CC BY
1УДК 625.7/8:656.09
ФОРМИРОВАНИЕ СТОКА НА ГРУНТОВЫХ УЧАСТКАХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Борис Алексеевич Виноградов, канд. техн. наук, доц., bvino@yandex.ru, МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Аннотация. В статье приведены результаты экспертных исследований по гидравлическому расчету водоотводных систем аэродромов в условиях климатических изменений основных расчетных параметров. Приведены результаты сравнения расчетных величин притока поверхностных вод, поступающих с грунтовых территорий и определенных по двум методам расчета.
Ключевые слова: интенсивность осадков, территория водосбора, условия формирования стока, расчетный расход, метод предельных интенсивностей, метод максимальных объемов стока.
FORMATION OF RUNOFF ON UNPAVED SECTIONS OF TRANSPORT
FACILITIES
Boris A. Vinogradov, Ph.D., associate professor, bvino@yandex.ru, MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract. The article presents the results of expert studies on the hydraulic calculation of drainage systems of airfields in conditions of change in the main climatic parameters. The results of comparison of the calculated values of the surface water coming from the ground areas and determinate by two calculation methods are presented.
Keywords: precipitation intensity, catchment area, conditions of runoff formation, estimated flow rate, method of maximum intensities, method of maximum runoff volumes.
Введение
Климатические изменения, наблюдаемые в течение последних 10 лет, способствуют изменению некоторых характеристик зон климатического районирования. Одним из таких заметных изменений можно считать увеличение количества и интенсивности атмосферных осадков. По данным метеослужб количество атмосферных осадков возросло в зоне умеренного климата средней полосы и существенно возросло в южной зоне страны. Это обстоятельство способствует формированию больших объемов стока, которые ранее не наблюдались на указанных территориях. Тем не менее, при проектировании систем сбора и отвода воды на транспортных сооружениях эти изменения практически не учитываются, поскольку существующие методики расчета используют исходные данные, которые не соответствуют происходящим в настоящее время изменениям.
Для исследования формирования поверхностного стока на грунтовых участках транспортных сооружений (автомобильных дорог, аэродромов) необходимо определить факторы, оказывающие непосредственное влияние на стокооб-разование.
Основные факторы, оказывающие влияние на образование стока с по-вехности
Образование стока на грунтовой поверхности представляет собой процесс, распределенный во времени. Сток может образовываться тогда, когда поступле-
ние воды на поверхность будет превышать количество воды поглощаемое и удерживаемое поверхностью. Такое утверждение может быть справедливым при наличии уклона поверхности. На поверхностях с отсутствием уклона отток воды определяется условиями поглощения (впитывания) воды. При снижении впитывания воды поверхностью при наступлении насыщения происходит образование скоплений воды, которые могут в течение продолжительного времени находиться на поверхности.
Основным фактором, определяющим количество поступаемой на грунтовую поверхность воды, является количество выпадаемых осадков. Эта величина определяется толщиной слоя воды, как правило, в миллиметрах.
Слой осадков, выпавший на поверхность в единицу времени, представляет собой интенсивность выпадения осадков и имеет размерность мм/мин.
При проектировании систем отвода воды от транспортных сооружений (элементов автомобильных дорог и аэродромов) в гидрологических и гидравлических расчетах используются оба указанных параметра. Общее количество осадков (как правило, за месяц, реже за сутки) измеряется и фиксируется метеостанциями и на основе этих измерений составляются табличные значения, представленные в нормативных документах [1]. Интенсивность выпадения осадков является расчетным параметром, который определяется по формулам, представленным в [2] и [3].
В настоящее время нет информации о практических инструментальных измерениях интенсивности осадков. Работа по проведению измерений интенсивности осадков проводилась в системе гражданской авиации в 80-х годах прошлого столетия. В соответствии с результатами проведенной работы, был раз разработан прибор и изготовлены два экземпляра для опытной эксплуатации в аэропортах Московского авиаузла. Прибор был выполнен на основе датчика М-96-8 и содержал регистратор, позволявший определять интенсивность выпадения осадков и общее количество осадков. К сожалению, до настоящего времени эти приборы не сохранились. Сейчас многими предприятиями (в основном за рубежом) выпускается достаточно много различных конструкций измерителей осадков. Все они предназначены для измерения общего количества осадков за период времени от одного часа до одного месяца. На рис.1 показан один из таких приборов.
Рис.1. Прибор для измерения общего количества осадков: слева -регистратор измерений; справа - датчик осадков
Передача данных измерений осуществляется по радиоканалу на частоте 433 МГц. Это, как и все другие приборы, одноканальный прибор для измерения осадков. Измерение интенсивности выпадения осадков прибор не осуществляет.
В 2017 году были разработаны и изготовлены два макетных образца прибора для одновременного измерения общего количества осадков и интенсивности их выпадения. Эти устройства явились модернизацией прибора М-96-8. Была предусмотрена проводная система передачи данных по двум каналам. Один канал использовался для измерения и регистрации общего количества осадков, другой -для измерения интенсивности их выпадения.
В процессе модернизации прибора М-96-8 удалось обеспечить дискретность измерений слоя осадков на уровне 0,1мм и интенсивности дождя 0,1мм/мин. С использованием указанных устройств были проведены измерения количества осадков и их интенсивности в пределах городской черты и в пригородной зоне в южном направлении от столицы. Результаты измерений показали, что количество осадков, интенсивность их выпадения и продолжительность тенденцию к увеличению. Так, например, расчетная интенсивность выпадения осадков, определенная по данным нормативных документов [3] и используемая при проектировании водоотводных систем аэродромов в среднем составляет величину 2,23 мм/мин для объектов, расположенных на территории Московской области, в то время как прямые измерения показали, что имело место выпадение осадков с интенсивностью 3,50...5,16 мм/мин, что соответственно превышает расчетную интенсивность. Отмечено и увеличение продолжительности выпадения осадков.
В действующих нормативных документах [2, 3] при определении объемов стока с грунтовых поверхностей используется такой показатель, как время стоко-образования. Величина характеризует продолжительность дождя, в течение которой осадки формируют поверхностный сток. Образование стока с грунтовых поверхностей с большой впитывающей способностью происходит при превышении интенсивности выпадения осадков интенсивности впитывания воды в грунт. Продолжительность стокообразования определяется по формуле
п-
-1
(1-Д)1
( 1 )
^ =
р
где Д - интенсивность выпадения осадков, мм/мин;
/^р - интенсивность впитывания воды поверхностью, мм/мин; п - региональный гидравлический показатель, определяемый по [2]. Определенная по формуле (1) величина на имеет размерности и используется как числовое равенство. В процессе расчета величина tst являющаяся временем в течение которого имеется сток с поверхности, принимается в качестве времени течения воды от наиболее удаленной точки грунтовой поверхности до расчетного сечения. Наблюдения, проведенные с целью изучения условий формирования стока, позволяют сделать вывод, что механизм образования стока представляет собой сложный процесс, протекание которого зависит от множества влияющих факторов. Исходным фактором является интенсивность выпадения осадков. Этот фактор в наибольшей степени влияет на формирование стока, так как он определяет количество и скорость поступления воды на поверхность.
Следующие факторы отражают гидрологические и гидравлические свойства поверхности, на которую выпадают осадки. Прежде всего, необходимо отме-
тить, что одними из основных качеств поверхности являются коэффициент фильтрации и интенсивность впитывания.
Коэффициент фильтрации зависит от вида грунта, его плотности. В зависимости от плотности один и тот же тип грунта может обладать разными фильтрационными свойствами. Грунт, находящийся в природном состоянии, имеет большую плотность и соответственно низкие фильтрационные свойства, чем тот же грунт, уложенный в насыпи. Интенсивность впитывания также во многом зависит от плотности грунта. Большое значение коэффициента фильтрации и интенсивности впитывания соответствуют несвязным грунтам, таким, как крупнозернистые пески, гравийно-песчаные грунты. На поверхности таких грунтов сток не образуется даже при больших интенсивностях осадков.
Для связных грунтов, таких как суглинок, глина, образование стока происходит достаточно быстро, а продолжительность стока существенно больше, чем величина, определяемая по формуле (1). В гидрологических расчетах это обстоятельство учитывается частично, что в результате приводит к тому, что существенный объем притока к водозаборным сооружениям не учитывается и при этом наблюдается скопление воды у водозаборных сооружений из-за неправильного определения требуемой водозахватывающей способности.
Формула (1) некорректно определяет продолжительность стока. Как показывают практические исследования, время притока воды зависит не только от интенсивности осадков, интенсивности впитывания, но и от уклона поверхности по которой осуществляется сток. Кроме того, на природной поверхности наблюдаются локальные концентрации стока в водосливах, образованных неоднородностью рельефа. В этом случае увеличивается скорость течения и уменьшается время притока воды с удаленных территорий.
Время начала стока при выпадении осадков зависит от интенсивности дождя, гидравлических свойств поверхности (интенсивности впитывания), уклона поверхности, наличия растительности. Во время осадков сначала формируется некоторый слой воды на поверхности, при превышении которого начинается течение воды. Время начала стока можно определить по формуле
= т~ , мин (2)
где Ье - максимальный слой воды (мм), который удерживается поверхностью;
Д - интенсивность выпадения осадков, мм/мин
1ур - интенсивность впитывания, мм/мин
Максимальный слой воды Ье сильно зависит от уклона поверхности и эта зависимость обратно пропорциональная.
В соответствии с действующими методиками гидравлического расчета [1], сток с грунтовых поверхностей на аэродромах определяется по величине времени стокообразования (1). Следует отметить, что время tst , определенное по формуле (1) существенно больше времени продолжительности дождя и кроме того, не учитывает влияние уклона линии стока. Поэтому в расчете принимается только часть территории водосбора и в результате прогнозируемый расход поверхностных вод, поступающий к водоприемному сооружению меньше расчетного. Из-за того, поступающий к водоприемному сооружению расход учитывается не полностью, происходит подтопление места расположения водоприемного сооружения и окружающей территории. В линейных сооружениях открытого типа (водоотвод-
ные канавы, лотки) может наступить переполнение сечения и формирование поверхностного стока вне указанных сооружений.
В Приложении Н [3] приведена методика гидравлического расчета водоотводных сооружений, обеспечивающих прием и отвод вод поверхностного стока, поступающего с грунтовых поверхностей. В основе расчета принят метод предельных интенсивностей. Согласно этому методу, основным расчетным параметром является время течения воды от наиболее удаленной точки поверхности до рассматриваемого сечения. По величине этого времени определяются все остальные параметры расчета, включая расход притока и необходимые размеры сечения водоотводного сооружения. Для больших территорий время течения воды принимается равным tst и определяется расчетный расход. При такой замене получаемый в результате расход меньше реального и соответственно размеры сечения оказываются недостаточными для обеспечения необходимой пропускной способности. В сложившейся ситуации, при характерном изменении интенсивности осадков в большую сторону, наблюдается довольно частое подтопление водоотводных сооружений водоотводных систем, проектирование и строительство которых осуществлялось в условиях небольших величин интенсивностей осадков.
В настоящее время при наблюдающейся тенденции увеличения интенсивности осадков и их продолжительности представляется целесообразным при проектировании водоприемных сооружений, осуществляющих прием стока с грунтовых поверхностей использовать метод максимально возможных объемов стока.
Метод максимальных объемов стока предусматривает использование минимального расчетного времени течения воды от совокупности удаленных точек территории водосбора до расчетного сечения. По этой величине определяются необходимые расчетные параметры гидравлического расчета. Итоговый расход поверхностного стока определяется суммированием расходов, поступающих с участков водосборной территории. Сравнение величин расходов можно выполнить на основе примера расчета величин расходов, определенных по методам предельных интенсивностей и максимальных объемов стока. Расчет выполнен в табличной форме для расчетной схемы, представленной на рис. 2.
к-оА 1 * г I ов ! 4
1 вс Юм ТОм 4
Рис. 2. Расчетная схема для определения расходов поверхностного стока
Имеются четыре участка водосборной территории. На эту территорию выпадают осадки в виде дождя с интенсивностью Д = 1,0 мм/мин. Уклон поверхности склона /1 = 0,008, уклон линии водослива /2 = 0,008, коэффициент стока Ф = 0,25, коэффициент шероховатости п = 0,07, гидравлический региональный коэффициент п = 0,59.
Таблица 1
Расчетные значения величин поверхностного стока__
Интенсивность осадков, мм/мин Участок территории и площадь, м2/га Площадь водосбора, га Время течения воды по склону, мин Время течения воды по линии водослива, мин Полное время течения, мин Модуль стока Sl/S2, л/с с га Расход по методу предельных интенсивностей, л/с Расход по методу макс. объемов, л/с
1,0 100/0,01 0,01 20,944 0,98 21,9 24 6,741/ 6,925 0,0674 0,0692
200/0,02 0,02 20,944 1,96 22,9 04 6,569/ 6,925 0,131 0,138
300/0,03 0,03 20,944 2,94 23,8 84 6,409/ 6,925 0,192 0,208
400/0,04 0,04 20,944 3,92 24,8 64 6,258/ 6,925 0,250 0,277
На основе данных табл.1 построены графики изменения величин расходов поверхностного стока, определенных по двум методам расчета (рис. 3)
В соответствии с результатами исследования, при небольших величинах площади водосборной территории, наблюдается увеличение разности расходов притока поверхностных вод при постепенном увеличении площади территории водосбора. Это означает, что дополнительный, увеличивающийся приток поверхностных вод не учитывается в расчетном сечении, где расположено водоприемное сооружение (ВС).
Основные выводы
1. В условиях происходящих климатических изменений происходит изменение интенсивности осадков - одного из расчетных параметров гидравлическо-
го расчета водоотводных систем транспортных объектов, которое необходимо учитывать при проектировании систем сбора и отвода воды.
2. Методы гидравлического расчета водоотводных систем аэродромов и автомобильных дорог, разработанных более 50-ти лет назад, необходимо усовершенствовать в соответствии с происходящими климатическими изменениями.
3. При расчете аэродромных водоотводных систем целесообразно использовать метод максимально возможных объемов стока, учитывающий дополнительный приток поверхностных вод с территорий водосбора
Список литературы
1. СП 131.13330.2020. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99. Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 24 декабря 2020 г № 859/пр и введен в действие с 25 июня 2021 г.
2. СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03 -85 (с Изменением № 1). Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 25 декабря 2018 г № 860/пр и введен в действие с 26 июня 2019 г.
3. СП 121.13330.2019. Аэродромы. Актуализированная редакция СНиП 32-03-96. Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 30 января 2019 г № 64/пр и введен в действие с 31 июля 2019 г.
References
1. Stroitel'naya klimatologiya, SP 131.13330.2020 (Building climatology, Set of rules 131.13330.2020).
2. Kanalizaciya. Naruzhnye seti i sooruzheniya, SP 32.13330.2018 (Sewerage. Pipelines and wastewater treatment plants, Set of rules 32.13330.2018).
3. Aerodromy, SP 121.13330.2019 (Aerodromes, Set of rules SP 121.13330.2019).
Рецензент: П.И. Поспелов, д-р техн. наук, проф. МАДИ Статья поступила 14.06.2022
