ОПЫТ ОБОСНОВАНИЯ РАСЧЕТНЫХ МАКСИМУМОВ ДОЖДЕВОГО СТОКА
ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВНЕГОРОДСКИХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1979

В книге изложены метод расчета для района строительства дорог и методика обоснования расчетных параметров по материалам инженерных гидрометеорологических изысканий. Даны рекомендации по расчетам максимального дождевого стока с учетом специфики и требований строительства.

Книга написана по результатам исследований, выполненных в Союздорпроекте с 1966 по 1978 г., а также опыта применения нового метода расчета в проектировании автомобильных дорог как в СССР, так и в некоторых зарубежных странах.

Книга предназначена для инженеров и техников.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Нормативные методы оценки максимального стока позволяют с достаточной степенью точности характеризовать условия формирования максимального стока лишь на тех водосборах, фактические данные которых положены в основу географически-территориальных обобщений расчетных параметров. Использование этих параметров на неисследованных водосборах сопряжено с известной степенью приближенности, условностью в схематизации расчетных параметров и их интерполяции по территории. Поэтому оценка максимального стока по натурным наблюдениям позволяет получить не только большую надежность расчетных максимумов, но и в ряде случаев значительную экономичность построенных и эксплуатируемых сооружений.

Однако в различных ведомствах и организациях вопросы расчетов максимальных расходов, их обоснование натурными данными, а также трактовка нормативных документов, порядок их использования и правомерность решаются и понимаются по-разному. Такое положение нередко приводит к разночтению нормативов и к неравнообеспеченности проектных решений в одних и тех же районах строительства.

С 1967 г. в Союздорпроекте начаты исследования и обобщения теории и практики расчетов максимального дождевого стока в целях разработки единой методологии обоснования расчетных максимумов расходов с учетом специфики особенностей автодорожного строительства. На основе этих исследований в 1969 г. были сформулированы предложения, а в 1971 г. разработаны ведомственные указания по расчету дождевых расходов.

В результате выполненных работ признано целесообразным максимальное использование возможностей инженерно-гидрометеорологических изысканий автомобильных дорог для получения натурных данных по максимальному стоку. Разработаны состав и методы изысканий максимального стока, а также методически обоснован и внедрен в проектирование принцип линейно-региональных норм максимального стока. Обобщены методы учета естественного и искусственного регулирования максимального расхода воды.

Методы расчета и регулирования максимального стока в проектировании автомобильных дорог регламентированы инструктивно-нормативными документами [1, 5, 8, 11, 12].

Основным документом для расчета максимального стока на реках СССР начиная с 1972 г. служат СН 475-72. В этих нормах оговорены условия применения других нормативов, а также границы использования предлагаемых методов расчета максимального стока. Так, разрешается руководствоваться соответствующими нормативными документами, утвержденными или согласованными Госстроем СССР, а также официальными документами в области гидрологии.

Для объектов, расположенных на устьевых участках рек, в зоне влияния морских приливов и отливов, а также на селеносных реках нужны [11] специальные расчеты.

Настоящее издание может быть использовано для последующего уточнения ведомственных указаний по расчету дождевых расходов; в нем дана более полная систематизация вопросов обоснования расчетных дождевых максимумов стока.

Обобщение опыта разработки, применения и ведомственного регламентирования методических основ расчета максимального дождевого стока в дорожном строительстве представит интерес для широкого круга инженерно-технической общественности.

Книгу написал член НТО автомобильного транспорта и дорожного хозяйства канд. техн. наук Б.Ф. Перевозников.

1. НОРМАТИВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА

Методы обобщений и исследований максимального стока не регламентированы и не ограничены требованиями СН 435-72 о согласовании с какой-либо утверждающей инстанцией, а следовательно, их нужно выполнять по методологии, принятой проектно-изыскательской организацией.

Для вычисления максимального дождевого стока СН 435-72 рекомендованы две различные формулы, границы применения которых даны в табл. 1 в зависимости от площади водосбора и физико-географической зоны.

Таким образом, применение СН 435-72 по гидрологическим расчетам подтверждает и обусловливает необходимость проведения полевых исследований водотоков, а также разработки методов и обобщения результатов этих исследований. А поскольку методы полевых гидрологических исследований и расчетов (на их основе) максимальных расходов также не регламентированы СН 435-72, то их должна устанавливать проектно-изыскательская организация.

Таблица 1

Примечание. При проектировании сооружений на реках с площадью водосбора, превышающей пределы, указанные в таблице, и при отсутствии гидрометрических данных максимальные дождевые расходы нужно определять на основе полевых гидрологических исследований.

Для целей строительства автомобильных дорог применение СН 435-72 ограничивается не только размерами водосборов и физико-географическими зонами СССР (см. табл. 1), но и отсутствием рекомендаций: 1) по определению объема паводочного стока; 2) по расчету максимальных расходов воды в дорожных сооружениях с учетом аккумуляции паводочного стока перед дорогой; 3) по приближенным методам расчетов максимального стока на стадии ускоренных изысканий для технико-экономического обоснования (ТЭО) и облегченных проектных решений (ОПР); 4) по определению максимального стока на различных стадиях проектно-изыскательских работ; 5) по оценке предельных максимумов стока; 6) по учету региональных особенностей искусственного и естественного регулирования максимального стока; 7) по оценке максимальных расходов в основных условиях формирования паводочного стока; 8) по расчету и регулированию максимального стока с микробассейнов дорожного водоотвода, характеризующихся безрусловыми односклоновыми прямоугольными поверхностями с различными покрытиями и сочетанием поперечных и продольных уклонов стекания; 9) по расчету максимального стока при отсутствии подробного топографического материала; 10) по определению максимального стока и его регулированию в различных зарубежных районах строительства в порядке оказания технической помощи СССР развивающимся странам.

Отсутствие в СН 435-72 рекомендаций по этим вопросам, а также методов полевых гидрологических исследований максимального стока и обобщений полученных результатов обусловливает необходимость и правомерность их разработки и регламентирования ведомственными инструктивно-нормативными документами для различных отраслей строительства с учетом их специфики.

Указаниями СН 435-72 для водопропускных сооружений железных и автомобильных дорог максимальные расходы воды дождевых паводков на реках с площадью водосборов не более 100 км² допускается определять по другим нормативным документам, утвержденным или согласованным Госстроем СССР, при соответствующем обосновании проектно-изыскательской организацией целесообразности их применения.

Таким документом являются ВСН 63-76, согласованные Госстроем СССР для расчета максимальных дождевых расходов на водосборах до 100 км². Однако при водосборах более 50 км² по ВСН 63-76 требуется проверка результатов расчетов по натурным данным. Для однородных районов допускается в качестве расчетных использование местных региональных норм стока, разработанных по данным натурных наблюдений.

ВСН 63-67, как и СН 435-72, признавая значимость и необходимость натурных паводочных расходов для сопоставления с вычисленными, не регламентируют для дорожного строительства методы полевых гидрологических исследований и обобщения их результатов, а также не содержат в требуемом объеме рекомендаций по учету регулирования максимального стока, за исключением аккумуляции паводочного стока на малых водосборах.

Из анализа нормативных документов СН 435-72, ВСН 63-76, а также требований современного строительства дорог вытекает ряд задач гидрологического обоснования расчетных максимумов дождевого стока, которые требуют не только разработки на каждом объекте проектирования, но и ведомственного регламентирования дополнительно к рассмотренным нормативам [1, 11]. Для решения этих задач должны быть выполнены:

приближенные расчеты максимального дождевого стока на водосборах независимо от их величины и района строительства при любой степени обоснованности натурными данными и стадии проектно-изыскательских работ, а также расчеты в районах, не охваченных рекомендациями нормативных документов;

инженерно-гидрометеорологические изыскания максимального дождевого стока с получением натурных данных о паводочных расходах и условиях их естественного и искусственного разлива при любых степени изученности и районе проектирования;

обобщение результатов полевых инженерно-гидрометеорологических изысканий максимального стока и их использование для получения надежных расчетных максимумов стока в нормативных [11] или иных ведомственных схемах расчета для любого района;

расчеты максимальных дождевых расходов с учетом региональных особенностей естественного и искусственного регулирования паводочного стока, а также в особо сложных условиях его формирования.

Для районов, не охваченных рекомендациями нормативных документов [11], а также для приближенных расчетов максимальных расходов на первых стадиях проектирования ведомственные документы Минтрансстроя СССР - НИМП-72 [5] Руководство [8] и Указание [12] предусматривают применение метода расчета дождевых расходов Союздорпроекта [12]. Для предварительных расчетов максимальных дождевых расходов на стадии ТЭО и сравнения вариантов в полевых условиях допускается применение методики Руководства ЦНИИС - Главтранспроекта [8], в основу которой были положены Указания Союздорпроекта [12]. С учетом внесения дополнительно некоторых апробированных коррективов, касающихся максимумов 10%-ной вероятности превышения и ливневого районирования за пределами СССР, эта методика расчетов максимальных дождевых расходов приводится ниже (см. гл. 2).

Необходимость проведения инженерно-гидрометеорологических изысканий в составе инженерных изысканий автомобильных дорог впервые регламентирована СНиП II-А.13-69. В дальнейшем по поручению Госстроя СССР в Союздорпроекте были разработаны состав, технология и методы инженерно-гидрометеорологических изысканий и в том числе максимального стока, которые регламентированы Методическими указаниями [3] и Методическим руководством [4].

Завершением инженерно-гидрометеорологических изысканий является обобщение их результатов для целей расчетов максимальных расходов путем сопоставления с вычисленными по нормативам [1, 11, 12] или обоснование параметров расчетных формул [12] для исследуемого региона. Союздорпроектом впервые (1966 - 1967 гг.) в практике гидрологических обоснований дорожных сооружений методически обоснован и внедрен в проектирование метод обобщения результатов натурных измерений и инженерно-гидрометеорологических изысканий в виде линейно-региональных норм максимального стока. Разработаны (1967 - 1978 гг.) также расчетные нормы максимального стока и определены паводочные расходы на объектах, расположенных в ряде районов СССР и зарубежных стран (Афганистан, Непал, Ирак, Лаос, Танзания и др.). Этот метод рекомендуется ведомственными документами Минтрансстроя СССР [5] в виде Методического руководства [4]. С учетом некоторых сокращений и коррективов рекомендации по обобщению натурных данных и разработки линейно-региональных норм излагаются ниже (см. гл. 4).

Вопросы учета региональных особенностей естественного и искусственного регулирования паводочного стока и в особо сложных условиях его регулирования пока мало исследованы по ряду причин. Для некоторых из этих условий регулирования была разработана методика их учета. Отдельные методы учета региональных особенностей были регламентированы ведомственными документами [4, 12] и затем обобщены [7].

В связи с особенностями применения инструктивно-нормативных документов и спецификой требований строительства автомобильных дорог необходим следующий состав и порядок обоснований расчетных дождевых максимумов расходов воды для объектов строительства:

1. На предпроектных стадиях и начальных проектных работах (оценка вариантов сооружений, ориентировочных объемов работ или условий искусственного паводочного регулирования и т.п.) необходимы расчеты максимальных расходов, производимые методами, регламентированными Руководством ЦНИИС - Главтранспроекта [8] и Указаниями Союздорпроекта - Главтранспроекта [12].

2. На стадии разработки технического или техно-рабочего проекта нужны:

инженерно-гидрометеорологические изыскания максимального стока с определением натурных расходов и обобщением их параметров по территории района;

расчеты по СН 435-72, ВСН 63-76 и Указаниям [12], сопоставление результатов расчета с натурными расходами, установление расчетных максимумов для принятия проектных решений;

линейно-региональные нормы максимального стока и требуемые расчетные максимумы расходов для территорий и условий проектирования, не охваченных рекомендациями нормативных документов, для особо неизученных территорий (по усмотрению проектной организации).

3. На стадии рабочего проектирования нужны:

дополнительные инженерно-гидрометеорологические изыскания максимального стока с определением натурных расходов дождевых паводков, прошедших после производства аналогичных изысканий на предыдущих стадиях;

сопоставление полученных натурных расходов с принятыми на предыдущих стадиях проектирования и внесение необходимых коррективов в рабочие чертежи и материалы их обоснований.

Необходимость оценки предельных максимумов стока и учета влияния на паводочные расходы для условий естественного и искусственного регулирования максимального стока может возникнуть на любом из рассмотренных трех этапов обоснований проектных решений. Такая оценка может быть получена с использованием методов ведомственных обобщений и рекомендаций Союздорпроекта.

2. РАСЧЕТЫ МАКСИМАЛЬНОГО ДОЖДЕВОГО СТОКА И ЕГО АККУМУЛЯЦИИ ДОРОЖНЫМИ ВОДОПРОПУСКНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

Максимальные дождевые расходы расчетной ВП по ведомственным нормативам Союздорпроекта - Главтранспроекта [12] рекомендуется определять по формуле

где a_р - расчетная интенсивность осадков, соответствующая ВП для расхода, мм/мин; α_р - расчетный коэффициент склонового стока; F - водосборная площадь, км²; a_час - максимальная часовая интенсивность дождя, определяемая по приложению 1.

Рис. 1. Карта-схема ливневых районов СССР

для заданных ливневого района (рис. 1) и ВП, мм/мин; K_t - коэффициент редукции часовой интенсивности «осадков от времени формирования максимальных расходов на малых водосборах (приложение 2); Ф - коэффициент, учитывающий форму водосборов; С - коэффициент, учитывающий уменьшение влияния формы водосбора на величину максимального расчетного расхода; α₀ - коэффициент склонового стока при полном насыщении почв водой (приложение 3); φ - коэффициент редукции максимального дождевого стока в зависимости от размеров водосборной площади (приложение 4); K_у - коэффициент учета влияния крутизны водосборного бассейна (приложение 5); K_ф - коэффициент, учитывающий форму водосбора; δ_е - коэффициент, учитывающий естественную аккумуляцию дождевого стока на поверхности водосборов в зависимости от различной залесенности и почвогрунтов.

Коэффициент δ_е определяют по формулам:

для сплошной залесенности или однородных почвогрунтов по всему водосбору

для частичной залесенности и резких различиях почво-грунтов на водосборах

В формулах (5) - (7) λ_Д - коэффициент, учитывающий различную проницаемость почвогрунтов на склонах водосборов в расчетных условиях (приложение 6); β - коэффициент, учитывающий состояние почвогрунтов к началу формирования расчетного паводка (приложение 7); П - поправочный коэффициент на редукцию проницаемости почвогрунтов с увеличением площади водосборов (приложение 8); λ_ЛД, λ_ДГ - коэффициенты, учитывающие проницаемость грунтов на отдельных частях водосбора, различных по степени залесенности и почвогрунтам (см. приложение 6); f_Л, f_Г - коэффициенты, характеризующие величины отдельных частей водосбора, различных по степени залесенности и почвогрунтам; F_Л, F_Г - площади отдельных частей водосбора, занятые различными почвогрунтами и растительностью; F - площадь водосбора, км².

При проложении дороги по нескольким ливневым районам или в непосредственной близости от их границы (рис. 2) расчетные ливневые характеристики на участках, примыкающих к границе того или иного района, определяют по формуле

где a'_час - расчетная интенсивность часового дождя для переходного участка, устанавливаемого длиной 25 км в каждую сторону от границы ливневого района по направлению дороги, мм/мин. a_N, a_N+1 - часовые интенсивности дождя, определенные по табл. 1 и рис. 2 для двух соседних районов, мм/мин.

Для водосборов, площади которых находятся в нескольких ливневых районах, расчетная часовая интенсивность дождя определяется как средневзвешенная по площади.

В равнинной местности расчетный уклон I главного лога на малых водосборах может быть принят равным уклону лога у сооружения. На очень малых водосборах площадью до 1 км², а также на односкатных водосборах при неизменном, однозначном наклоне поверхности стекания (рис. 3) в качестве расчетного уклона главного лога может быть принят уклон между водораздельной точкой по главному логу и пониженной точкой живого сечения в створе перехода. При резкой смене уклонов, поверхности стекания на различных частях склонов по всей длине односкатных и малых водосборов (см. рис. 3), а также на средних водосборах расчетный уклон главного русла определится как средневзвешенный на расстоянии от верхней водораздельной точки до створа перехода. На больших и средних водостоках при наличии хорошо выраженного русла в качестве расчетного уклона главного лога принимается уклон реки в основном русле, характеризующий средний уклон на большем его протяжении вверх от створа перехода.

Рис. 2. Возможные (I, II) положения дороги относительно границ ливневых районов:

1 - трасса дороги; 2 - граница двух ливневых районов; 3 - участки районов

Рис. 3. Схемы к определению расчетного уклона I главного русла водотока выше створа проектируемой дороги

При оценке коэффициента формы K_ф (рис. 4) длину L главного лога на малых водосборах определяют от наивысшей водораздельной точки, расположенной по направлению главного лога. На больших водотоках длина главного лога может быть принята с достаточной степенью точности равной длине основного русла, определяющего форму и размеры водосборного бассейна.

Коэффициент С принимают в зависимости от площади водосбора:

В некоторых районах изысканий может возникнуть необходимость учета специфических факторов, регулирующих максимальный сток и присущих только одному району или отдельным водосборам и значительно влияющих на величину максимального расхода. По опыту гидрологического обоснования ряда дорожных объектов к этим факторам могут быть отнесены: меженный сток; бессточные емкости; пахотные земли на склонах; искусственное орошение; террасированное земледелие; заторность горных русел; влияние карстовых явлений; регулирование стока искусственными сооружениями; переливы паводковых вод из одного бассейна в другой; неустойчивое перераспределение стока между водотоками на выходе из гор; озерность и заболоченность; забор воды на хозяйственные нужды; многократность повторения расчетных паводков в муссонных районах; регулирование стока на широких поймах; транзитные участки русел; наледные явления и заледенелость русла; регулирование стока мелиоративными сооружениями; подпорные явления; наличие в бассейне населенных пунктов или построенных дорог и др.

Рис. 4. График для определения параметра Ф в формуле (4)

Эти факторы нужно учитывать в каждом конкретном случае путем введения в формулу (1) дополнительных коэффициентов, установленных по данным специальных исследований, а при их отсутствии на основе материалов полевых, гидрометеорологических обследований водосборов. В особо сложных случаях и при недостаточном материале полевого обследования для обоснования методов учета влияния этих факторов необходимо проведение гидрологических изысканий и исследований по специальным программам.

При введении в формулу (1) региональных факторов нужно учитывать их влияние исходя из особенностей внутригодового режима дождевого стока в районе изысканий. Необходимо также давать вероятностную оценку возможного совпадения паводочного периода с временем действия этих факторов как регулирующих.

Для учета некоторых особенностей регулирования максимального стока произведено [7] обобщение и систематизация различных расчетных методик. Некоторые из них вошли в ведомственные нормативы [3, 4, 8], остальные тоже можно рекомендовать для практического использования.

Влияние региональных факторов может проявляться на водотоках различной величины по-разному. Поэтому для каждого объекта необходимо устанавливать пределы применения коэффициентов, учитывающих региональные особенности водосборов не только по времени их действия, но и по площади водосбора.

Для установления региональных коэффициентов по данным полевого обследования или специальных исследований нужно использовать метод составления уравнений баланса стока на период формирования максимальной ординаты гидрографа расчетного паводка.

Предел аккумуляции паводочного стока регламентируется СНиП II-Д.7-62, согласно которому уменьшение максимальных расходов притока вследствие учета аккумуляции допускается не более чем в 3 раза. Дополнительные ограничения при создании временного пруда аккумуляции перед дорогой возникают в следующих случаях: 1) в горной и предгорной местностях при значительных уклонах главного лога; 2) в районах муссонного климата при возможности прохода расчетного паводка по частично или полностью заполненному пруду аккумуляции предыдущими дождями; 3) в местах затопления ценных угодий, населенных пунктов и т.п.; 4) в районах вечной мерзлоты с возможными условиями образования наледей. Эти ограничения оцениваются в каждом конкретном случае при проектировании отдельных или целой группы сооружений, так как они могут проявляться одновременно все в одном районе изысканий.

Расчетный расход воды в сооружении с учетом создания пруда аккумуляции на малых водотоках рекомендуется определять (в м³/с) по формуле

при

где Q_Р - максимальный расход дождевых вод расчетной ВП, определяемый по формуле (1), м³/с; W_Р - объем дождевого стока той же ВП, м³; W_ПР - объем пруда аккумуляции перед сооружением, м³; К_Г - коэффициент формы расчетного гидрографа паводка, равный 0,85 для районов немуссонного климата и 1,05 для муссонных районов при отсутствии ограничений для аккумуляции; 1000 - коэффициент, учитывающий размерности параметров, входящих в формулу (10); a_Р - расчетная интенсивность осадков, определяемая по формуле (2), мм/мин; α_Р - расчетный коэффициент склонового стока, определяемый по формуле (3); К₀ - коэффициент, учитывающий очертание продольного профиля дна пруда, равный 0,33; ω - площадь живого сечения водотока в створе сооружения при расчетном уровне подпертой воды (РУПВ), м²; H_ПР - максимальная глубина воды в пониженной точке живого сечения при РУПВ, м; I₀ - расчетный уклон лога на участке образования пруда аккумуляции; α - острый угол пересечения трассы дороги с водотоком; t_ф - расчетная продолжительность осадков, формирующих максимальную ординату гидрографа, определяемая в зависимости от площади F водосбора:

Форма гидрографов паводков при определении Q_с принимается в виде равнобедренного треугольника. Для: иного очертания гидрографа нужно использовать другие рекомендации [7].

При конфигурации живого сечения водотока с четко выраженными руслом и пойменными частями или участками с резкими различиями формы поперечного сечения (овраги, крутые лога и т.п.) определять объем пруда (в м³) рекомендуется по формуле (рис. 5):

где α, I₀ имеют обозначения те же, что и в формуле (11); В - полная ширина разлива потока в расчетном створе при РУПВ, м; , H_П, - средняя и максимальная глубины воды на самом высоком пойменном участке живого сечения при РУПВ, м; В_рi - ширина русла или другого характерного участка при РУПВ, м; H_рi - максимальная глубина русла при РУПВ, м.

Применение формулы (12) обосновано для одинаковых уклонов отдельных частей водотока и всей долины. При различных уклонах нужно брать

где I_П, I_pi - соответственно уклон самого высокого пойменного участка и уклон русла или других характерных участков речной долины. Остальные обозначения такие же, что и в формуле (12).

После расчета расходов в сооружении необходимо для каждого объекта предусматривать: 1) определение отверстий водопропускных сооружений и режима протекания; 2) установление расчетного уровня подпертой воды (РУПВ) при принятом режиме протекания воды через сооружение; 3) нанесение РУПВ на продольный профиль в местах пересечения водосборов; 4) определение минимально допустимой по СНиП II-Д.5-72 и СНиП II-Д.7-62 отметки бровки насыпи земляного полотна в местах устройства водопропускных сооружений; 5) проверку на возможный перелив через дорогу в пониженных местах проектной линии на продольном профиле, а также проверку на перелив через водоразделы вдоль дороги в соседние сооружения; 6) установление мероприятий по укреплению входных и выходных русел; 7) расчет и проектирование дамб обвалования в случае их устройства; 8) оценку продолжительности затопления ценных угодий (в мин) по формуле

где Q_c -расход воды в сооружении при РУВВ, м³/с; Q_min - то же, при минимальной допустимой отметке затопляемых угодий, м³/с. Остальные обозначения те же, что и в формуле (9).

При необходимости оценки продолжительности затопления ценных угодий при их согласовании в период изысканий расходы в сооружениях определяют по приближенным максимумам дождевого стока.

Рис. 5. Схема к определению объема пруда на водотоках с резким различием конфигураций отдельных частей живого сечения

Максимальные дождевые расходы и соответствующие им объемы стока рассчитывают по формулам (1) и (10) при отсутствии надежных данных гидрометеорологических наблюдений. Для получения расчетных максимумов, наиболее полно отражающих условия их формирования в районе проектирования, необходимо после выполнения изыскательских работ уточнять отдельные параметры формул (1) и (10) по материалам полевых обследований водотоков и длительных наблюдений на существующих водпостах и метеостанциях. Уточнению могут подлежать следующие расчетные характеристики: расчетная интенсивность осадков; неравномерное распределение расчетных осадков по направлению изыскиваемой дороги; коэффициент склонового стока; коэффициент редукции максимального дождевого стока; уклоны логов, пересекаемых дорогой; коэффициент неравномерности выпадения дождей по территории; форма водосборных бассейнов; степень и характер залесенности; категория и проницаемость почвогрунтов; состояние почвогрунтов к началу паводков; наличие и влияние региональных особенностей водосборов.

При уточнении расчетных параметров формул (1) и (10) необходимо учитывать возможные изменения во времени расчетных характеристик, вызываемые как естественным изменением гидрометеорологического режима стока, так и влиянием хозяйственной деятельности человека в течение нормативного периода службы проектируемых водопропускных сооружений.

В результате этих работ должны быть получены уточненные расчетные параметры, отражающие действительные гидрометеорологические условия заданного района изысканий и региональные особенности отдельных водотоков.

Одна из основных особенностей малоосвоенных зарубежных районов - отсутствие многолетних наблюдений за расходами воды при недостаточной сети пунктов гидрометеорологических наблюдений. Только в отдельных районах имеются некоторые материалы наблюдений за осадками по дождемеру в виде суточных максимумов, месячных и годовых сумм. На малых водосборах полностью отсутствуют какие-либо наблюдения за стоком и как следствие этого расчетные зависимости максимальных расходов.

В тех же зарубежных странах, где имеются рекомендации по расчету стока, они нередко носят ориентировочный характер или отражают условия одного из локальных районов, на материалах которого они построены. Применение этих зависимостей требует конкретных гидрометеорологических условий, так как возможны существенные просчеты в определении отверстий сооружений.

Применение методов расчета, параметры которых обосновываются в зарубежных странах косвенными аналогами с привлечением отдаленных физико-географических районов, не может быть оправдано, так как не отвечает действительным условиям стока района изысканий.

Наиболее обоснованной и применимой для расчетов максимального дождевого стока в зарубежных районах строительства является формула (1). Для учета не только общих гидрометеорологических закономерностей, но и местных особенностей паводочного стока целесообразна разработка линейно-региональных норм стока водотоков.

Основным методом обоснования линейно-региональных зависимостей признан метод, основанный на использовании результатов краткосрочных полевых обследований водотоков, выполненных в период изысканий автомобильных дорог.

Оценка предельных максимумов стока требуется для установления гарантийных запасов наиболее ответственных гидротехнических и дорожных сооружений, анализа технико-экономической эффективности капиталовложений в строительство различных объектов и для научного обоснования теоретических кривых распределения максимальных расходов водотоков в области расчетных ВП.

Из известных способов оценки предельных максимумов дождевого стока наиболее надежен метод определения физических пределов максимумов стока, потенциально возможных в конкретных метеорологических условиях [9, 7]. Он основан на положении о том, что наибольшая интенсивность стока А_В со склонов в русло (элементарный модуль стока) не может превышать при отсутствии заторов подпоров и других факторов, искажающих естественный режим паводочных условий, наибольшую интенсивность притока воды за расчетный интервал времени, т.е.

где a_m - максимальная интенсивность дождя, мм/ч; α_р - наибольший элементарный коэффициент стока со склонов.

Максимальную интенсивность дождя определяют по формуле (2) для переменного интервала времени t_ф дождя, формирующего максимальные модули стока с элементарных бассейнов.

Максимальная интенсивность часового дождя изменяется в пределах: от 60 до 80 мм/ч в восточных районах Азиатской части СССР; 300 - 350 мм/мч в южной части США и в юго-восточной Азии. Для этих районов при α_р = 1 предельные максимумы колеблются A_В ≤ 23 ÷ 98 м³/с с 1 км².

При наличии только суточных максимумов осадков выражение (15) может быть представлено в следующем виде:

где H_СТ - максимальный суточный слой осадков, мм; к_Ч - переходный коэффициент от суточного слоя осадков к часовому.

Предельные величины А_В и H_СТ для наиболее ливнеопасных районов приведены в табл. 2.

Таблица 2

При наличии материалов обследований редких паводков значения натурных максимальных элементарных модулей могут быть вычислены по данным фактических измерений:

где Q_m - максимальный натурный расход воды, определенный по данным полевого гидрометеорологического обследования, м³/с; δ_р - обобщенный коэффициент, учитывающий регулирование максимального стока озерами, болотами, лесами и другими региональными факторами. Остальные обозначения те же, что и в формуле (4).

Сопоставление вычисляемых по формуле (17) максимальных элементарных модулей стока с теоретическими, определяемыми по выражению (15), позволяет оценить вероятность превышения любого наблюдавшегося паводка.

3. ИНЖЕНЕРНО-ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА

Изыскания для определения максимальных расходов выполняют в составе инженерных гидрометеорологических изысканий автомобильных дорог, регламентированных «Методическими указаниями по инженерно-гидрометеорологическим изысканиям автомобильных дорог» [3], в которых определена общая методика, состав, порядок и объемы работ. Объем и характер изысканий зависят от сложности и степени изученности природных условий района, а также от стадии проектно-изыскательских работ (технико-экономическое обоснование, технический проект и рабочие чертежи).

Изыскания на стадии ТЭО проводят для получения минимально необходимых данных в объеме, достаточном для оценки вариантов и выбора основного направления трассы дороги. Гидрометеорологические условия формирования максимальных расходов изучают путем ознакомления с имеющимися материалами литературными, фондовыми и изысканий прошлых лет, осмотром в натуре отдельных сложных участков и расчетами по формулам (1) и (10). Полевые обследования для оценки максимальных расходов по натурным данным не выполняют. Исключение составляют отдельные объекты, находящиеся в районах с наиболее сложными природными условиями. В этих случаях полевые обследования выполняют по сокращенной программе и лишь на эталонных участках дороги.

Изыскания для технического проекта заключаются в детальном изучении гидрометеорологических, условий района проложения дороги по выбранному направлению и конкурирующим вариантам в объеме, достаточном для выполнения расчетов максимальных расходов. Основной метод изысканий - морфометрическое обследование всех пересекаемых водотоков с определением натурных расходов по меткам и следам паводков прошлых лет. Гидрометрические изыскания выполняют на наиболее сложных и больших мостовых переходах. При необходимости на стадии технического проекта разрабатывают линейно-региональные нормы максимального стока.

Изыскания для составления рабочих чертежей позволяют уточнить и детализировать исходные данные, полученные при изысканиях для технического проекта и корректировки результатов расчетов максимальных расходов. Дополнительные исходные данные собирают в случае, если имеется длительный перерыв во времени между изысканиями для технического проекта и рабочими чертежами, если за этот период наблюдались высокие паводки, близкие к расчетным, или выше их, а также при недостаточной обоснованности расчетных гидрометеорологических характеристик, установленных на стадии предыдущих изысканий.

Для одностадийного техно-рабочего проекта изыскания выполняют в одну стадию с получением исходных материалов, достаточных для составления проекта, разрабатываемого со степенью подробности рабочих чертежей.

Если краткосрочные инженерные гидрометеорологические изыскания не раскрыли или не могут раскрыть режима или динамики физических процессов, региональных особенностей района, предусматривается постановка стационарных наблюдений по специальным программам.

Изыскания для технического проекта, рабочих чертежей и техно-рабочего проекта проводят в три периода: подготовительный, полевой и камеральный. В подготовительный период собирают, обобщают, предварительно изучают исходные данные и составляют программу и смету проектно-изыскательских работ. Иногда для этой цели дополнительно выполняют рекогносцировочное обследование. В полевой период выполняют предусмотренные программой полевое обследование и часть камеральных работ, необходимых для своевременного контроля полноты и качества полевых работ. В камеральный период обрабатывают материалы изысканий, выполняют расчеты и обоснования, а также составляют отчетные материалы.

В состав инженерных изысканий для расчетов максимальных расходов входят следующие работы: 1) определение гидрографических характеристик водосборов; 2) линейные обследования малых и средних водотоков; 3) экспресс-метеорологические наблюдения за дождевыми осадками в районе изысканий; 4) обследования больших водотоков; 5) обследования существующих сооружений; 6) обследования для выявления региональных особенностей максимального стока.

Гидрографические характеристики определяют по имеющимся топографическим материалам, а при их недостаточности или полном отсутствии - по данным полевых рекогносцировочных обследований местности. В результате этого получают следующие сведения: 1) название и местоположение водосбора по трассе дороги, площадь бассейна, длину водотока; 2) отметки истока и у расчетного створа, общий характер рельефа бассейна (равнинный, холмистый, горный) и уклон лога; 3) типы почв, видовой состав растительности и их распространение по направлению дороги и площади каждого водосбора; 4) наличие и местоположение озер, болот, марей, бессточных впадин, пахотных земель, а также карстовых, мерзлотных и других явлений; 5) наличие и местоположение прудов, водохранилищ, каналов, арыков, плотин, запруд барражей, мельниц, мостов и других искусственных сооружений.

После установления границ водосборов, пересекаемых трассой дороги, составляют общий план бассейнов, на котором показывают проектируемую дорогу, намечаемые варианты, границы бассейнов, русла водотоков, лога и тальвеги со всеми притоками, существующие дороги и другие искусственные сооружения, озера, болота, мари, границы лесов, пашен и других угодий, а также населенные пункты. На каждом бассейне указывают порядковый номер водосбора по ходу пикетажа или километража, площадь бассейна в квадратных километрах и название водотоков.

На водосборах с неясно выраженными водоразделами уточняют границы бассейнов путем аэровизуальных или наземных рекогносцировочных обследований либо инструментальными измерениями с разбивкой в натуре сети тахеометрических ходов и с обязательной фиксацией контрольных точек: истоков, смежных водоразделов, мест выплесков воды (переливов) из одного бассейна в другой, имеющих в некоторых случаях самостоятельные русла, и т.п. Способ полевых обследований неясно выраженных водоразделов определяют в конкретном случае, исходя из стадии, сроков и объемов изыскательских работ, наличия топографических материалов, характера местности и степени залесенности. При необходимости определения границ бассейнов путем их обследования в незалесенной и открытой местности с хорошо выраженными водоразделами целесообразны теодолитные хода по боковым и верховым водоразделам с замером расстояний и румбов.

В случаях хорошо выраженного верхового водораздела производят теодолитный ход по этому водоразделу, а также аналогичные хода по дну логов от трассы дороги до этого водораздела. Боковые границы водоразделов устанавливают по водораздельным точкам продольного профиля дороги и общим очертаниям верхового водораздела и соседних логов. В более сложных случаях целесообразно уточнять границы обходом бассейнов по румбу вдоль боковых водоразделов или прокладывать теодолитные хода.

В предгорных и других районах, где наблюдаются случаи образования малых водотоков из больших путем выплеска воды из русла на пойму, необходимы также теодолитные хода вдоль русла малых водотоков до мест их образования для определения длины водотока и режима стока.

При определении границ бассейнов в залесенной местности с неясно выраженными водоразделами рекомендуется способ разбивки магистральных тахеометрических ходов вдоль трассы дороги, располагаемых на различных расстояниях друг от друга в зависимости от необходимости выявления конкретных водораздельных пространств. При прокладке этих ходов производят минимальную рубку визирок с произвольными расстояниями между горизонтальными углами поворота, но с обязательным их замером. Измеряют также с начала хода расстояния и вертикальные углы на резких переломах рельефа и стоянках инструмента с целью построения продольного профиля. Для выявления отдельных частных водоразделов производят висячие теодолитные хода от магистрального хода.

Водораздельные контрольные точки между бассейнами определяют по построенным продольным профилям теодолитных ходов. Этот метод наиболее эффективен для выявления границ малых водосборов, входящих в систему больших бассейнов, но он применяется и для выявления границ больших и средних бассейнов со слабовыраженными боковыми водоразделами.

Границы между водосборами окончательно уточняют по замыкающему створу, совпадающему с трассой проектируемой дороги. Указанное уточнение целесообразно производить по продольному профилю дороги.

Если на водосборах имеются автомобильные или железные дороги, границы бассейнов определяют с учетом их положения. На плане бассейнов обозначают все водопропускные сооружения на дорогах и устанавливают границы бассейнов, с которых формируются максимальные расходы в этих сооружениях.

При гидрографическом изучении водотоков устанавливают границы районов или участков дороги с однородными морфологическими признаками по типам почво-грунтов, растительности и рельефа. Для установления районов с одинаковым рельефом и формой бассейнов производят графическое построение зависимости длин, ширин и уклонов водотоков от соответствующих им площадей бассейнов. При недостаточности исходных данных указанные соотношения ограничивают построением зависимости длин водотоков от площадей бассейнов, косвенно учитывающей свойственное данному району соотношение морфометрических элементов водосборов.

В результате работ по определению гидрографических характеристик представляют следующие материалы: 1) сводный план бассейнов и планы отдельных бассейнов; 2) ведомость расчетных данных по трассе дороги, вариантам и обследуемым существующим дорогам с указанием гидрографических характеристик; 3) гидрографические зависимости водосборов по однородным районам; 4) материалы полевых рекогносцировочных обследований - планы, маршруты, водораздельные точки и границы бассейнов; 5) региональные факторы регулирования максимального стока.

Линейные обследования малых и средних водотоков производят по всем вариантам дороги и пересекаемым водотокам. Из-за невозможности постановки гидрометрических наблюдений на малых и средних водотоках производят лишь морфометрическое или гидроморфометрическое обследование без наблюдений за проходом паводка. В состав работ по этим обследованиям входят: выбор и разбивка на местности расчетного морфоствора и определение морфологических характеристик; установление отметок УВВ по следам прошедших паводков; определение продольных уклона и профиля реки; установление деформаций русла и берегов; определение гидрометрических характеристик водотоков в период обследования; визуальная характеристика водотока.

Пересечение большинства малых водотоков, как правило, подчиняют направлению дороги, поэтому необходимо учитывать наличие косины потока путем разбивки на местности дополнительных морфостворов, начало которых в некоторых случаях для удобства работ может иметь общую точку с трассой дороги. Когда пересечение нормально к потоку, в качестве расчетного должен быть принят створ по трассе дороги. На каждом из пересекаемых водотоков устраивают не более одного морфоствора. К расчетному створу предъявляются следующие требования: наличие прямолинейного участка водотока с параллельным направлением течения и отсутствием значительной косоструйности; отсутствие ежегодно деформирующихся берегов русла и резкого изменения продольного профиля дна; наименьшая ширина створа при УВВ; отсутствие подпора от какого-либо источника; отсутствие волновых явлений; отсутствие конусов выноса, островов и староречий.

Отметки УВВ паводков прошлых лет устанавливают на каждом из пересекаемых водотоков по следам и меткам прошедших паводков, по опросам очевидцев и старожилов, по ботаническим и различным визуальным признакам. К меткам и следам относят: 1) остатки карчехода, сухой травы, сучьев, тростника и т.д. на берегах, деревьях, кустах, откосах дамб и дорог; 2) отложение наносов реки на берегах, коре деревьев, плотинах; 3) загар на скалах, свежие подмывы крутых берегов, следы на опорах мостов, зданий и других сооружений. Не все метки и следы на местности могут характеризовать истинную картину прошедших паводков и их величину. Репрезентативность меток для каждого водосбора проверяют тщательным образом, учитывая возможные размывы и обвалы берегов, поднятия местности, особенности жизни микроорганизмов не на высоких, а на среднемноголетних уровнях воды, возведение и прорывы плотин, набег волны от динамического воздействия потока, динамико-кинематический эффект - возникновения гребенчатообразных волн и т.п.

Отметки УВВ по следам и меткам устанавливают по обоим берегам водотока - не менее трех точек по каждому берегу. УВВ желательно находить на разном расстоянии от створа перехода в пределах съемки продольного профиля реки. В некоторых районах возможны случаи нахождения следов нескольких паводков, разных по величине и времени прохода. Поэтому на каждом водотоке нужно выявлять следы, принадлежащие к разным паводкам, и обязательно их фиксировать, различая по годам и давности.

При опросе очевидцев и старожилов получают сведения у нескольких лиц и в разных местах наблюдений. Особую ценность представляют те места, где старожилы отчетливо помнят высокую воду по каким-либо характерным признакам или событиям, которые не претерпели изменений за прошедшее время. У старожилов выясняют также, в чем видят они причину появления самого высокого паводка. Эти сведения помогают в некоторых случаях установить региональные факторы, действующие в данном районе на формирование высоких паводков. Установленные УВВ закрепляют на местности, нивелируют и привязывают в плане к положению места перехода.

Сведения о выдающихся паводках могут быть получены в местных организациях: в дорожных участках и управлениях, совхозах, колхозах, поселковых, сельских и районных Советах. Несомненный интерес представляют обобщения собранных данных о выдающихся паводках и наводнениях в проектных организациях, а также в ряде литературных источников [7, 9].

Одновременно с определением УВВ на каждом водотоке должны быть зафиксированы уровни воды на дату полевого обследования. Уклон водной поверхности рекомендуется определять по урезу воды на момент производства работ. При отсутствии воды в русле продольный уклон необходимо определять по дну водотока, а также по следам уровней высоких вод. Для полной характеристики водной поверхности нивелируют продольный профиль реки. Протяженность участка нивелирования зависит от характера водотока и типа русловых процессов на нем и составляет для малых водотоков не менее 0,7 - 1 км. Одновременно с определением продольного уклона нивелируют кромки левого и правого берегов.

На каждом водотоке устанавливают тип и характер руслового процесса, а также ежегодные деформации берегов. Оценку деформаций производят с целью выявления изменений, прошедших с момента прохода паводка, зафиксированного по следам на местности. Для установления размеров и наличия русловых и прибрежных деформаций нужно использовать прошлые съемки, лоцманские карты и т.п., а также опросить старожилов.

При обследовании водотоков производят визуальную характеристику грунтов русла, устанавливают характер залесенности, состояние ложа и степень его извилистости, наличие карчехода, наледей, снегозаносов, заторов, искусственной аккумуляции воды перед сооружением и т.п. Визуально оценивают коэффициенты шероховатости русла и возможные скорости течения.

Обследования больших водотоков при изысканиях дорог значительного протяжения независимо от степени их изученности осуществляют преимущественно морфометрически или гидроморфометрически без натурных наблюдений за проходом паводка.

Гидрометрические наблюдения производят выборочно только на особо сложных или отдельно изыскиваемых больших переходах. Такие обследования по времени прохода паводка могут не совпадать со сроками изыскательских работ на объекте, а поэтому их целесообразно выполнять до начала основных изысканий. Количество створов и пунктов наблюдений, а также их местоположение на трассе изыскиваемой дороги определяют в зависимости от степени гидрологической изученности района, сложности гидрометеорологической обстановки и сроков проведения изыскательских работ. Целесообразно размещать пункты гидрометрических наблюдений в местах предполагаемых переходов и на репрезентативных участках рек. Желательно их располагать с учетом возможного производства работ одновременно на двух близлежащих реках. На больших водотоках в особо неизученных и ответственных районах организуют не менее двух пунктов наблюдений.

Гидроморфометрические обследования предусматривают гидрометрические измерения при уровнях воды, фиксируемых в период обследования водотока. При гидроморфометрических обследованиях дополнительно к работам, производимым при морфометрических обследованиях, производят наблюдения за уровнем воды и уклонами водной поверхности, выборочные измерения скоростей течения и расходов, установку реек для фиксирования максимальных уровней воды.

Состав и способы производства полевых работ при морфометрическом и гидрометрическом обследованиях больших водотоков регламентированы ведомственными документами [3, 5].

В результате камеральных работ при морфометрических обследованиях представляют живые сечения по расчетным морфостворам, отметки характерных уровней воды и УВВ прошлых паводков, продольный профиль реки и расчетный уклон водной поверхности. В этот же период выполняют морфометрические расчеты расходов с построением основных морфометрических зависимостей.

При наличии на реке пунктов гидрометрических наблюдений составляют кривую связи и после переноса уровней на створ перехода производят построение графика колебаний уровня за характерные годы, а также статистические расчеты с определением уровней различной ВП паводка.

При гидрометрических обследованиях в дополнение к камеральным работам, предусмотренным при обработке морфометрических обследований, производят: обработку результатов полевых измерений; построение зависимостей измеренных расходов, скоростей течения, уклонов и коэффициентов шероховатости от уровней воды; построение эпюры средних, поверхностных, донных скоростей течения и элементарных расходов по вертушечным наблюдениям; анализ течения реки по траекториям движения поплавков.

Обследование построенных водопропускных сооружений производят с целью получения дополнительных сведений о максимальных расходах и пропускной способности сооружений. Эти данные используют для наиболее надежного обоснования расчетных характеристик максимального стока. Обследования производят как на дорогах, расположенных в районе изысканий, так и на близлежащих, получая следующие данные: схему сооружения; годы постройки сооружения и восстановлений при разрушениях; продольные и поперечные профили подходов и регуляционных сооружений; живое сечение водотока до стеснения его сооружениями и после; акты о проходе паводков через сооружения с указанием отметок и дат УВВ; уклоны водной поверхности; визуальную характеристику каждого сооружения (достаточность отверстия, состояние регуляционных сооружений, подходов, траверс, дамб обвалования, запруд, шандоров, размывы за сооружением и т.д.); гидрографические характеристики водотоков до створа существующего сооружения; размеры искусственной аккумуляции воды перед сооружениями.

В результате камеральных работ составляют ведомость обследованных сооружений с указанием всех расчетных характеристик, а также схему расположения этих сооружений. Эти документы являются основными для обоснования натурных расходов.

Данные о работе существующих водопропускных сооружений по пропуску паводковых вод содержат ценную информацию о фактическом характере и величине максимального стока в различных климатических районах. К сожалению, до настоящего времени использованию такой информации в расчетах стока уделяется недостаточно внимания, особенно гидрометеорологическими организациями.

Обследования для установления региональных особенностей максимального стока выполняют в районах с особыми природными условиями и недостаточной их гидрологической изученностью. Сроки обследований определяют индивидуально по каждому объекту. В состав работ при этих обследованиях входят: 1) выявление региональных факторов, требующих обследований для установления методов их учета; 2) выявление отдельных водотоков, на которых требуется учитывать региональные особенности формирования максимального стока или особые случаи его расчетов; 3) линейные обследования на водотоках, подверженных влиянию региональных факторов; 4) получение гидрографических характеристик по тем створам, где проявление региональных особенностей не прослеживается; 5) установление характера и степени влияния, а также методов учета региональных особенностей водосборов.

Объем, состав и способы полевых обследований устанавливают в зависимости от конкретных условий. Полевые обследования целесообразны на тех водосборах, где изучаемые региональные особенности формирования максимального стока проявляются в явном виде без искажения другими факторами. В особо сложных случаях необходимы гидрологические изыскания и исследования по специальным программам. При проведении полевых обследований и гидрологических изысканий по специальным программам необходимо учитывать возможные изменения во времени расчетных характеристик, вызываемые как естественным изменением гидрометеорологического режима стока, так и влиянием хозяйственной деятельности человека в течение нормативного периода службы проектируемых водопропускных сооружений.

В специальных программах нужно предусматривать: полевые работы для связи с существующими в районе изысканий пунктами гидрометеорологических наблюдений; краткосрочные гидрометрические наблюдения на выборочных створах рек; наблюдения за метеорологическими характеристиками; специальные наблюдения за изучаемыми гидрометеорологическими характеристиками; полевые обследования выборочных водотоков после прохода больших паводков в период гидрометеорологических наблюдений; камеральную обработку материалов наблюдений. В результате работ для установления связи с существующими пунктами наблюдений составляют: схему расположения пунктов гидрометеорологических наблюдений, обобщая сведения о ежедневных наблюдениях за осадками, уровнями воды, а также изменениями расходов, уклонов, глубин и скоростей течения воды; описание особенностей географического и орографического расположения пунктов наблюдений и оценку репрезентативности данных наблюдений и измерений; морфостворы пунктов гидрометрических измерений.

Для выявления факторов, устанавливаемых по специальным программам, в ряде случаев возникает необходимость проведения обследований в сроки, отличные от сроков инженерных изысканий, а также проведения работ, требующих длительных стационарных наблюдений. Таковы, например, наблюдения на реках с влиянием приливно-отливных явлений. Для таких работ в ряде случаев требуется организация специализированных полевых подразделений.

Обследования для установления региональных особенностей максимальных расходов нужно выполнять в приемлемые сроки для обеспечения проектирования, а поэтому необходимо предусматривать работы ускоренными и приближенными методами, а также с учетом уточнения между стадиями проектно-изыскательских работ. В отдельных случаях для таких обследований привлекают специализированные научно-исследовательские организации.

В тех районах, где сведения об осадках отсутствуют или крайне недостаточны, для обоснования ливневых характеристик необходимо предусматривать организацию полевых экспресс-метеорологических наблюдений за осадками. Программу этих наблюдений составляют в зависимости от степени изученности района, местных климатических условий, направления дороги, сроков изыскательских работ и типа измерительных приборов.

Основная цель экспедиционных экспресс-метеорологических наблюдений: 1) выявление характера синоптической обстановки в период выпадения стокообразующих дождей; 2) определение суммарного количества осадков за период наблюдений; 3) установление внутригодового распределения осадков; 4) определение максимальных интенсивностей осадков за различные интервалы времени (10, 20, 30, 60 мин, 1, 2 и 3 сут); 5) установление связи с существующими пунктами наблюдений; 6) определение площадей одновременного выпадения дождей; 7) установление коэффициента для перехода от суточного максимума к фактическим осадкам, выпадающим за сутки.

В отдельных случаях полевые измерения осадков целесообразно совмещать с гидрометрическими работами, обустраивая площадки для метеорологического оборудования. Места наблюдений должны быть определены не только в зависимости от местонахождения пунктов гидрометрических работ, но и в связи с необходимостью получения сведений, которые могли бы характеризовать весь район изысканий.

Работы по измерению осадков желательно производить не только в период экспресс-метеорологических наблюдений, но и в течение последующих проектно-изыскательских работ независимо от стадий проектирования.

Учитывая специфику изыскательских работ, необходимо считать наиболее удобным в производстве работ осадкомер системы Третьякова. Количество приборов и места их установки определяются конкретными условиями, но не менее двух на участок дороги протяжением до 50 км. При размещении пунктов наблюдений необходимо учитывать орографические особенности района и другие условия, влияющие на характер выпадения осадков. Осадкомер устанавливают на столбе высотой 2 м от поверхности земли.

На пунктах наблюдений должны быть организованы ежедневные измерения выпадающих осадков. Измерять осадки рекомендуется через каждые 8 ч. Особое внимание должно быть обращено на отдельные значительные дожди с фиксированием его начала и конца, интенсивных частей дождя и определения количества осадков, выпавших в требуемые интервалы времени. В процессе работ по измерению осадков должны быть отмечены также условия, сопутствующие выпадению дождей (направление движения туч, скорость и сила ветра и т.д.).

После фиксирования дождей особой силы необходимо в кратчайшее время произвести рекогносцировочное обследование территории района с целью определения границ дождя и количества выпавших осадков. В имеющихся населенных пунктах должны быть опрошены очевидцы и осмотрены предметы и сосуды, которые могли бы задержать на своей поверхности выпавшие осадки. Записи ежедневных наблюдений оформляют в полевых журналах, а результаты опросов жителей и осмотра местности - соответствующими актами.

В результате камеральных работ по обработке материалов экспресс-метеорологических наблюдений должны быть получены следующие материалы: 1) таблица измеренных осадков, выпавших за различные интервалы времени; 2) кривые связи с существующими метеостанциями и выявление дождей, зафиксированных одновременно на метеостанциях и экспедиционном пункте наблюдений; 3) акты опросов старожилов о выдающихся дождях; 4) таблица осадков и пунктов, зафиксированных после прохода особо сильных дождей.

4. РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНО-РЕГИОНАЛЬНЫХ НОРМ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА

При разработке и обосновании линейно-региональных норм выполняют: 1) расчеты расходов по следам паводков и по многолетним наблюдениям; 2) оценку ВП наблюдавшихся расходов, уровней и дождевых осадков; 3) построение зависимости максимальных модулей стока от площади водосбора; 4) оценку достоверности исходных материалов и результатов расчетов; 5) расчеты ливневых характеристик максимального стока и обоснование их распределения по территории района изысканий; 6) анализ применимости в заданном районе существующих теоретико-эмпирических формул; 7) обоснование параметров расчетной формулы максимального стока [1]; 8) установление методов разработки коэффициентов, учитывающих региональные особенности района изысканий и отдельных водотоков; 9) сопоставление результатов расчета (по региональной формуле) с натурными наблюдениями.

Расходы по следам паводков вычисляют морфометрическим путем, предусматривая: 1) обработку полевых журналов и вычисление отметок; 2) вычерчивание живых сечений и продольных профилей водотоков; 3) определение расчетных уклонов водной поверхности; 4) анализ достоверности следов паводков и установление расчетных уровней воды на каждом створе; 5) определение расчетных расходов и составление ведомости расчетных данных; 6) вероятностную оценку наблюдавшихся максимумов.

Живые сечения и продольные профили водотоков строят в единой системе отметок - условной или в отметках изыскиваемой дороги. На живые сечения наносят уровни воды паводков всех лет. Живые сечения строят по всем переломным точкам, зафиксированным в нивелировочных журналах. На продольных профилях указывают очертание дна водотока, кромки берегов, уровни межени и все точки зафиксированных УВВ. На продольный профиль наносят предполагаемую линию поверхности высокой воды путем проведения через точки УВВ спрямляющей прямой, наклон которой сопоставляют с прямой, проведенной по пониженным точкам дна водотока и уклонам межени.

Отметку РУВВ определяют в месте пересечения этой спрямляющей линии УВВ с расчетным створом. В случае если точки УВВ не дают возможности достаточно обоснованно провести спрямляющую прямую, производят дополнительный их сбор на местности. При незначительных расхождениях в отметках УВВ, определенных по спрямляющим прямым левого и правого берега, за расчетную на данном створе принимают среднюю или наиболее достоверную. В случае значительных расхождений устанавливают причину этого явления.

Если отсутствуют надежно измеренные в паводок уклоны водной поверхности, то в качестве расчетных принимают уклоны, вычисленные по спрямляющим прямым. В некоторых случаях расчетными принимают уклоны меженных вод. При недостаточности данных, отсутствии межени (на периодических водотоках) для расчетов принимают уклон дна водотока, который целесообразно определять по плану в горизонталях в направлении динамической оси основного потока.

На живом сечении водотока выделяют участки с одинаковыми ситуационными, грунтовыми и морфологическими признаками. Обычно всегда удается выделить русло и пойму. В зависимости от типа реки могут быть выделены дополнительные участки в русле или на пойме. Необходимо опознавать и выделять лишь наиболее крупные участки речной долины без излишней детализации. Для установления границ между этими участками полезны планы в горизонталях и инженерно-геологические разрезы переходов, которые дают возможность оценить работу водного потока в поперечном сечении по разности гранулометрического состава грунтов и наносов.

В створах, расположенных на излучинах рек, необходимо учитывать влияние поперечного уклона водной поверхности на разность отметок Δh этих уровней на различных берегах:

УВВ на горных и предгорных реках со значительными скоростями течения нужно определять с учетом возможного их завышения от динамического набега Δh_наб воды на берега, деревья, откосы насыпей, дамбы [5]:

Здесь R - средний радиус излучины, м; в_р - ширина русла, м; g - ускорение силы тяжести, м/с²; v_cp - средняя бытовая скорость потока в заданном створе, м/с; v - средняя бытовая скорость течения на вертикали с максимальной глубиной в месте набега, м/с; α - угол между направлением течения и местом набега.

Уровни высокой воды могут быть установлены по следам паводков на опорах мостов. На горных и предгорных реках отметка H_Г УВВ в створе моста может быть получена [7] по формуле

где Н₀ - наибольшая отметка набега воды на одну из опор моста; v_ср - средняя бытовая скорость течения воды в подмостовом створе, м/с; К_с, α_у, K_у - поправочные коэффициенты, определенные из соотношений:

По поперечным сечениям, ограниченным РУВВ, определяют ширину потока, площадь живого сечения ω и средние глубины H раздельно для каждого намеченного характерного участка. Расход воды для каждого участка поперечного сечения водотока определяют [5] по формуле

где т = 1:n - обратная величина так называемого коэффициента шероховатости, определяемая по шкале М.Ф. Срибного или по натурным данным; cosα - поправка, учитывающая косину струй в расчетном створе; I - продольный уклон водотока.

В ряде случаев на одной и той же реке с одинаковыми табличными характеристиками натурный коэффициент шероховатости n не отвечает рекомендуемым [5] данным М.Ф. Срибного. Подобное несоответствие наблюдается как на равнинных, так и на предгорных и горных реках. Установлено [5], что структура формулы Шеза-Маннинга, используемая в формуле (21), не отражает скоростей течения предгорных водотоков с распластанными руслами. Поэтому для таких условий рекомендуется формула ¹

где А и х - параметры, учитывающие изменения скоростей течения предгорных рек от глубин воды в их руслах. При больших глубинах А = 1, при H ≤ 1,7 м А = 1,07. Значения х и AH^х для таких глубин:

¹ Формула (22) предложена Б.Ф. Перевозниковым.

Учитывая недостатки принятой схематизации морфометрических расчетов, необходимо для повышения их надежности оценивать вычисляемые по формулам (21) и (22) расчетные скорости течения путем сопоставления с данными табл. 3 [5] в зависимости от средних глубин воды в русле H_ср и диаметра d_cр фракций грунта, слагающего перемываемую (верхнюю) часть дна русла.

Таблица 3

Примечание. 1. Расчетные скорости течения воды приведены для ВП = 1%. При других ВП необходимо v умножать на коэффициент λ.

2. Эквивалентный диаметр d_э связных грунтов при пользовании таблицей устанавливают по расчетному сцеплению С грунта:

Значение скоростей для разных ВП определяют с учетом коэффициента λ:

Расчетные русловые скорости должны быть не более величин, приведенных в табл. 3. Однако имеются отдельные случаи резкого отличия натурных и табличных значений скоростей. Такие случаи учитывают особо.

При наличии измеренных скоростей течения v_ср и продольного уклона I водотока коэффициенты шероховатости русла определяют из формул (20), (21) и строят зависимость n_р = f(h). Эту зависимость экстраполируют до значений РУВВ и соответствующих им величин n_р. Расход всего живого сечения определяют суммированием вычисленных по формуле (21) расходов для каждого участка рассматриваемого сечения. Для расчетных створов строят зависимости гидравлических характеристик русла и пойм от изменения уровня воды: v, h, ω, Q, I, n = f(h).

Методы определения расходов воды по следам паводков на водопропускных сооружениях основаны на оценке их водопропускной способности при наблюдавшихся УВВ с учетом влияния искусственной аккумуляции и других регулирующих факторов [2].

При анализе наблюдавшихся максимальных расходов устанавливают их повторяемость и способы перехода к расходам заданной ВП. Методы оценки повторяемости определяются исходными предпосылками: 1) известно лишь время, за которое паводок был наибольшим; 2) имеется один или несколько максимумов, дата прохода которых неизвестна; 3) наблюдения за паводками ведутся длительное время; 4) один или несколько максимумов находятся по времени вне ряда наблюдений; 5) существуют сведения о паводках за непродолжительное время по группе водосборов.

Повторяемость расходов устанавливают следующими методами: по многолетним наблюдениям; по опросу старожилов; по давности следов паводков; по литературным и архивным источникам; по повторяемости основных стокообразующих факторов; по повторяемости паводков на реках-аналогах; удлинением, восстановлением и моделированием рядов наблюдений.

Считают, что следы паводков на местности в виде следов наносов остатков сухих веток, травы на деревьях и кустарнике нужно относить к паводкам повторяемостью 10 - 20 лет. В некоторых районах следы на местности могут принадлежать паводкам и более редким. При определении УВВ по смыву загара или мохового покрова на скалах верхняя граница полосы смыва может приниматься за уровень с ВП = 20 ÷ 25%. Для муссонных районов с коэффициентом вариации C_v - 0,2 ÷ 0,4 верхняя граница полосы смыва отвечает уровню воды с ВП = 2 ÷ 3%. Следы на местности помогают определять давность прохода паводка, но не вероятность превышения. Как правило, следы сохраняются на местности в течение 10 - 15 лет, если не пройдет паводок более высокий и не смоет их.

Период с момента прохода высокого паводка определяют по ботаническим признакам: по молодой поросли на деревьях, поваленных и погибших после подмыва берега или принесенных во время карчехода; по виду пойменной древесной растительности и ее возрасту. Изучают возраст растительности на пойменных озерах, староречьях и протоках.

Сведения, полученные по меткам паводков, опросам старожилов, сопоставляют и увязывают с имеющимися литературными и архивными данными. Если УВВ наблюдался как наибольший за период п_др лет, то его эмпирическую ВП (в %) оценивают по формуле

Если удалось установить положение второго и третьего по величине УВВ, то ВП этих максимумов может быть также определена по этой же формуле (23) для соответствующего его порядкового номера m_п.

Оценка повторяемости наблюдавшихся расходов с привлечением рек-аналогов заключается в выявлении степени однородности стокообразующих факторов и установлении возможности сопоставления с датами прохода паводков редкой повторяемости на реках-аналогах. Однако ВП паводка имеет переменную величину на различных створах одного и того же водотока и изменяется по его длине в зависимости от величины и формы водосбора. В связи с этим такой прием наиболее эффективен при определении ВП на малых водотоках, схожих по величине и форме, а также в муссонных районах с интенсивной ливневой деятельностью. Нередко годы прохода катастрофических наводнений совпадают в нескольких различных районах.

Наряду со сведениями о катастрофических паводках представляют интерес данные о засушливых годах и самых низких паводках, а также частота их чередования, продолжительность катастрофических паводков и размеры причиненных убытков. Эти сведения получают из гидрометеорологической литературы, реферативных и других журналов, из газет, в архивах и краеведческих музеях.

При недостатке исходных данных расчетную повторяемость паводка устанавливают по повторяемости осадков.

Для больших водотоков оценка повторяемости паводков по осадкам является более приближенным приемом, чем для малых водосборов и требует дополнительного обоснования с учетом характера распространения дождей на территории и продолжительности выпадения. Наиболее обоснована оценка повторяемости паводков по повторяемости слоев стока или интенсивности водоотдачи. Целесообразен метод установления равнопрочных ВП по однородным участкам дороги или небольшим районам с использованием натурных интенсивностей водоотдачи, вычисленных по формуле (17).

Для вероятностной оценки вычисленных по формуле (17) величин A_В используют зависимости (рис. 6), составляемые для однородных участков дороги или районов. Подобные зависимости строят по всем паводкам, зафиксированным по следам на местности.

В пределах небольших районов наблюдается отсутствие изменений величин A_В по территории (см. рис. 6). Расхождения между вычисленными значениями A_В по водотокам с одинаковыми водосборными площадями возникают из-за недоучета естественной аккумуляции водосбора болотами, озерами и лесом, а также за счет объединения в одну группу водотоков, имеющих некоторые различия в морфологических и метеорологических условиях. Такие отклонения присущи даже небольшим по территории и однородным по ливневым и морфологическим условиям районам, что вызывает необходимость установления возможных пределов изменения значений интенсивностей водоотдачи для группы водосборов и паводков разных лет.

Рис. 6. График для вероятностно-территориальной оценки расчетной интенсивности водоотдачи по группе обследованных водосборов:
I и 2 - верхняя и нижняя огибающие

Рис. 7. Зависимость максимальных модулей q стока от площади F водосбора по данным полевого обследования паводков

Величины наибольших значений A_В отражают суммарно все факторы максимального стока по всей группе систематизируемых водотоков, а также неодинаковые проявления их вероятностных значений в условиях формирования даже одного паводка. Поэтому максимальные паводочные условия каждого года характеризуются верхней огибающей, которая отражает не только наибольшие значения интенсивностей A_В, расположенных в непосредственной близости от нее, но и расчетную закономерность изменения наблюдавшихся максимумов по всему диапазону площадей водосборов, представленному наблюдениями.

Установление наибольшего уровня наблюдавшихся максимумов в виде верхней огибающей позволяет выдержать условие равнообеспеченности для всех водотоков, пересекаемых трассой дороги.

Оценку повторяемости наблюдавшихся паводков и установление расчетных вероятностей выполняют с учетом физически возможных пределов интенсивности водоотдачи в данном климатическом районе путем сопоставления верхней огибающей с величинами A_В различной ВП, вычисляемых по формуле (15) с введением в нее коэффициента редукции осадков по площади одновременного распространения.

Одна из наиболее характерных закономерностей максимального стока - убывание (редукция) единичных максимальных расходов (q_m = Q:F) с увеличением водосборной площади.

Для учета фактической редукции модулей максимального стока q_m необходимо по каждому из однородных районов проложения дороги построить зависимости q_m = f(F + 1) раздельно для каждого из зафиксированных паводков прошлых лет (рис. 7).

Характер индивидуальных морфологических особенностей водосборов, неодинаковая ВП максимумов, рассматриваемых в одной группе, а также некоторая индивидуальность метеорологических условий над каждым водосбором определяют почти во всех климатических районах амплитуду отклонений точек отдельных максимумов на водосборах одинаковой площади. Поэтому рекомендуется выделять огибающими наиболее плотную полоску точек (см. рис. 7). Наклон этих огибающих должен отражать общую направленность всего поля точек по водосборам, используемым в построении рассматриваемых зависимостей.

По всем однородным участкам дороги и для паводков различной ВП определяют фактический показатель степени редукции п как тангенс угла, образуемого наклонными огибающими с осью абсцисс (lg F).

Вполне очевидно, что верхняя огибающая будет отражать наибольшие значения максимумов для всего района, представленного наблюдениями. Теоретическая оценка фактических величин показателя степени редукции производится с помощью показателей редукции п₁ по зависимости а = f(Т) и п₂ по зависимости L = f(F) по формуле

Показатель степени редукции максимального стока - переменная величина, зависящая как от размеров водосборных площадей (см. рис. 7), так и от физико-географического положения района исследования:

Показатель n

Бассейн верхнего и среднего Амура                                                                0,40

Остров Сахалин                                                                                                 0,40 - 0,45

Районы Дальнего Востока                                                                                0,36 - 0,42

В том числе:

Южное Приморье                                                                                              0,37

Горные и полугорные районы Приморья

(Амурская обл. и Европейская авт. обл.)                                                         0,40

Украинская ССР (Приазовская возвышенность,

юго-восточные склоны Волыно-Подольской

возвышенности, Верховья р. Десны)                                                               0,50

Восточные Карпаты                                                                                          0,50

Армянская ССР                                                                                                  0,46 - 0,70

Центральные черноземные области (малые водотоки)                                 0,58

Южно-Уральская ж.д.                                                                                       0,57

Волгоградская область                                                                                      0,56

Колыма                                                                                                               0,23

Московская обл. (малые водосборы менее 0,3 км²)                                       0,49 - 0,56

Корея                                                                                                                  0,25 - 0,30

Северная Индия                                                                                                 0,25

Непал                                                                                                                  0,33

Бирма                                                                                                                  0,35

Северный Вьетнам                                                                                            0,20 - 0,35

Сирия                                                                                                                  0,30 - 0,38

Ирак                                                                                                                    0,35

Афганистан                                                                                                        0,37 - 0,40

Собранные в период инженерно-гидрометеорологических изысканий данные многолетних наблюдений за максимальными расходами и осадками используют для определения расчетного расхода с применением методов математической статистики.

Основные задачи расчетов в связи с применением кривых распределения к вероятностной оценке явлений стока, которые вполне приемлемы и для расчетов осадков, следующие: 1) формулирование исходной информации; 2) анализ эмпирических распределений; 3) выбор вида кривой распределения; 4) установление числовых параметров кривой распределения по исходному ряду выборочных максимумов; 5) проверка соответствия вычисленных вероятностей с результатами наблюдений.

В случае малого соответствия одного из распределений эмпирическим данным производят подбор другой кривой вероятностей, более соответствующей натурному материалу, и по ней экстраполируют до требуемых ВП.

В гидрологических расчетах наибольшее распространение получили биномиальные кривые, а также функции распределения, известные как кривые трехпараметрического гамма-распределения. Эти распределения рекомендованы СН 435-72 для расчетов максимальных расходов воды и могут быть использованы для расчета осадков. Может быть полезным графическая экстраполяция эмпирической кривой вероятности.

При подборе кривой вероятностей нужно обращать внимание на характер эмпирических кривых вероятностей в верхних и нижних частях. Характер верхней части эмпирической кривой (в диапазоне редких ВП) отражает особенности формирования наиболее сильных дождей (паводков), что особенно важно при подборе расчетной кривой вероятностей. Низкие же максимумы могут вызываться дождями (паводками) иного происхождения. Поэтому в ряде районов бывает невозможно подобрать кривую, соответствующую всему диапазону ежегодных максимумов осадков (расходов) и приходится пользоваться усечением кривой вероятностей на две части, используя для вероятностной оценки ее верхней части информацию о периоде наблюдений всего ряда осадков. Границу усечения ряда устанавливают индивидуально в каждом районе по эмпирическим кривым вероятностей.

Принцип исключения некоторого интервала из всей имеющейся совокупности наблюдений признается физически обоснованным, так как он отражает природу колебаний осадков во всех диапазонах вероятности и учитывает тем самым различие факторов, формирующих тот или иной признак.

Для построения усеченной кривой нормального распределения определяют порядковый номер того члена общего ряда максимальных годовых осадков, по которому производят разграничение всего ряда на две части (верхнюю и нижнюю). Этот номер N_к является последним в верхней части ряда и определяется по формуле

где n - число членов полного ряда: к - коэффициент, зависящий от длины полного ряда:

n                                                    ≤ 70                            100                  200

к                                                    0,494                          0,495               0,497

Усеченную кривую строят в виде прямой линии по трем точкам с ВП 1%, 5% и 50% по формуле

где σ_П,  - параметры усеченного распределения расчетных ординат; Ф - коэффициент распределения расчетных ординат:

ВП, %                                                       1                      5                      50

Ф                                                               2,33                 1,64                 0

В этих формулах: H_i - численная величина убывающего ряда осадков; H_у+0,5 - среднее верхней части усеченного ряда длиной y.

Экспедиционные исследования в ряде районов показывают на недостаточную надежность исходных данных по максимальным расходам воды на опорных створах наблюдений из-за неучета на некоторых реках расходов воды на пойме. Так, величины расходов на ряде рек Приморского края [6] занижены от 50 до 825%. Поэтому в период полевого обследования нужно предусматривать проверку правильности полноты учета максимального стока на опорных пунктах, которая может быть выполнена одним из способов: 1) непосредственно полевым обследованием гидростворов, а при необходимости контрольным его нивелированием и с последующей проверкой морфометрическими вычислениями выборочных расходов, наблюдавшихся на этом пункте; 2) обследованием группы водотоков по следам прошедших паводков с последующим обобщением результатов морфометрического определения расходов, обоснованием параметров редукционно-эмпирической формулы и сопоставлением результатов расчета по этой формуле с максимумами расходов соответствующей ВП, наблюдавшихся на этих створах. Первый метод целесообразен при изысканиях титульных мостовых переходов, второй при линейных изысканиях дорог значительного протяжения.

При обнаружении неучета расходов на пойме или других дефектов измерений необходимо внести соответствующие коррективы в данные многолетних наблюдений до начала их статистической обработки.

Для надежного установления ливневых характеристик в районах изысканий особое внимание нужно обращать на сбор и тщательное изучение материалов, характеризующих метеорологические условия формирования выдающихся дождей и вызываемых ими паводков.

В результате ознакомления и изучения собранных материалов тщательно анализируют синоптическую обстановку района с увязкой аналогичных сведений по метеорологическим условиям близлежащих районов. На основании этого анализа составляют карту-схему прохождения ливнеформирующих потоков с указанием направления их движения, времени года и дат формирования особо выдающихся ливней на рассматриваемой территории. При составлении таких карт используют материалы аэрологического зондирования маршрутов авиации, а также мировые атласы погоды.

При анализе синоптической обстановки должны быть установлены расчетные траектории движения воздушных масс в период выпадения выдающихся дождей, а также произведена оценка возможных смещений наиболее ливнеопасных потоков в пределах заданного района. На основании анализа синоптической обстановки, учета географического положения района изысканий и опорной сети гидрометеорологических наблюдений выбирают исходные метеостанции, определяют состав и программу работ по обоснованию необходимых ливневых характеристик. Критерии выбора метеостанций - равномерность расположения по территории, близость к объекту изысканий, репрезентативность и качество наблюдений, длительность и непрерывность наблюдений.

После выбора метеостанций составляют карту расположения пунктов метеорологических наблюдений и перечень метеостанций, используемых в расчетах, с указанием географических координат, высот местности и периода наблюдений. На исходных метеостанциях делают выборки величин осадков за различные интервалы времени (1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 40, 60 мин; 3, 6, 12 ч и 1, 2, 3 сут). Сбор данных производят в виде выборок ежегодных максимумов осадков за все годы наблюдений и по различным интервалам времени за период наблюдений. Необходимо использовать как материалы самописцев с непрерывной записью хода дождя, так и данные дождемеров. Особое внимание должно быть уделено сбору сведений о выдающихся ливнях.

Для установления площади одновременного охвата расчетным дождем анализируют ежедневные записи выпадающих осадков за различные интервалы времени и за все годы наблюдений по всем пунктам наблюдений района изысканий с регистрацией дождей, одновременно наблюдаемых на нескольких метеостанциях. При регистрации выписывают дату дождя, количество выпавших осадков, интервал времени и наименование метеостанций с систематизацией полученных сведений.

Для наиболее сильных дождей, одновременно зафиксированных на нескольких метеостанциях, строят схематические карты изолиний (изогиет). При недостаточности метеостанций или их редком расположении по территории района вместо карт строят маршруты изолиний по направлению изыскиваемой дороги или по направлению нескольких метеостанций. В районах с недостаточной изученностью при проведении изолиний допускается линейная интерполяция между метеостанциями (рис. 8).

Рис. 8. Схема изолиний дождя, зафиксированного одновременно на трех (I - III) метеостанциях

Для перехода от осадков в центре дождя к осадкам на различных площадях водосборов устанавливают переходные коэффициенты для снижения расчетных величин осадков от увеличения площади одновременного орошения дождем.

Рис. 9. Кривые зависимости H_св = f(F_i) десяти (1 - 10) дождей продолжительностью по 24 ч

С этой целью для различные площадей F_i или длин маршрутов L_i, ограниченных изолиниями H_i, вычисляют средневзвешенные H_iсв (по площади или длине маршрутов) суммы осадков H_iсв и строят зависимость (рис. 9) H_св = f(F_i) или H_св = f(L_i). Расчетной принимают верхнюю сгибающую, характеризующую максимальный из наблюдавшихся ливней. При достаточных многолетних данных выполняют вероятностную оценку этой сгибающей. Расчетные средневзвешенные слои осадков H_св определяют для различных площадей или длин маршрутов. При недостатке наблюдений по плювиографам схематические карты или маршруты изолиний (изогиет) могут быть составлены по данным дождемеров.

Для перехода от расчетных осадков в центре ливня H₀ к осадкам на различных площадях применяют коэффициенты редукции осадков по площади K_F (или по длине К_L) выбранного маршрута, определяемые по формуле

Для определения слоя осадков в центре дождя принимают расчетный дождь. По вычисленным значениям коэффициента редукции строят зависимость K_F = f(F) или K_L = f(L) (рис. 10) и составляют таблицы расчетных значений коэффициента редукции осадков по площади в данном районе изысканий.

Рис. 10. Зависимость коэффициента К_L, редукции осадков от длины L одновременного распространения дождей

В районах, где для установления коэффициента редукции были использованы маршруты изолиний, устанавливают переход от длин намеченных маршрутов к величинам площади:

F = BL,

где В - коэффициент, учитывающий форму площади одновременного выпадения дождя и определяемый в неизученных районах косвенными методами с учетом синоптической обстановки и географического положения района. При гидрометеорологических наблюдениях коэффициент В уточняют путем установления одновременности выпадения дождей между пунктами, расположенными перпендикулярно к расчетному направлению маршрута, и определяют как максимальное расстояние между этими пунктами.

Для установления зависимости максимальной интенсивности осадков от их продолжительности используют все имеющиеся записи дождей самописцами или дождемерами. Предварительно их систематизируют по пунктам наблюдений, приводят к единой размерности (в мм/мин) и проверяют достоверность этих материалов. По данным статистической обработки для каждого интервала времени вычисляют интенсивности а осадков для требуемых ВП.

По вычисленным значениям а строят зависимость интенсивности осадков от продолжительности а = f(T) по каждой метеостанции (рис. 11). Для аналитической оценки расчетной интенсивности осадков по продолжительности используют эмпирическую формулу

где α - расчетная максимальная интенсивность осадков, мм/мин; S - предельная интенсивность осадков при Т= 1 мин, мм/мин; Т - расчетная продолжительность дождя, мин; n₁ - показатель степени редукции осадков по продолжительности; С - поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности в зоне малых продолжительностей.

Опыт применения зависимости (31) показывает, что значение показателя степени n₁ в интервале продолжительности более 1 ч изменяется сравнительно мало (в пределах 0,60 - 0,77) и остается постоянным для каждой метеостанции. В интервале от 1 до 60 мин показатель степени изменяется в пределах 0,25 - 0,60. Поправочный коэффициент С определяют индивидуально для каждой метеостанции по эмпирическим точкам, полученным в результате обработки рядов осадков для интервалов продолжительности менее 1 ч (см. рис. 11). В случае отсутствия данных для оценки зависимости (31) в интервале малых продолжительностей принимают С = 1. Это допущение позволяет определять величины интенсивностей осадков с запасом, что может быть оправдано для неизученных районов.

Рис. 11. Зависимость интенсивности а дождя от его продолжительности Т (в мин):

1 - при С = 0; 2 - при С = 1; 3 - по материалам наблюдений

Рис. 12. Зависимость интенсивности а (мм/мин) дождя от продолжительности Т (в мин) в интервале от 1 ч до 3 сут. (в диапазоне ВП от 1 до 5%)

Учитывая, что в интервале времени от 1 ч до 3 сут зависимость a = f(T) имеет прямолинейный характер, имея только сведения по осадкомерам, можно построить указанную зависимость в этом интервале и путем графической экстраполяции определить величины интенсивностей дождя для времени 1 ч. Для этой цели производят статистические расчеты максимальных сумм осадков продолжительностью 1, 2 и 3 сут и строят (рис. 12) зависимости a = f(T). При недостаточных исходных данных по этим графикам могут быть вычислены (с некоторым запасом) интенсивности осадков для интервалов 20, 30 и 45 мин.

Одновременно с вычислением интенсивностей по зависимости (см. рис. 11, 12) устанавливают показатель n₁ редукции осадков по продолжительности, который определяют как тангенс угла наклона кривой а = f(T). Величина показателя редукции может изменяться не только по каждой метеостанции, но и в зависимости от различных значений ВП расчетных осадков. Для практических расчетов принимают одно значение показателя редукции осадков для каждой метеостанции,. оценивая его величину в диапазоне возможных ВП (0,3 - 3%), рекомендуемом для дорог.

Поскольку вычисленные расчетные интенсивности и: показатели редукции осадков имеют различные значения на исходных метеостанциях, производят районирование интенсивности для заданного участка или направления проектируемой дороги. В качестве районируемых принимают интенсивности за 30, 60 мин и 1 сут.

Если невозможно составить карты по территории всего района, обосновывают выбор расчетной метеостанции или группы метеостанций, которые могли бы надежно характеризовать ливневые условия для расчета максимального стока в районе проектирования или на отдельных участках дороги.

Для установления репрезентативных количественных ливневых характеристик в конкретном регионе необходимо выявить зависимости расчетных максимумов осадков от местных орографических и других условий. С этой целью строят графики зависимостей расчетных ливневых характеристик от высоты местности и географических координат. Анализ этих зависимостей помогает выявить влияние орографических факторов на величину расчетных осадков и определить методы их учета. Районирование территории на зоны необходимо выполнять там, где орографические и метеорологические факторы резко различны. При построении зональных карт изогиет расчетных ливневых характеристик в районах с орографическими осадками изолиниями должны учитываться фактические контуры рельефа. Орографические осадки могут увеличиваться с высотой до гребня хребта. На высоких хребтах максимальные осадки на наветренном склоне могут быть больше, чем на гребне, а на подветренных склонах в некоторых районах наблюдается резкое сокращение осадков от гребня по склону.

Для районов с недостаточным количеством исходных метеостанций рассматривают вопрос о возможности географической интерполяции расчетных максимумов осадков из районов изученных в районы неизученные. Встречаются два наиболее характерных случая для неизученных районов: расположен внутри контура метеостанций; примыкает одной или несколькими из своих сторон к нескольким метеостанциям. В зависимости от этого применяют [4] методы географической интерполяции внутрь контура или с внешней его стороны. В обоих случаях границы географической интерполяции определяют конкретными условиями проектирования. Эти методы более обоснованы, чем методы отдаленных аналогий с другими физико-географическими районами.

В некоторых районах наблюдения за осадками ведутся или производились только осадкомерами, поэтому возникает необходимость определения осадков продолжительностью 1 ч по данным о суточных максимумах. Слой осадков часовой продолжительности определяют по формуле

где К_Ч - переходный коэффициент от суточной суммы осадков к часовой; п₁ - показатель степени редукции осадков по продолжительности; H_СТ - суточный максимум осадков.

В муссонных районах переходный коэффициент К_Ч может изменяться по территории в пределах 0,30 - 0,45 для дождей 1 - 2%-ной повторяемости. Среднее значение этого коэффициента для условий европейской части может быть принято равным 0,33.

В некоторых методах расчета максимальных расходов применяют ливневый параметр S_Р, величины которого приведены в различных литературных и инструктивных материалах. Для его определения используют формулу

Применение формулы (34) предполагает непрерывную длительность дождя в течение 60 мин, что характерно для территорий как с затяжными, так и короткими дождями. Для районов, где максимальные расходы формируются от обложных дождей продолжительностью 1 сут и более, величину S_Р определяют по формуле

Если в качестве исходных используют наблюдения по осадкомерам, в расчетные величины суточных осадков нужно вводить поправочные коэффициенты, учитывающие разницу в величине суточных максимумов за метеорологические сутки (с 19 ч до 19 ч последующих: календарных суток) и фактического количества осадков, которое может выпасть за любые 24 ч, не совпадающие со сроками наблюдений на метеостанциях.

При разработке региональных норм максимального стока нельзя применять методы косвенных аналогий с отдаленными физико-географическими районами, а также формулы без обоснования их параметров данными наблюдений и без сопоставления результатов расчета с натурными расходами.

При отсутствии данных наблюдений непосредственно в районе изысканий определение предварительных региональных зависимостей расходов дождевых вод может быть произведено методом географической интерполяции, который предусматривает использование натурных данных по группе обследованных водосборов для установления основных параметров региональной формулы в заданном районе. За пределом этих водосборов возможна экстраполяция расчетных параметров. Границы экстраполяции определяют индивидуально.

Метод географической интерполяции правомерен в пределах одного физико-географического района, характеризующегося одинаковыми климатическими условиями и рельефом. На территории изучаемого района устанавливают опорные водосборы, на которых имеются натурные наблюдения за расходами воды и составляют карту-схему их расположения (рис. 13).

Рис. 13. Схема для географической интерполяции элементарного модуля максимального стока:

1 - центры тяжести опорных бассейнов; 2 - изолинии элементарного модуля максимального стока; 3 - центр тяжести расчетного водосбора; 4 - граница расчетного водосбора

На опорных створах по вычисленным расходам по формуле (17) определяют элементарные модули максимальных расходов.

Районирование вычисленных величин А_В производят путем проведения на карте-схеме (см. рис. 13) изолиний по интерполяции между центрами тяжести опорных бассейнов с известными значениями модуля. Интерполировать нужно перекрестным способом по направлениям прямых линий, связывающих каждую точку замкнутого опорного полигона со всеми другими точками.

Расчетные элементарные модули А_В максимальных расходов для водосборов, пересекаемых трассой изыскиваемой дороги, определяют интерполяцией по изолиниям, между которыми лежат центры тяжести этих водосборов:

где А_п, А_п+1 - числовые значения соседних изолиний элементарных модулей максимальных расходов, между которыми находится центр тяжести расчетного водосбора (см. рис. 13); l_n, l_n+1 - расстояния от центра тяжести расчетного водосбора до ближайших изолиний с числовыми значениями соответственно А_п и А_п+1; n - порядковый номер изолиний.

Максимальные расходы определяют по вычисленным расчетным модулям A_p по формуле (13).

Расходы, получаемые методом географической интерполяции, имеют ориентировочные значения, точность определения которых составляет в ряде районов ± 40 - 60% от действительных. Это обстоятельство нужно учитывать при оценке принимаемых проектных решений.

Таким же методом можно районировать и другие параметры расчетных формул, в том числе и метеорологические характеристики максимального стока, для которых в качестве опорных используют пункты метеорологических наблюдений.

Применение линейно-региональных норм и инженерно-гидрометеорологических изысканий максимального стока с определением натурных расходов по следам прошедших паводков обеспечивают: вполне определенную направленность изыскательских работ; гарантированное качество принимаемых проектных решений и объективную гидрометеорологическую обоснованность проектов автомобильных дорог; равновероятность решений при технико-экономическом сравнении объектов, находящихся в различных физико-географических условиях; повышение ответственности проектно-изыскательских организаций за обоснованность расчетных максимумов дождевых расходов.

Приложение 1
Максимальная часовая интенсивность дождя

Приложение 2
Коэффициент редукции часовой интенсивности осадков

Приложение 3
Коэффициент склонового стока

Приложение 4
Коэффициент редукции максимального дождевого стока

Примечание. Коэффициент редукции дождевого стока определяют по величине водосборной площади F и показателю степени редукции П, устанавливаемому по результатам полевых гидрологических обследований водотоков в конкретном режиме. При их отсутствии нужно использовать рекомендуемые значения.

Приложение 5
Коэффициент учета влияния крутизны водосборного бассейна

Приложение 6
Коэффициент учета проницаемости почво-грунтов на склонах водосбора

Приложение 7
Коэффициент учета состояния почво-грунтов

Приложение 8
Поправочный коэффициент на редукцию проницаемости почво-грунтов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по расчету ливневого стока воды с малых бассейнов ВСН 63-76. М, Оргтрансстрой Минтрансстроя СССР, 1976, 103 с.

2. Методические указания управлениям гидрометеослужбы Вып. 49. Л., Гидрометеоиздат, 1957. 47 с.

3. Методические указания по инженерно-гидрометеорологическим изысканиям автомобильных дорог М., Союздорпроект, 1974, 278 с.

4. Методическое руководство по гидрологическому обследованию водотоков и разработке региональных норм максимального стока при проектировании автомобильных дорог. М., Союздорпроект, 1970. 153 с.

5. Наставление по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки. М., «Транспорт», 1972. 279 с.(Минтрансстрой СССР).

6. Перевозников Б.Ф. Гребенчатые волны - новое явление в гидрологии. - «Автомобильные дороги», 1974, № 6, с. 18- 20.

7. Перевозников Б.Ф. Расчеты максимального стока при проектировании дорожных сооружений. М., «Транспорт», 1975, 304 с.

8. Руководство по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений. М., «Транспорт», 1974. 296 с. (ЦНИИС - Главтранспроект).

9. Соколовский Д.Л. Предельные модули максимального стока на реках земного шара и методика их определения. В кн. «Исследования речного стока и водного баланса». Л., Гидрометеоиздат, 1963, с. 3-8 (Труды Гос. гидрологического института. Вып. 163).

10. Строительные нормы и правила. Ч. II, разд. А, гл. 13 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» (СНиП II-А.13-69). М., Стройиздат, 1970. 24 с.

11. Указания по определению расчетных гидрологических характеристик (СН 435-72). М., Госстройиздат, 1972. 36 с.

12. Указания по расчету дождевых расходов. М., Союздорпроект, 1973. 40 с (Союздорпроект - Главтранспроект).