Мостовая гидрология. Задачи гидрологических и гидравлических расчетов водопропускных труб и мостов.

1. Мостовая гидрология – дисциплина, изучающая вопросы гидрологического обоснования конструкций и параметров водопропускных сооружений на автомобильных и железных дорогах. Под гидрологическим обоснованием понимают прежде всего расчеты характеристик стока и уровней воды, русловых процессов и ледового режима водных объектов. При этом обязательно учитывается влияние этих сооружений на гидрологический режим.

Основными расчетными гидрологическими характеристиками (РГХ) в мостовой гидрологии являются максимальные расходы и уровни воды заданной вероятности превышения (обеспеченности). При этом различают расчетные и наибольшие расходы и уровни воды. В зависимости от категории дороги величина обеспеченности составляет 1…2% для расчетных максимумов и 0,33…1% - для наибольших максимумов. Расчетный максимальный расход и соответствующий ему уровень воды используется при определении отверстий водопропускных труб и мостов, а наибольший – для проверки сохранности этих сооружений, расчетов отметок бровки пойменных насыпей и регуляционных сооружений.

Эти РГХ сравниваются с водопропускной способностью труб и малых мостов для нескольких типоразмеров их конструкций и параметров. Прежде всего – отверстий труб и малых мостов (до 25 м длиной). Для выбранных вариантов типоразмеров проводят гидравлические расчеты их водопропускной способности, используя формулы водосливов с широким порогом при работе их в безнапорном и полунапорном режимах. Напомню, что при этих режимах входное сечение не затоплено или затоплено на высоту, не превышающую высоту трубы в свету, более чем на 10%. При этом сжатое сечение в трубах не затоплено. Напорный режим работы труб в насыпях вообще не допускается, из-за возможности размыва полотна дороги. Полунапорный режим допускается только в качестве проверочного при условии пропуска наибольших максимальных расходов.

Самым благоприятным режимом работы трубы с точки зрения её надежной эксплуатации и сохранности полотна дорог является безнапорный режим. Для наиболее распространенных на сети дорог – «коротких» труб с безнапорным режимом, формула для определения их водопропускной способности имеет вид:

Q = m * Bk * Ho * √ 2g,

где Q – расход воды через водослив, м3/с;

Но – полный напор истечения, м:

Вк = ω/h – средняя ширина потока в критическом сечении, м;

m – коэффициент расхода, изменяется для труб от 0,31 до 0,36.

Гидравлические расчеты выполняют на ЭВМ или с помощью номограмм, приведенных, например, в «Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений». / под ред. Волченкова. 1992.

Аналогично проводят гидравлические расчеты малых мостов, хотя технология их несколько сложнее, т.к. приходится применять метод последовательного приближения из-за неопределенности выбора режима протекания воды под мостом. Таким образом, наряду с формулой (1) используется формула Шези, по которой определяют бытовую глубину в водотоке и режим протекания воды под мостом.

Все это относится к гидравлическим расчетам возможной водопропускной способности (ВС). Но в некоторых случаях, когда будет отсутствовать влияние льда и образований наледей перед сооружением, допускается снижение ВС за счет временной аккумуляции воды пред ним. Это возможно в основном в южных районах России при преобладании дождевого стока.

Для расчетов потребной ВС, т.е. с допущением аккумуляции перед сооружением, применяют метод Кочерина. Он основан, во- первых, на схематизации гидрографа притока воды к сооружению в виде трапеции (при расчете на максимальный объем) или треугольника (при расчете на мксимальный расход) и, во- вторых, на решении уравнения водного баланса (объем аккумуляции равен разности между притоком и стоком воды). Чем больше допустимый объем аккумуляции, тем меньше будет потребная ВС. При этом, расчетный гидрограф притока воды к сооружению строят согласно указаниям СП 33 -101.

Выбор отверстия малых ВС производят аналитическим или приближенно графическим способом по номограммам.

В общем случае типоразмер отверстия назначают, исходя из примерного равенства величин расчетного максимального расхода и возможной или потребной (с допущением аккумуляции) ВС.

Следует отметить, что допуская временную аккумуляцию воды перед сооружением, мы увеличиваем вероятность размыва насыпи и площадей затопления и подтопления прилегающей территории. Это приводит к заболачиванию и ухудшению экологической ситуации. С другой стороны снижение типоразмера труб на 1…2 градации дает экономию 2…3 т цемента, металла, трудозатрат на монтаж и пр.

Поиск оптимального решения при выборе типоразмеров труб является одной из важных задач обоснования проекта строительства водопропускных сооружений.