книги / Переходы через водотоки

где Q i — расчетный расход в створе искусственного сооружения, м3/сек; Qmax — то же, для створа а — а (для стокообразующей части бассейна); tn— время подъема или концентрации павод­ ка для створа а — а, мин\ U— длина транзитного русла, м\ т* — коэффициент распластывания паводочной волны, м~1-сек.

Значения коэффициента т* для параболической формы гидро­ графа в зависимости от продольного уклона транзитного русла i

приведены ниже:

Для стока от снеготаяния при больших значениях tn распласты­

вания паводочной волны в транзитном русле практически не про­ исходит.

Впрактике проектирования нередки случаи, когда водосбор­ ный бассейн состоит из двух частей, резко различных по условиям стока. Например, в районе плато Устюрт трасса пересекает водо­ сборные бассейны, верхняя часть которых расположена на плато,

анижняя на так называемом «чинке» Устюрта, обрывающемся в долину р. Амударьи. Сток на верхней части бассейна склоновый при уклоне порядка 1—2%0; нижняя часть бассейна имеет рельеф горного склона, крутизной порядка 300—400%о, с четко выражен­ ным руслом (рис. XV-8). Могут быть и обратные случаи, когда трасса пересекает равнинную часть бассейна, а верхняя часть его является горной.

Вобоих случаях для получения расчетного расхода у искусст­ венного сооружения сток рассчитывают раздельно для каждой час­ ти бассейна, строят два гидрографа стока и совмещают их в створе перехода с учетом времени добегания стока с вышележащей части бассейна. Время добегания /ДОб (в мин), на которое должен быть

сдвинут гидрограф стока с верхней части бассейна при совмещении его с гидрографом стока с нижней части бассейна (рис. XV-9),

определяют [122] по формуле

ней части бассейна, м3/сек.

Ординаты совмещенных гидрографов суммируют и максималь­ ную ординату суммарного гидрографа принимают за расчетный расход (рис. XV-9).

Своеобразны условия дождевого стока на крайнем Северо-Вос­ токе Союза. Как отмечает Ф. В. Залесский [51], особенностью стока в этом районе является большая роль почвенно-грунтового стока

361

упора. При сильных дождях иногда наблюдается суффозия грунта деятельного слоя и резкое увеличение коэффициента фильтрации, что также ускоряет процесс превращения почвенно-грунтового сто­ ка в поверхностный.

Таким образом, часть осадков, впитывающихся в почвогрунты, не является потерей стока и при многосуточных обложных дождях непосредственно участвует в формировании пика паводка.

По исследованиям Ф. В. Залесского, для малых бассейнов рас­ сматриваемого района (/7< 2 5 0 км2) ввиду малого влияния русло­

вого добегания модуль максимального дождевого стока Мро/о прак­ тически не зависит от площади водосбора; для таких бассейнов Q p % ~ Alp %F.

В предгорных районах со сложным рельефом поверхности встре­ чаются случаи, когда к трассе проектируемой дороги тяготеют малые водосборные бассейны, имеющие в верховьях водораздель­ ную линию, непосредственно за которой расположено или озеро или сухая котловина (рис. XV-10). Эта замкнутая емкость являет­ ся аккумулятором поверхностного стока с вышележащей, иногда значительной по размерам, водосборной площади. При выпадении осадков или таянии горных снегов и ледников редкой повторяе­ мости уровень воды в озере или в котловине может превысить не­ высокий водораздел с нижележащими малыми бассейнами. Ско­ пившаяся вода выплеснется из водоема и потечет по склонам и логам к трассе дороги. Не исключена возможность размыва водо­ раздела в наиболее пониженных местах и образования мощных потоков, которые опорожнят водоем. Малые искусственные соору­ жения не смогут пропустить эти потоки и будут разрушены так же, как и насыпь дороги.

При наличии описанных условий необходимо, помимо расчета стока с малых водосборов, прилегающих к проектируемой дороге,

362

произвести расчет наполнения вышележащего водоема и в случае возможности перелива водораздела предусмотреть или обвалова­ ние водоема или организованный по искусственному руслу сток воды к водопропускному сооружению на трассе.

Расчет наполнения водоема состоит в следующем. Строят гра­ фик зависимости объема от уровня воды в водоеме при его напол­ нении WRSLn=f(H). Для озера эту зависимость строят от среднего

уровня воды в озере, а для сухой котловины — от уровня ее дна и до уровня наиболее низкой точки водораздела с нижележащими малыми бассейнами. Затем обычными приемами вычисляют объем стока в водоем WCT расчетной вероятности превышения, причем

принимают наиболее невыгодную (дающую наибольший объем) форму гидрографа. Бели для уровня наиболее низкой точки водо­ раздела минус 0,5 м соблюдено равенство И^Нап= ^ст.р% , то суще­

ствующий водораздел гарантирует от перелива из наполненного водоема; в противном случае надо предусматривать мероприятия, о которых говорилось выше.

На небольших постоянных водотоках или даже сухих логах кол­ хозы устраивают примитивные плотины, создающие пруды для во­ допоя скота и других хозяйственных целей. Эти плотины, не соот­ ветствующие техническим нормам, часто прорываются в межень или при проходе паводков. Опорожнение пруда создает волну по­ пуска в межень или усиливает паводочную волну (см. § 27).

Рис. XV-10. Схема выплеска воды из вышележащего водоема в малые бассейны:

363

В некоторых районах за рубежом, где приходится работать советским специалистам, условия стока настолько отличны от ус­ ловий любого района СССР, что бывает затруднительно пользо­ ваться методикой расчета стока с малых бассейнов, принятой

вВСН 63-67 или СН 435-72.

В1962 г. советским специалистам приходилось выполнять рас­

четы стока в Западной Африке (бассейн верховьев р. Нигер) в зоне тропического климата между 10 и 13° северной широты. Климат этого района характерен одним дождливым периодом (май — ок­ тябрь) и сухим периодом (ноябрь — апрель). Растительный покров представлен высокими (до 2 м высоты) травами в саванне на се­

вере и менее высокими травами с редколесьем в саванне на юге этого района.

Водосборные бассейны сложены маломощными ожелезненными коричнево-красными почвами на латеритном основании, часто вы­ ходящем на поверхность.

Годовая норма осадков изменяется от 1100 мм на севере до 1800 мм на юге; наблюденный за 30 лет суточный максимум осад­ ков на том же участке колеблется в пределах 160— 170 мм.

Первые дожди выпадают на раскаленную, иссушенную в тече­ ние шести месяцев почву - и не дают стока.

Даже сильные осадки, выпадающие в начале дождливого сезо­ на, дают меньший сток, чем менее интенсивные осадки в конце дождливого сезона.

Сказанное иллюстрируют данные наблюдений на ливнесточной

Определять категорию не встречающихся у нас латеритных поч- во-грунтов по водовпитывающей способности их методом искусст­ венного дождевания в таких условиях невозможно. Поэтому вместо расчета по нормам стока, действующим в СССР, представилось более целесообразным применить формулу Д. Л. Соколовского [122], основные параметры которой определяют по натурным данным,

364

щади водосбора, мм; Н0— слой начального увлажнения почвы, мм; а — объемный коэффициент стока, равный отношению объема

паводка, определяемого обычным приемом, задаваясь скоростью течения в логу, в соответствии с его уклоном и шерохова­ тостью, ч; б — обобщенный коэффициент учета аккумулирую щих факторов стока (озера, болота и др .); f — коэффициент

формы гидрографа паводка; Qrp — расход грунтового питания, предшествующий паводку.

Для малых бассейнов в условиях саванны Qrp = 0, а 6=1; на­ чальный слой потери осадков на увлажнение также надо принять #о = 0, так как расчетные осадки могут выпасть в конце дождли­ вого сезона, когда почва предельно увлажнена.

В рассматриваемом районе имеются метеостанции с многолет­ ним периодом наблюдений, а также ливнесточные станции, обо­ рудованные водомерными створами и сетью плювиографов. Водо­ мерные створы замыкали площади бассейнов от 7 до 80 км2, при­

чем для каждого дождя, давшего сток, обязательно составляли планы изогнет.

Материалы этих наблюдений послужили для определения пара­ метров Ни а и f в формуле (XV-16).

Исследование одномодальных гидрографов ливневого стока с водосборов ливнесточных станций показало, что они имеют пара­ болическую форму со средним отношением времени спада к вре­ мени подъема паводка, равным 2,5, и коэффициентом f= l,0 4 .

Объемный коэффициент стока а в указанных пределах водо­

сборных площадей не обнаруживает связи с площадью водосбора, но имеет определенную связь с вероятностью превышения того

365

также надо вводить поправку на редукцию максимальных осадков по площади бассейна, что предусматривалось Д. Л. Соколовским только для F> 100 км2.

Редукционная поправка к максимальному слою осадков и сам этот слой являются независимыми переменными. Поэтому, чтобы в формуле (XV-16) получить результат с заданной вероятностью

дукции осадков Дн, равные отношению среднего по бассейну слоя к максимальному слою осадков; эмпирическая формула редукции

Расчетный слой осадков заданной вероятности превышения за расчетную продолжительность их, равную для малых бассейнов tn>

будет

С л о н о с а д к о в в е р о я тн о с ти п р е в ы ш е н и я р, р а в н ы е 1 и 1 0 % , по-

лученные статистической обработкой материалов наблюдений ме­ теостанций северного и южного участков района, приведены в табл. XV-3. Осадки плавно увеличиваются с севера на юг, что по­ зволяет применять интерполяцию их величин.

Наиболее резко увеличиваются к югу слои коротких дождей; с увеличением продолжительности их эта разница сглаживается.

С учетом сказанного для саванного и лесисто-саванного ланд­ шафтов в бассейне Верхнего Нигера (10°— 13° с. ш.) при расчетах

366

Т а б л и ц а XV-3

стока с малых водосборов Л. Л. Лиштваном рекомендована фор­ мула (XV-16) в несколько измененном виде:

Пример применения изложенной методики приведен ниже. Бас­ сейн находится примерно в середине обследованного района, пло­ щадь его F= 24 км2, длина лога L = ll,8 км. Поверхность сложена

ноздреватым латеритом и маломощными красными почвами. Лог на протяжении 1,6 км перед створом перехода является транзит­

ным руслом с уклоном 0,002. Морфометрией водотока определена скорость течения в русле при высоком паводочном уровне v = = 2,2 м/сек. Расчетная продолжительность осадков, равная времени

добегания,

Требуется определить 'расход вероятности превышения р —1%'.

Интерполируя значения табл. XV-3 для середины района и времени 90 мин, находим расчетный слой осадков Н1%=89 мм.

По графику ссл=/(/?%) на рис. XV-11 для среднепроницаемых почво-грунтов ссл,1%= 0.55. По формуле (XV-19) находим

По формуле (XV-14) определяем расход в створе перехода с уче­ том трансформации гидрографа паводка в транзитном русле

367

Описанный подход к расчету стока в необычных условиях с ис­ пользованием местных данных наблюдений может применяться и в других районах мира. В зависимости от наличия и характера этих данных по формуле (XV-19) можно определить слой осадков, вызвавший редкий расход Qmax, и вероятность превышения этого

и Турхузес в Албании. На этих речках в 1946 г. прошел необычай­ ный паводок, затопивший населенные пункты и оставивший досто­ верные метки УВВ.

Опросом населения установлено, что такого паводка не на­ блюдалось по крайней мере с первой половины XIX в. Паводок был вызван ливнем, прошедшим 23 октября, зарегистрированным несколькими метеостанциями. В пределах бассейна в г. Тиране отмечен центр ливня— 252 мм осадков, из которых 237 мм выпало за 50 мин.

Ввиду коротких рядов наблюдений на метеостанциях района представилось возможным обработать лишь объединенный ряд из 154 годовых суточных максимумов осадков для независимых дож­ дей. Получены следующие координаты кривой Я сут= f(p%):

Проведенные на плане бассейна изогиеты осадков 23/Х—46 г. позволили определить их объем W^oc = 83,4 • 106 м3 при среднем слое 190 мм. Редукция наибольших осадков в центре ливня по площади

менимости ее в иных условиях и для больших водосборов.

Расход на пике паводка 1946 г. определен морфометрически по нескольким створам и равен QI946 ~ 2420 м3/сек. Объем стока опре­

делен построением гидрографа исходя из расчетного времени добегания ^п=6,3 ч и продолжительности паводка, равной по опро­

Р16,7-0,60-0,75-439

368

Имея интенсивности ливня равной вероятности превышения за

§ 69. МЕТОДЫ РАСЧЕТА СТОКА ЗА РУБЕЖОМ

За рубежом, как правило, не существует общегосударственных норм стока.

Для расчета стока с малых водосборов используется большое количество региональных эмпирических и полуэмпирических фор­ мул, а также метод единичного гидрографа (см. § 28). Наиболее грубыми эмпирическими формулами являются формулы, в кото­ рых необходимая площадь сечения водопропускного сооружения зависит от площади водосбора и его геоморфологических характе­ ристик. Например, в формуле Рамзера (1935 г.) для бассейнов пло­ щадью не более 800 а [163]

369

В. Д. Поттера (1950 г.), выведенная на основании анализа дождей по 51 бассейну Кумберленского плоскогорья, площадью от 100 до 350 000 а:

где Qio — расход ВП 10%; С — географический параметр, опреде­ ляемый по карте изолиний; р — морфологический параметр; Д д— параметр, зависящий от уклона и длины водосбора; F —

площадь бассейна. Для перехода к расходу ВП 2% расход умножают на коэффициент 1,40.

Широкое распространение за рубежом получила так называе­ мая рациональная формула стока, впервые предложенная Э. Кюхлингом в 1889 г. [157]. Формула имеет вид

t + Ai

дакциях рациональной формулы учитывается фактор повторяе­ мости дождя.

Наряду с эмпирическими формулами в 30—50-х годах в США и Англии возникают методы, частично основанные на генетичес­ ком анализе стока. Прежде всего сюда следует отнести метод единичного гидрографа Л. К. Шермана, применяемый для малых и больших водосборов (см. § 28), и метод Б. Д. Ричардса.

Б. Д. Ричардс рассматривает модуль и объем максимального стока как:

циент стока; а — расчетная интенсивность дождя; t — расчетная

продолжительность дождя, принимаемая равной времени скло­ нового добегания; W — объем стока; К\ К\ — постоянные числа.

Интенсивность дождя определяется по формуле

где 5 — ливневый параметр или слой дождя при t—*0; f(F) —

функция, учитывающая редукцию слоя дождя по площади и определяемая графически — построением кривой H=f(F).

Б. Д. Ричардсом предложен также метод построения гидрогра­ фа паводка.

370