

Категория II, грунт - глины

. (21)

Категория III, грунт - суглинки

. (22)

Категория IV, грунт - супесь

. (23)

Категория V, грунт - пески

. (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

, м³/с, (25)

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

(мин.), (26)

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, т. е.

. (27)

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 - . Коэффициент следует определять по зависимостям, полученным для разных видов грунтов с учетом времени спада:

для глин

, (28)

для суглинков

, (29)

для супеси

, (30)

для песков

. (31)

Объем ливневого стока следует определять по формуле

(м3). (32)

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

Гидрологическое обоснование проектных решений автомобильных дорог должно предусматривать, в конечном итоге, создание надежных и долговечных водопропускных сооружений, способных противостоять высоким паводкам, а также принимать целесообразные решения плана и продольного профиля автомобильных дорог в местах пересечений водотоков, с целью обеспечения функциональной надежности всех конструктивных элементов дороги, включая воздействие ливневого стока непосредственно и с полосы отвода автомобильной дороги.

Полученные автором результаты позволяют впервые представить процесс формирования стока ливневых вод максимально приближенный к реальному, с позиций исключающих целый ряд допущений, свойственных современному мнению и существенно изменить представление о формировании ливневого стока 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 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 на горизонталях, которая в принципе позволяет моделировать водосборы с любой степенью детализации.

3. Автором разработана новая математическая модель ливневого стока с водосборов на горизонталях в виде криволинейной ортогональной плавной решетки, составленной из горизонталей и линий склонового стока.

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 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 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 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.

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 и объемов стока в зависимости от времени формирования паводковой волны, параметров водосборного бассейна, скорости и направления прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном. Получены зависимости для определения потерь стока на впитывание до полного осушения поверхности водосборного бассейна;

9. Для более точного определения величин максимальных расходов и объемов стока необходимо привлекать новую информацию по регионам территорий земной поверхности о скоростях и направлении прохождения ливневых фронтов. Эта информация ранее не привлекалась для расчетов максимального расхода стока. Но как установлено, она оказывает существенное влияние на характер ливневого стока. На данный момент это возможно при использовании данных космических съемок, а также данных радиолокационных станций в режиме реального времени;

10. Выполненное экспериментальное проектирование дорожных 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 ранее не учитываемых дополнительных факторов, значительно 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.

В работе конкретизированы и методически определены научные и технологические основы гидрологического обоснования проектных решений, которые включают: - определение максимальных расходов и объемов стока ливневых вод; - полного времени паводка; - времени подъема и спада паводка; - полнота гидрографа стока; - динамика подтопления насыпи земляного полотна и низа дорожной одежды, не только по уровням, но и во времени.

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 методик и технологий детальных расчетов водопропускных сооружений транспортного комплекса с учетом новых установленных факторов, в частности совершенствование методов расчетов водопропускных сооружений и систем водоотвода автомобильных дорог с учетом аккумуляции.

Существенными задачами в данном направлении являются задачи получения поля скоростей по поверхности водосборных бассейнов, а также с полосы отвода автомобильных дорог, с дальнейшим прогнозом деформации рельефа и поперечного профиля земляного полотна дорог, переносом наносов и установлением характера заиливания отверстий водопропускных сооружений, а также предотвращения разрушения их ливневыми паводками. Установления наиболее выгодных условий для назначения мероприятий по решению экологических проблем, в частности переноса, загрязнения и очистки вод ливневого стока с придорожной полосы. Разработка способов аккумулирования вод ливневого стока в условиях дефицита пресной воды для производственных нужд при эксплуатации дорог.

Разработанная методика может быть использована при проведении мониторинга находящихся в эксплуатации автомобильных дорог с целью уменьшения рисков аварийных разрушений при различных видах деформаций водосборных бассейнов и полосы отвода дорог.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

1. Цифровая модель водосбора для проектирования водопропускных соружений / И.В. Чистяков // 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 // 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 // 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 // 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 Международной 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.

Размещено на Allbest.ru