(4.5)
откуда значение коэффициента Kтi равно:
(4.6)
где Kг - коэффициент, учитывающий уменьшение Qci из-за нелинейности гидрографов на пике паводка, принимаемой в расчете равным 1,1; значение tp определяют как: tp = tд - tc.
Время спада паводка в существующем сооружении при треугольной схематизации гидрографа в сооружении определяют по формуле:
(4.7)
где Wp и Qp - соответственно объем стока и расчетный расход воды с частного бассейна.
Использование формулы (4.6) правомерно при tсп > tp; при tсп ≤ tp величина коэффициента Kтi, а следовательно и ΔQci становятся равными нулю.
В случае, когда время формирования максимального расхода в существующем сооружении более времени добегания с основного бассейна, расчетный расход воды с частного бассейна с учетом трансформации в створе проектируемого сооружения определяют по формуле:
(4.8)
а коэффициент Kтi соответственно этому равен:
(4.9)
где все обозначения прежние, а время добегания с любого частного бассейна равно времени добегания паводка с основного бассейна, т.е. ti = tg.
Построение расчетного гидрографа в створе проектируемого сооружения производят путем суммирования ординат всех гидрографов паводков в существующих сооружениях и с основного бассейна.
Наиболее сложен случай нахождения на водосборе нескольких параллельных дорог, различных по категории и назначению. Расчет максимальных расходов с учетом такой зарегулированности водосборов производят следующим образом:
1) вычисляют расчетные расходы требуемой ВП для створа (I) самой верхней существующей дороги по формуле:
Qpi I = Qpi (4.10)
2) определяют расчетные расходы для створа (II) нижележащей дороги:
Qpi II = Qpi I - II + λpi I ΣQci I Kтi I - II (4.11)
3) определяют расчетный расход для заданного (III) створа, проектируемого сооружения:
Qpi III = Qpi II - III + λpi II ΣQci II Kтi II - III (4.12)
В формулах (4.10), (4.11), (4.12) приняты обозначения:
Qpi I, I - II, II - III - максимальные расходы воды, определяемые соответственно по частям водосбора, ограниченным водоразделом и створом I верхней дороги, между створом I верхней дороги и нижележащим створом II, между створом II и створом проектируемой дороги; λpi I, II - переходные коэффициенты от ВП расчетных паводков соответственно на I и II существующих дорогах к заданной ВП; Qci I, II - максимальные расходы в сооружениях соответственно на первой и второй дороге; Kтi I - II, II - III - коэффициенты трансформации расходов соответственно между створом I и II и створами II - III существующих дорог.
4.2. Сброс части стока в смежное сооружение. При проектировании малых водопропускных сооружений встречаются случаи, когда из-за низкой отметки одного из водоразделов (рис. 4. 4.3), разделяющих смежные водосборы у земляного полотна, невозможно у сооружения создать необходимый по допускаемым размерам аккумуляции подпор воды. Такие случаи характерны при косых пересечениях распластанных логов и логов на косогорах, расположенных поперек него. Устройство на водоразделах разделительных валов и дамб обвалования особенно на пахотных землях и в равнинной местности не всегда может быть возможно или экономически нецелесообразно.
Поэтому возникают условия, при которых часть воды, поступающей с одного бассейна, можно сбросить в смежный, расположенный ниже пруда аккумуляции, что позволит более эффективно использовать явление аккумуляции перед низовым сооружением в случае его незагрузки или хороших высоких водоразделов в замыкающем створе.
При высоких водоразделах (рис. 4.3, б) сброс части стока в соседнее сооружение в отдельных случаях может оказаться экономически целесообразнее варианта устройства сооружений без искусственного перераспределения стока между ними. Необходимость проработки таких вариантов обуславливает потребность в конкретной расчетной схеме перераспределения стока с определением расходов низового и верхового сооружений, сбросного расхода и оценки затрат на обеспечение сброса, исключающее возможность размывов откосов земляного полотна, образования оврагов и эрозионного понижения водосбросного русла.
Рис. 4.3 Схема к расчету искусственного распределения максимального стока:
1 - водораздел; 2 - проектная линия продольного профиля дороги; 3 - верховое водопропускное сооружение; 4 - низовое сооружение; 5 - сбросной лоток
Расчетные расходы в сооружении с учетом ограничения аккумуляции стока по рельефу живого сечения пруда у дороги и искусственного сброса части стока в смежное сооружение определяют раздельно для верхового и низового сооружений по следующим формулам:
(4.13)
(4.14)
где Qвm, Qнm - расходы притока воды заданной ВП соответственно к верховому и низовому сооружениям, м3/с; Wвпр, Wнпр - допускаемые объемы пруда аккумуляции соответственно у верхового и низового сооружений, м3; Wвр, Wнр - объемы стока соответственно с верхового и низового бассейнов, м3; Qсб - расход воды от сбрасываемой части объема стока с верхового бассейна, определяемый по формуле (4.15), м3/с; Wсб - объем сбрасываемой части стока с верхового бассейна, Qсбт - сбросной расход с верхового бассейна у низового сооружения с учетом его трансформации по длине сбросного русла, м3/с; Ky - коэффициент уменьшения расхода с низового бассейна на время формирования максимума сбросного расхода с учетом его трансформации у низового сооружения; Kг - коэффициент формы гидрографа.
При сбросе воды вдоль дорог возможны два случая сопряжения поверхности потока с уровнем за водоразделом - с двумя перепадами кривой свободной поверхности или с одним. В первом случае сброс воды через водораздел может быть рассмотрен как незатопленный водослив с широким порогом, а во втором как затопленный. Расход сброса в случае незатопленного водослива определяют по формуле:
Qсб = Kв B Hсб3/2, (4.15)
где B - ширина сбросного потока на водоразделе при РУПВ (рис. 4.4), м; Hсб - статический напор в м над отметкой водораздела (Zв), соответствующий РУПВ перед верховым сооружением; Hсб = РУПВ - Zв; Kв - коэффициент, характеризующий величину расхода водослива для следующих его сечений:
треугольное................................................................................................ 0,80
прямоугольное........................................................................................... 1,41
трапецеидальное с отношением нижнего основания к верхнему:
0,3............................................................................................................... 0,92
0,5............................................................................................................... 1,06
0,7............................................................................................................... 1,20
Рис. 4.4 Поперечные сечения сбросного лотка:
1 - РУПВ; 2 - ось проектируемой дороги; 3 - минимально допустимое превышение дороги над РУПВ
Наибольшая скорость потока vк при сбросе возникает на водоразделе в сечении, где устанавливается критическая глубина
(4.16)
где Kс - коэффициент, характеризующий изменение скорости потока в следующих сечениях водослива:
треугольное................................................................................................ 1,76
прямоугольное........................................................................................... 2,25
трапецеидальное с отношением нижней грани к верхней:
0,3............................................................................................................... 1,95
0,5............................................................................................................... 2,02
0,7............................................................................................................... 2,14
Критическая скорость потока не должна превышать скорости (vдоп) допустимой по размывающей способности грунтов, слагающих водораздел или типа его укрепления. Допустимый статический напор в м при переливе через водораздел следует определять по формуле:
Hсб = (vдоп : Kc)2 (4.17)
На остальном протяжении сброса укрепление следует назначать в соответствии с фактическими уклонами и скоростями течения, вычисляемыми по формуле Шези.
При малых уклонах русла и на горизонтальном участке сброса сечение с критической глубиной может быть затоплено. В этом случае движение сбросного потока можно приближенно считать равномерным, а величину Hсб следует определять по формуле затопленного водослива.
Сбросной расход у низового сооружения с учетом его трансформации по длине сбросного русла определяют по формуле:
(4.18)
здесь tc = l : vср (4.19)
(4.20)
где tc - время сдвига гидрографа сброса; l - длина резерва или русла, по которому происходит сброс воды в нижнее сооружение; vср - средняя скорость сброса части стока, вычисляемая приближенно при Q = 0,5 Qсбр; Qг - расход воды в сооружении, при котором соответствующий ему РУПВ достигает гребня водораздела (водослива) и начинается сброс стока в нижнее сооружение, м3/с; Qс - расход пропуска воды через верховое сооружение на фазу максимума сброса в нижнее:
(4.21)
Если сумма времени формирования расхода Qm - tm и времени сдвига гидрографа сброса tc за счет его трансформации при движении к низовому сооружению больше времени формирования подъема максимума паводка с низового бассейна (рис. 4.5), т.е. tm + tc > tнn, то коэффициент Ky следует определять по формуле:
(4.22)
здесь (4.23)
где tнФ - длительность расчетного паводка с низового бассейна; tнсп - время спада пика паводка с низового бассейна; tвсп - время спада пика паводка с верхового бассейна. Если tm + tc = tнn, то коэффициент Ky = 1.
Рис. 4.5 Схема к построению результирующего гидрографа:
1 - гидрограф наибольшего водосбора; 2 - гидрограф средних водосборов; 3 - гидрограф наименьшего водосбора
В случае, когда tm + tc < tнn коэффициент Ky принимают равным:
(4.24)
4.3. Сброс части стока в водохранилища. В отдельных случаях требуется рассчитать необходимое на период строительства уменьшение расхода в сооружении за счет частичного сброса в бессточные емкости или временные водохранилища (карьеры, обвалованные пространства и т.п.), расположенные в русле водотока с верховой стороны от дороги (рис. 4.6). К подобным случаям можно отнести сбор питьевой воды со склонов водосборов в подземные и поверхностные водозаборные емкости, расположенные в пониженных участках логов и такыров. В практике эксплуатации дорог имеются случаи устройства регулирующих емкостей для преднамеренного уменьшения притока воды к водопропускным сооружениям в местах их напряженной работы или при переливе паводковых вод через дорогу. Расходы водопропускных сооружений при предпаводочном опорожнении регулирующих емкостей следует определить по формуле:
(4.25)
где ΣWe - объем емкостей, регулирующих водохранилищ у водопропускных сооружений.
Рис. 4.6 Сброс стока в регулирующие емкости:
1 - регулирующая емкость; 2 - РУПВ
4.4. Регулирование стока малыми прудами с заданной отметкой водослива. Потребность в гидрологических расчетах прудов с заданной отметкой водослива возникает при использовании дороги как плотины для создания постоянных и временных водохранилищ перед дорогой, предназначаемых для целей водного хозяйства, а также при оценке достаточности существующих плотин и прудов при реконструкции дорог или подпоре водами других водохранилищ или рек.
Сооружение таких прудов распространено в Молдавии, на Украине, в Тамбовской области и других районах СССР. Водопропускное сооружение устраивают либо в русле водотока, либо выносят на один из склонов лога (рис. 4.7). Сбросной расход с учетом предпаводочного опорожнения прудов с заданной отметкой водослива следует определять на малых водотоках по формуле:
(4.26)
здесь Wопр = Wпр - Wак, (4.27)
(4.28)
где Qnt - расход волны прорыва вышележащих некапитальных плотин с учетом трансформации на участке добегания до проектируемого сооружения (см. п. 4.5); Woпр - начальный объем заполнения общего пруда Wпр, ограниченный уровнем водослива; Wак - часть общего объема пруда выше заданного уровня водослива или опорожнения; Hпр, Hв - максимальные глубины у сооружения при РУПВ соответственно при общем пруде и пруде с заданным уровнем водослива (рис. 4.8), м; Bпр - ширина разлива общего пруда в створе сооружения при РУПВ, м.
Рис. 4.7 Гидрограф сброса через водослив с заданной высотой.
Рис. 4.8 Пруд при заданной отметке водослива:
1 - заданный уровень водослива; 2 - расчетный створ; 3 - уровень фактического затопления пруда; 4 - объем пруда выше заданного уровня водослива; 5 - начальный объем пруда
Расход сбросного сооружения со значительным объемом пруда можно определять по формуле:
(4.29)
В случае ежегодного опорожнения общего объема пруда или его частичной сработки перед максимальным годовым паводком величину Wак определяют по уравнению:
Wак = Wпр - Wо, (4.30)
где Wо - часть объема пруда ниже заданного уровня опорожнения или частичной сработки к началу расчетного паводка.
