Страница 24: ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты (46704)

                         (5)

где Wo и Fo - соответственно в тыс. м3 и тыс. м2.

Морфометрические характеристики наледи заданной обеспеченности рассчитывают по этим кривым распределения в соответствии с п. 11 настоящего приложения.

18. Параметры наледей речных вод при отсутствии материалов многолетних наблюдений определяют по данным о стоке ближайшего к участку наледеобразования гидрометрического поста на исследуемой реке или реке-аналоге. При этом средние многолетние значения и значения заданной обеспеченности рассчитывают только для средней и максимальной мощности наледи. Площадь наледи на участке находят как произведение его длины и средней ширины реки, а объем - площади и средней мощности.

19. Среднюю многолетнюю мощность наледи речных вод рассчитывают, используя модульные коэффициенты KQi среднего за зимний период расхода воды Qi:

                                                                (6)

где Qo - средний многолетний расход воды за зимний период.

Модульный коэффициент КНi , равный отношению измеренной мощности наледи к средней многолетней, зависит от числа членов ряда n (лет наблюдений), коэффициента  и определяется по формуле

                                               (7)

где                                                                                                    (8)

hс.р - средняя глубина водного сечения реки в створе изысканий, м;

hл - средняя общая толщина льда в этом же створе, м.

Используя полученный ряд модульных коэффициентов Кнi рассчитывают параметры кривой обеспеченности СV и СS по формулам:

                                (9)

По ординатам этой кривой определяют среднюю на участке мощность наледи заданной обеспеченности. Таким же образом проводят расчет и максимальной на участке мощности наледного тела.

20. Параметры наледей, которые могут возникнуть в результате нарушения естественных условий при строительстве и эксплуатации автомобильной дороги, рассчитывают по формулам, учитывающим основные факторы, определяющие процесс наледеобразования. Количественную информацию об условиях, при которых возможно появление наледи, получают в результате изыскательских работ.

21. При обнажении водоносного горизонта образуется наледь, объем которой в большинстве случаев определяется дебитом истечения, а размеры и форма - особенностями процесса замерзания и рельефом поверхности растекания. Объем наледи WА1 рассчитывают по формуле

                                                       (10)

где Q - дебит истечения, м3/с;

??нл - продолжительность периода наледеобразования, с.

Значение ??нл исчисляется с момента перехода средней суточной температуры воздуха через 0 °С осенью и весной.

Полный дебит истечения оценивают по формулам:

для напорных подземных вод

                                           (11)

для безнапорного горизонта

                                               (12)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут;

mв.г - мощность водоносного горизонта, м;

S - понижение пьезометрического уровня подземных вод, м; принимают равным напору водоносного горизонта в естественных условиях;

Rв - радиус влияния возмущения при вскрытии горизонта и неустановившегося режима фильтрации, м;

                                                         (13)

ап - коэффициент уровня пьезопроводности;

rобн - условный радиус обнажения, м, равный 0,25 ширины обнажения;

he - первоначальная мощность водоносного горизонта при безнапорной фильтрации, м;

hобн - мощность водоносного горизонта на линии обнажения при его осушении, м.

Оценку дебита истечения проводят в расчетные моменты времени, определяя радиус влияния по формуле (12) настоящего приложения, после чего вычисляют средний дебит за период наледеобразования.

22. Объем наледи грунтовых вод, образующихся при глубоком промерзании водонасыщенных грунтов, рассчитывают в зависимости от соотношения глубин зaлeгания уровня подземных вод hп.в (м), нижней границы промерзания грунтов hн.г (м) и водоупорного горизонта z (м) по следующим формулам:

при z>hн.г и hп.в< hн.г

                             (14)

при z> hн.г и hп.в = 0

                                                        (15)

при z < hн.г и hп.в < hн.г

                                            (16)

при z< hн.г и hп.в = 0

                                                          (17)

где ?? - коэффициент объемного расширения воды при переходе ее в лед, равный 1,1;

J - гидравлический уклон зеркала грунтовых вод;

¢ - теплофизический параметр;

                                                               (18)

м - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м×°С);

 - разность средней температуры воздуха и температуры слоя промерзшего грунта за период наледеобразования, °С;

Qт - количество скрытой теплоты плавления льда в единице объема грунта, кДж/м3.

23. Среднюю мощность наледи Нср (м) определяют по формуле

              (19)

где ??г.в - пoкaзaтeль, учитывающий характер движения потока грунтовых вод: при ламинарной фильтрации ??г.в = 1, при турбулентной г.в = 0,5;

hест - глубина промерзания грунта в естественных условиях, м;

hат - сумма атмосферных осадков за период наледеобразования, м;

п - коэффициент, рассчитываемый исходя из следующих условий:

                (20)

24. При сужении руслового потока, например, опорами моста расчет проводят отдельно для каждого пролета между опорами. Порядок расчета следующий.

Через заданные интервалы времени с момента замерзания реки определяют толщину ледяного покрова hл в течение всей зимы:

                    (21)

где ??л и сн - коэффициенты теплопроводности льда и снега, Вт/(м??°С);

                                                     (22)

??сн - плотность снега на поверхности льда по данным изысканий, г/см3;

hсн - высота снежного покрова, м;

t - средняя за период температура воздуха, °С;

ho - толщина льда в начале расчетного интервала, м.

По характерному гидрографу реки определяют расходы воды в начале и конце расчетных интервалов времени и их приращения в каждом пролете расчетного створа.

По неравенству (23) исследуют гидрометеорологические и гидродинамические характеристики системы поток - ледяной покров в критических условиях, при которых происходит разрушение льда и образование наледей. Расчет проводят для каждого интервала времени по всем пролетам мостового перехода:

                             (23)

где hp - глубина реки, м;

?????? - отношение температуры поверхности снежно-ледяного покрова к температуре воздуха;

??л - плотность льда, кг/м3;

L?? - скрытая теплота плавления льда, кДж/м3;

??л - временное сопротивление льда на изгиб, равное 1,25??106Н/м2;

в - ширина потока по нижней поверхности льда, м;

hэкв - эквивалентная толщина льда, равная

                                                    (24)

 - коэффициент вязкости льда, вычисляемый по формуле

                               (25)

Если Ф<1,то вычисления по формуле (23) продолжают до тех пор, пока не наступит момент, когда Ф??1. Это указывает на начало наледеобразования. Для этого интервала времени определяют среднюю мощность наледи:

                                                       (26)

где ,  - избыточный напор в результате роста соответственно ледяного покрова и водности потока;

                                                 (27)

                                                          (28)

в - плотность воды, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Полученную мощность наледи суммируют с hо в формуле (20) настоящего приложения на момент расчета и продолжают вычисления по изложенной схеме.

25. Объем наледи талых снеговых вод рассчитывают в следующем порядке.

Определяют площадь водосборного бассейна, с которого поступают талые воды к проектируемому участку дороги. По крупномасштабным картам находят площадь водосбора Fв, а по данным многомерной съемки - запас воды в снежном покрове.

Для периода с внутрисуточными переходами температуры воздуха через 0°С по данным изысканий или ближайшей метеостанции рассчитывают толщину слоя таяния за светлое и темное время каждых суток с положительной температурой. Расчет проводят отдельно для дневных и ночных часов по формулам:

     (29)

                                    (30)

где hт.д, hт.н - толщина слоя таяния соответственно за светлое и темное время суток, мм;

 - средняя суточная температура воздуха, °С;

 - максимальная суточная температура воздуха, °С;

,  - средняя положительная температура воздуха соответственно за светлое и темное время суток, °С;

 - альбедо снежного покрова, доли единицы;

,  - средняя скорость ветра соответственно за светлое и темное время суток с положительной температурой воздуха, м/с.

Суммарную толщину слоя таяния hт.л сутки определяют по формуле

                                                               (31)

Каждые сутки рассчитывают толщину слоя водоотдачи hв из снежного покрова по формуле

                                                       (32)

где Sв - доля площади водосборного бассейна, покрытая снегом, от общей площади;

hос - количество осадков, выпавших на водосборный бассейн, мм.

Расчет проводят до тех пор, пока температура воздуха устойчиво не перейдет через 0°С в сторону повышения.

Определяют суммарную толщину слоя стаявшего снега Hв за период с циклическими суточными переходами температуры воздуха через 0°С по формуле

                                                       (33)

где n - количество принятых в расчет суток.

Объем наледи талых снеговых вод WБ2 (м3) находят из выражения

                                                              (34)

Пример 1. Требуется определить объем и площадь наледи средние многолетние и 1%-ной обеспеченности с известной связью между этими характеристиками (кривая 2 на рисунке настоящего приложения).

По формуле (4) настоящего приложения в единой системе координат с графиком зависимости Wн =f(Fн) строят кривую  (см. рисунок). Координаты точки пересечения кривых 1 и 2 дают значения соответственно: Fо = 691 103 м2 и Wо = 113104 м3.

Графическое решение системы уравнений для определения средних многолетних значений площади Fo и объема Wo наледи подземных вод: 1 - ; 2 -

Определяют параметры кривой обеспеченности по формуле (5) настоящего приложения:

По таблицам ординат биномиальной асимметричной кривой обеспеченности определяют модульные коэффициенты КW=1,49 и КF=1,60 с вероятностью превышения 1%. С учетом этих коэффициентов определяют:

Пример 2. Требуется рассчитать среднюю на участке (Но.ср) и максимальную (Но.max) мощности наледи за многолетний период и их значения 1%-ной обеспеченности. Имеется ряд наблюдений за стоком на гидрометрическом посту продолжительностью 15 лет (см. таблицу, гр. 2). По данным ледомерной съемки, выполненной при изысканиях, установлены:

средняя глубина водного сечения реки в створе изысканий hp = 0,17 м;

средняя общая толщина льда на этом же створе Нл = 2,17 м;

средняя мощность наледи составляет 0,61 м, а наибольшая - 1,23 м.

Порядок расчета.

По формуле (6) настоящего приложения определяют модульные коэффициенты стока КQi (см. таблицу, гр. 3).

Определяют коэффициент  по формуле (8) настоящего приложения:

Находят значение  (см. таблицу, гр. 4), его обратное значение 1/ и сумму  (см. таблицу, гр. 5). По формуле (7) вычисляют

По этому выражению определяют модульные коэффициенты мощности наледи  (см. таблицу, гр. 6).

Модульный коэффициент мощности наледи в год проведения изысканий равен 0,586. Определяют средние многолетние значения средней и максимальной мощностей наледи на участке (Но.ср = Нi/КHi):

Вычисляют коэффициенты вариации и асимметрии (см. таблицу, гр.7 - 9)

По таблице ординат биномиальной асимметричной кривой обеспеченности определяют среднюю и максимальную мощности наледи с вероятностью превышения 1%. Они оказались равными; Нср1% = 2,12 м; Нmax = 4,20 м.