Своевременный учет естественного перераспределения стока между водосборами позволяет: избежать неучтенных перегрузок или догрузок водопропускных сооружений, рассчитанных без влияния выплесков и переливов; предусмотреть дополнительные сооружения на водотоках, образованных выплесками и переливами; принять в необходимых случаях меры по искусственному регулированию максимального стока, образуемого в местах выплесков и переливов из одного водосбора в другой.
Для уменьшения объема стока и расчетных расходов, формирующихся в общей зоне разлива в некоторых случаях может быть организован сброс воды из этой зоны вдоль дороги в смежное водопропускное сооружение.
3.5. Учет влияния переменного подпора может возникнуть в случаях: 1) проложения дорог в зоне подтопления реками или водохранилищами (рис. 3.10); 2) переустройства сооружений от предполагаемого подтопления; 3) технико-экономических обоснований и сравнений вариантов различного проложения дорог.
Рис. 3.10 Схема проложения дороги в зоне подпора паводочных вод:
1 - трасса дороги; 2 - РУПВ
Для определения расчетных расходов правомерно применение уравнений баланса стока, составленных (по аналогии с предложением О.В. Андреева) на периоды: наполнения (3.35) и опорожнения (3.36) зоны аккумуляции от влияния подпора:
(3.35)
(3.36)
где Ω - переменная площадь зеркала зоны аккумуляции перед сооружением; ΔHн, Δtн, ΔHо, Δtо - переменные интенсивности соответственно подъема и спада уровней воды от подпирающего источника. При Qm < Ω ΔHн : Δtн возникает обратное течение.
Наибольшее отверстие водопропускного сооружения определяет одна из двух величин расчетных расходов воды, вычисленных соответственно для течений, направленных вниз по водотоку и вверх по нему от источника подпора. Наибольшие расходы при прямом и обратном течениях возникают в случаях прохода паводка: 1) в период наполнения зоны аккумуляции; 2) по предварительно заполненной зоне аккумуляции; 3) по предварительно заполненной зоне аккумуляции в период интенсивного спада уровней подпора.
Для выполнения расчетов необходимо иметь: 1) график колебаний уровней подпирающей реки H = f(t) или проектный график уровенного режима водохранилища, характеризующий расчетную скорость изменения подпорного уровня ΔH : Δt; 2) план в горизонталях акватории аккумуляции перед сооружением; 3) расчетный уровень максимального подтопления требуемой ВП; 4) график нарастания площади поверхности акватории аккумуляции перед сооружением в зависимости от изменения глубины подтопления Ω = f(H).
При наличии таких материалов расчет расходов в сооружении может быть выполнен графоаналитически по методам О.Б. Андреева или НИМП-72. Наиболее сложным при выполнении этих расчетов является построение расчетного графика колебаний уровней подпирающей реки в заданном створе проектируемого сооружения при недостаточности или отсутствии наблюдений.
При наличии непродолжительных наблюдений за уровнями воды на подпирающей реке последние должны быть использованы для выбора расчетной модели. Расчетный график H = f(t) может быть построен путем пересчета ординат расчетной модели одномодального паводка по коэффициенту моделирования
(3.37)
где Hр - максимальный уровень воды расчетной ВП в створе наблюдений; Hм - максимальная ордината графика колебаний уровней воды, принятого в качестве расчетной модели.
При отсутствии наблюдений в районе проложения дороги в качестве расчетного графика колебаний уровней может быть принята его схематизированная модель, построение которой следует осуществлять по максимальному уровню требуемой ВП в заданном створе реки и по величинам времени подъема, стояния и спада паводка, установленным по модели расчетного паводка, гидрографу или графику H = f(t) на близлежащем водпосту. А при отсутствии водпоста временные характеристики подъема и спада могут быть получены в результате построения схематизированного по геометрическим фигурам или уравнениям гидрографа расчетного паводка.
Поскольку для расчета малых сооружений требуется знать только верхнюю часть графика H = f(t), определяемую разностью РУПВ и отметкой дна сооружений, то вполне правомерно допустить линейную схематизацию его кривых спада и подъема, а расчеты вести по осредненным скоростям линейного изменения подпорных уровней при наполнении и опорожнении.
Аккумуляция собственного стока водотока может быть целесообразна в необходимых размерах только в случае несовпадения паводка с периодом действия переменного подпора или при величине создаваемого им пруда, допускающим по условиям проектирования дополнительное повышение уровня подпорных вод. В других случаях она не допускается.
Наиболее сложным случаем расчета является учет влияния переменного подпора при устройстве двухстороннего водослива с заданной отметкой пруда аккумуляции с верховой стороны. При полном заполнении пруда к началу перелива подпорных вод через водослив расчеты расходов выполняют по уравнениям (3.35) и (3.36), но при величинах Ω, ΔHн, ΔHо, Δt, соответствующих режиму наполнения пруда выше гребня водослива.
При частичном заполнении пруда к началу перелива подпорных вод через водослив расчетные расходы определяют по соотношениям:
для периода наполнения пруда до гребня водослива
Qнс = ΔQв; (3.38)
для периода наполнения пруда выше гребня водослива
(3.39)
для периода опорожнения пруда
(3.40)
где Ωв - переменная площадь зеркала водной поверхности пруда аккумуляции при изменении глубин воды от гребня водослива до РУПВ; ΔHнв : Δtнв, ΔHов : Δtов - переменные интенсивности соответственно подъема и спада уровней воды от подпирающей реки выше гребня водослива; ΔQв - переменный расход водослива при заполнении пруда до уровня гребня водослива, определяемый по графоаналитическому методу Б.Ф. Перевозникова в следующем порядке: 1) по расчетному графику колебаний уровней подпирающей реки намечают несколько значений уровней H1, H2, H3 ... Hn через равные интервалы времени Δt (рис. 3.11); 2) по формуле водослива для заданных отверстия и величин напора H1, H2, H3 ... Hn определяют соответствующие им расходы Q1, Q2, Q3 ... Qn и для интервалов времени Δt1, Δt2, Δt3 ... Δtn строят кривую изменения расходов Qв = f(t); 3) определяя в начале и конце интервалов времени Δt объемы стока: W1 = Q1t1, W2 = Q2t2 и т.д., строят кривую изменения объемов сброса воды через водослив W = f(t); 4) определяют объем пруда для нескольких величин уровней ΔHi в диапазоне изменения уровней от начала его заполнения через водослив до отметки гребня по формуле:
Wпрi = 0,5 (Ωi + Ωi+1) ΔHi, (3.41)
где Ωi и Ωi+1 - площади зеркала пруда при различных уровнях его наполнения с равным интервалом глубин между этими уровнями ΔHi. По вычисленным значениям Wпр1, Wпр2, Wпр3, ..., Wпрn строят кривую емкости пруда выше отметки его предварительного заполнения.
Рис. 3.11 Графо-аналитический расчет наполнения пруда аккумуляции:
1 - гребень водослива; 2 - кривая подъема уровней и подпирающей реки H = f(T); 3 - начало перелива через гребень водослива; 4 - кривая ёмкости пруда; 5 - объём пруда при уровне предпаводочного наполнения; 6 - объём пруда при уровне; 7 - кривая продолжительности наполнения пруда водослива Wпр = f(T); 8 - кривая изменения расхода воды при наполнении пруда Q = f(Т); 9 - время заполнения пруда до отметки водослива
Точка пересечения горизонтальной линии соответствующей полному объему заполнения пруда через водослив от уровня начала заполнения до гребня водослива, с кривой Q = f(t) определяют время, через которое пруд будет заполнен до гребня водослива. Каждому уровню заполнения пруда через интервалы ΔHi будут соответствовать расходы Qв, полученные с кривой Q = f(t).
4. Расчеты искусственного регулирования максимального стока хозяйственной деятельностью на водосборах
4.1. Регулирование максимального стока существующими дорогами. В практике проектирования все чаще встречаются случаи, когда на водосборе выше проектируемой трассы может находиться одна или несколько дорог. Возможны два принципиально различных положения существующих дорог на водосборах относительно направления главного лога. Направление существующей дороги совпадает с направлением главного русла водотока и пересекает только боковые притоки и лога (рис. 4.1) или существующая дорога располагается перпендикулярно к главному руслу, пересекая его и некоторые притоки. Все остальные положения дорог на водосборах являются различными вариантами сочетаний этих двух случаев.
Рис. 4.1 Схема возможных расположений дорог на водосборах:
1 - граница бассейна; 2 - построенные дороги; 3 - трасса проектируемой дороги.
Наличие автомобильных и железных дорог на водосборах, пересекаемых проектируемыми дорогами, значительно изменяет расчетные величины расходов. На основе рассмотрения большого количества схем с различными положениями существующих дорог, анализа уравнения баланса расходов, на фазе пика паводка в расчетном створе и учета факторов, определяющих величину максимального дождевого стока, рекомендуется следующая формула для определения максимальных расходов в створе проектируемых сооружений:
Qm = Qp + λp ΣQci Kтi, (4.1)
где Qi - максимальный расход заданной ВП с площади основного бассейна, ограниченного естественными водоразделами, проектируемым створом и существующей дорогой; λp - переходный коэффициент от ВП паводка, на которую рассчитаны сооружения на существующей дороге, к требуемой ВП для проектируемой дороги; Qci - максимальный расход в одном из существующих водопропускных сооружений или расход в месте перелива воды через насыпь в месте ее прорыва; Kтi - коэффициент, учитывающий изменения величин максимальных расходов, формирующихся в существующих сооружениях, в зависимости от времени их трансформации до створа проектируемого сооружения относительно фазы максимума расхода с основного бассейна.
Способы определения параметров формулы (4.1) зависят от стадии проектирования, наличия и достаточности исходных данных и ограничиваются необходимой точностью расчетов.
Величину коэффициента при наличии проектных материалов по существующей дороге следует определять по формуле:
λp = hc : hпр, (4.2)
где hс, hпр - величины слоев стока в мм (или интенсивности дождя в мм/мин) расчетной ВП соответственно для существующих и проектируемых сооружений, приведенные к одной продолжительности водоотдачи.
При отсутствии проектных материалов коэффициент может быть определен по формуле (4.2) путем установления категории существующей дороги или размеров отдельных сооружений и определения соответствующих им по СНиПу нормативных ВП по величинам слоев (или интенсивностей) стока, вычисленных для ВП существующих и проектируемых сооружений. Категорию дороги устанавливают непосредственным обследованием или другими способами, которые в настоящих рекомендациях не рассматривается. Необходимость учета этого коэффициента определяется не только возможными различиями категорий существующих и проектируемых дорог, но также и состоянием, капитальностью и сроками службы существующих водопропускных сооружений и устанавливается в каждом конкретном случае. При этом необходимо учитывать изменение характера зарегулированности водосборов за расчетный период работы проектируемого сооружения, определяемой нормативными ВП.
При достаточных проектных материалах по существующим дорогам расходы в существующих сооружениях Qci определяют известными способами с использованием графиков (таблиц) пропускной способности труб. Пропускную способность мостов следует находить расчетами, принятыми при проектировании.
Если такие материалы отсутствуют максимальную пропускную способность можно ориентировочно определить по формуле:
Qci = Qi · Ka, (4.3)
где Ka - коэффициент, учитывающий уменьшение максимального расхода за счет аккумуляции воды перед существующими сооружениями и определяемый по материалам изысканий; Qi - максимальный расход притока дождевых вод с частного бассейна, ограниченного существующей дорогой от основного водосбора.
Наиболее возможные сочетания гидрографов паводков с частных водосборов относительно гидрографа основного водосбора (рис. 4.2), характеризуются различными соотношениями времени формирования максимума расхода в отверстии существующего сооружения tc, и времени подъема пика паводка с основного бассейна tn, принимаемого равным в данном расчете времени добегания паводка tд:
I - tc = tд, ti = tc;
II - tc < tд, ti = tc + tp; (4.4)
III - tc > tд, ti = tc - Δt = tд.
Время добегания максимума расхода ti с любого частного водосбора до расчетного створа основного бассейна может быть определено в соответствии с приведенными выше тремя расчетными случаями по уравнениям (4.4), в которых tp - время трансформации максимального расхода в сооружении от этого сооружения до расчетного створа.
Анализ уравнений (4.4) и рис. 4.2 показывает, что при совпадении максимальных ординат гидрографов паводков с основного водосбора и в существующем сооружении величина расчетного расхода воды с частного бассейна на фазу максимума с основного равна максимальной пропускной способности сооружения, а коэффициент Kтi, может быть принят равным 1,0.
Рис. 4.2 Схема сочетания гидрографов:
1 - гидрограф с основного бассейна; 2 - гидрографы притока с частных водосборов; 3 - гидрографы сброса с частных водосборов
Если время формирования максимального расхода в существующем сооружении менее времени добегания с основного бассейна, то величина расчетного расхода воды с частного бассейна должна определяться с учетом трансформации в створе проектируемого сооружения и при принятой схематизации гидрографов может быть получена по формуле:
