Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | Строительство

Расчеты ливневого стока  Просмотрен 58

Применяемые методы расчета ливневого стока, как правило, исходят из основных положений водного баланса, т. е. из условия, что объем стока равен объему выпавших осадков минус объем потерь этих осадков в процессе стока.

На рисунке 2.2 приведены кривые зависимости глубины слоя дождя от его продолжительностипри различной вероятности превышения.

На основании климатического районирования выделены определенные территории страны в соответствующие районы, характерные одинаковыми климатическими данными. Это позволяет для каждого района получить достаточно точную зависимость (hд(t)).

Путем искусственного дождевания, выполненного в условиях, близких к имеющим место в природе, ЦНИИС Минтрансстроя установлены закономерности инфильтрации (изменения глубины слоя впитывания от продолжительности дождевания) для шести категорий почв (рис. 2.3).

 


Рисунок 2.2 - Зависимость hд(t) Рисунок 2.3 - Изменение hi(t)

На такого рода графиках ординаты hi позволяют учитывать не только величину слоя впитывания, но и соответствующую первоначальную влажность грунта и устанавливать закономерность инфильтрации после предварительного увлажнения. Так, например, если первоначальная влажность супесчаных грунтов (от ранее выпавших осадков) соответствует глубине слоя hi(1) (точка а на рис. 2.3), то при дальнейшем дождевании закономерность нарастания глубины слоя впитывания будет соответствовать кривой аб.

Наличие двух зависимостей hд(t) и hi(t) дает возможность аналитически или графически определить закономерность роста слоя водоотдачи. Практически это осуществлено путем совмещения кривых hд(t) и hi(t) так, как это показано на рис. 2.4.

 

Рисунок 2.4 - Расчетная схема водоотдачи

Для практического использования этих данных при производстве расчета стока с того или иного конкретного бассейна в рассматриваемом методе введен ряд допущений и схематизации явлений.

Допущения и схематизация

· Сток в виде стекания воды сплошным равномерным слоем водоотдачи.

· Принято считать, что ливневые осадки выпадают равномерным слоем на всю поверхность бассейна. Неравномерность выпадения осадков учитывается дополнительным коэффициентом.

· Принимается, что всю поверхность бассейна покрывают однородные почвы с одинаковой интенсивностью впитывания.

· Потери на смачивание растительности и заполнение впадин микрорельефа учитываются при расчете добавлением к слою потерь на впитывание некоторой дополнительной величины z, которая определяется опытным путем.

· Схематизированы форма и геометрические характеристики водосбора (расчеты по средней ширине склонов, при одинаковом среднем уклоне склонов, схематизированный учет промежуточной русловой системы и т. п.), а также при учете болот, озер и лесных массивов в пределах бассейна.

Точность расчетов (±30%).

Глубина слоя водоотдачи hв.

Определяется как разность между глубиной слоя выпадающих осадков hд и слоя на впитывание почвой hi, на смачивание растительности hp и заполнение впадин микрорельефа hмр, т. е.

hв = hд - (hi+ hр + hмр).

Точка касания кривой нарастания слоя дождя с кривой нарастания потерь (точка б при учете потерь только на впитывание и точка а при учете дополнительных потерь z на рис. 2.4) определяет начало водоотдачи и начало стока. Время от начала водоотдачи до окончания ливня tв называют временем водоотдачи.

Средняя интенсивность водоотдачи ливня.

Отношение глубины слоя водоотдачи к времени водоотдачи определяет среднюю интенсивность водоотдачи данного ливня

а1 = hв/tв.

Объем водоотдачи.

Для расчета принимается, что за время водоотдачи интенсивность водоотдачи является величиной постоянной и равной среднему значению. При таком допущении глубина слоя водоотдачи в любой рассматриваемый момент будет равна

hв(t) = a1 t,

а объем водоотдачи к этому моменту может быть определен как

W = 1000hв(t) F= 1000а1tF.

Баланса воды, участвующей в формировании стока.

Исходя из условия баланса воды, участвующей в формировании стока, объем водоотдачи ливня в любой момент от начала стока будет равен

W = Wс + Wл +

где Wc и Wл - объем воды, аккумулированной на склонах и в логах водосбора (м3);

- объему воды, прошедшему за тот же период через замыкающий створ м3.

«Точное» решение.

Решая это уравнение в отношении Q(t), можно определить расход, который следует ожидать в замыкающем створе в рассматриваемый момент. Однако для расчета отверстий водопропускных сооружений необходимо определить наибольший расход заданной расчетной вероятности превышения. Поэтому при определении таких расходов путем непосредственного решения уравнения баланса необходимо производить многократные расчеты для всех ливней заданной расчетной вероятности превышения, имеющих различную продолжительность и интенсивность.

Кроме того, закономерность изменения Q(t) в различные периоды водоотдачи различна (см. гидрографы стока), и эта функция является кусочно-непрерывной и ее аналитическое решение возможно только в определенных пределах.

Определение наибольшего расхода по уравнению баланса стока осуществляется с использованием ЭВМ для построения гидрографа стока по характерным точкам (до наступления полного стока со склонов, в момент установления полного стока со склонов, в момент установления полного стока со всего бассейна и т. п.).

Практическое решение.

В современной практике более широко применяются расчеты, основанные на дальнейшем преобразовании уравнения баланса.

Ранее было приведено, что при полном стоке объем аккумуляции достигает своего наибольшего значения и весь объем воды, поступающей в пределы бассейна после установления полного стока, будет стекать через замыкающий створ (рис.2.5).

Рисунок 2.5 – Гидрограф полного стока

Объем воды, поступающей с момента установления полного стока до окончания водоотдачи равен

W = Wв - Wп, (2.4)

где Wв = 1000а1tвF — объем воды, поступившей в пределы бассейна за весь период водоотдачи, м3;

Wп = 1000а1tпF — то же, но от начала водоотдачи до установления полного стока, м3.

Тогда W = 1000а1(tвtп)F.

Так как в период полного стока при постоянной интенсивности водоотдачи расход Qп будет постоянным и за время tв - tп через замыкающий створа должен быть пропущен весь объем, то можно написать равенство

60Qп(tвtп) = 1000 а1F(tвtп).

Из этого равенства получаем формулу для определения расхода воды при полном стоке:

Qп = 16,7а1F (2.6)

Полный сток - частный случай, который возможен только при условии tвtп. В природе есть ливни, которые прекращаются до момента установления полного стока (tв < tп).

Принято, что при разной продолжительности, но при одинаковой интенсивности и одинаковых прочих условиях гидрографы стока от начала образования до момента окончания водоотдачи ливня будут одинаковыми (рис. 2.6).


Рисунок 2.6 - Гидрографы стока разной продолжительности

Установлено, что при tв < tп после прекращения водоотдачи расход воды будет некоторое время оставаться постоянным или же немного возрастет за счет интенсивного стока воды, аккумулированной на склонах, а затем начнет уменьшаться (сплошная линия на рис. 2.6). Но во всех случаях при таком стоке величина пикового расхода будет меньше расхода при полном стоке. Такой расход будет равен части расхода при полном стоке, т. е.

Q = jQп = 16,7а1jF,(2.7)

где j = Q / Qп - коэффициент полноты стока.

Эта формула для определения расходов является более общей, так как при tв/tп ≥ 1 коэффициент j =1, а при tв/tп < 1 j < 1.

Объем же стока во всех случаях равен объему водоотдачи, и его величина определяется по формуле

W = 1000а1tвF. (2.8)

Для приближения учета реальных условий в формулы (2.7) и (2.8) вводятся поправки в виде коэффициентов, определяемых на основании обработки натурных наблюдений.

Коэффициент g - неравномерность распределения осадков по площади, определяемым в зависимости от климатического района и наибольшего линейного размера бассейна (Д);

Коэффициент dбo — наличие в пределах бассейна озер и болот, определяется в зависимости от расположения озер и болот по отношению к нижней или верхней части бассейна и отношения площадей, покрытых озерами и болотами, к общей площади бассейна.

С учетом этих поправочных коэффициентов окончательные расчетные формулы принимаются в следующем виде:

для определения расходов

Q = 16,7а1j Fgdбo; (2.9)

для определения объема стока

W = 1000а1 tвFg. (2.10)

 

В общем случае, используя приведенные формулы, расчет стока сводится к выявлению таких ливней, при которых был бы наибольшим из всех возможных расход (при стоке с наибольшим расходом) и наибольшим из всех возможных объем стока (при стоке с наибольшим объемом).

Рисунок 2.7 – Гидрографы стоков с наибольшим расходом (1) и наибольшим объемом (2)

Переменными в формулах (2.9) и 2.10) являются а1(tв) и j.

В соответствии с этим расчеты по определению стока с наибольшим расходом по формуле (2.9) сводятся к отысканию таких значений а1, и j, при которых их произведение было бы равно максимуму, а при расчетах стока с наибольшим объемом к нахождению таких значений а1 и tв, при которых их произведение было бы равно максимуму, а следовательно, и объем стока, определяемый формулой (2.10), будет наибольшим.

Таким образом, для практических расчетов как стока с наибольшим расходом, так и стока с наибольшим объемом необходимо знать закономерности и количественные значения а1(tв) и j..

В настоящее время значение а1(tв) определяется на основании обработки статистических данных метеорологических станций по изменению интенсивности дождей в зависимости от их продолжительности и вероятности превышения и опытных данных по определению впитывания воды почвами. Эти данные сведены в соответствующие таблицы, которые составлены в зависимости от различной вероятности превышения ливней для различных климатических районов и разных категорий почв (ВСН 63—76).

Выбирая из этих таблиц для заданного района проектирования и заданной расчетной вероятности превышения значения а1(tв) путем последовательного умножения а1 на соответствующее tв, можно установить сток с наибольшим объемом и для рассматриваемого бассейна по формуле (2.10) определить объем такого стока. На рис. 2.8 приведены одна из зависимостей а1(tв) и произведение а1 на tв (пунктиром) для климатического района 3, III категории почв и вероятности превышения ливней 1/100. Для этого примера сток с наибольшим объемом будет при а1 = 0,67 мм /мин и tв = 60 мин.

Рисунок 2.8 – Определение стока с наибольшим объемом

Более сложным является определение коэффициента полноты стока j. В общем случае величина этого коэффициента зависит не только от соотношения времени водоотдачи и времени установления полного стока, но и от формы гидрографа стока.

Форма гидрографа стока зависит от интенсивности и продолжительности водоотдачи, геометрических и гидроморфологических характеристик бассейна, которые определяют скорость нарастания слоя водоотдачи, скорость стекания воды по склонам и руслам и возможные объемы аккумуляции воды в пределах бассейна.

Может иметь место, когда на различных бассейнах время установления полного стока и его расходы будут одинаковыми, но из-за различия геометрических и гидроморфологических характеристик бассейна форма гидрографа в фазе подъема будет различной. В результате этого при более коротких ливнях с одинаковой продолжительностью водоотдачи на различных бассейнах можно ожидать разные по величине наибольшие расходы (рис. 2.9) и, как следствие, разные коэффициенты полноты стока.

Точное аналитическое выражение зависимости коэффициента полноты стока от характеристик бассейна пока не установлено. В качестве первого приближения можно считать, что эта зависимость связана с отношением объема аккумуляции воды в пределах бассейна Wс + Wл к объему водоотдачи за период установления полного стока 60Qпtп (на рис. 2.7 первая величина переменна, а вторая постоянна), так как форма гидрографа зависит от аккумулирующей способности бассейна.


Рисунок 2.9 - Гидрографы стока при разной величине коэффициента j

В результате этих положений коэффициент полноты стока является функцией двух переменных - tв/tп и коэффициента λ, характеризующего форму гидрографа.

Значения а1(tв) и j (tв/tп , λ) через а1 и tп являются взаимосвязанными, и для определения максимального расхода необходимо совместное решение этих уравнений и выявление таких значений а1 и j, при которых а1j =mах.

Непосредственное аналитическое решение этой задачи хотя и возможно, но весьма сложно. Поэтому для отыскания максимальных расходов при стоке с наибольшим расходом и с наибольшим объемом в настоящее время разработан ряд более простых практических приемов.

Предыдущая статья:Факторы, влияющие на расход и объем стока Следующая статья:Расчеты стока от снеготаяния
page speed (0.0156 sec, direct)