Краткая инструкция о том, как посчитать участки размыва, используя СП 425.1325800.2018 "Инженерная защита территорий от эрозионных процессов" (далее СП425), "Методические указания по оценке местной устойчивости откосов" 1970 (далее МУ 1970) и "Методические рекомендации по расчету водно-теплового режима для разработки оптимальной конструкции земляного полотна автомобильных дорог" (далее СоюзДорНИИ_83).
Метода СоюзДорНИИ_83 нам понадобится, чтобы восполнить пробелы и косяки, которые я обнаружил в тексте СП 425, о чем напишу ниже.
1. Косяки СП425.
Впервые открывши методику расчета СП425 мне резануло глаз тот факт, что в формуле расчета скорости потока не указаны единицы измерения, поэтому в дальнейшем я стал перепроверять написанное в официальном тексте, ибо полезли грубые опечатки и косяки.. Все описанное ниже сугубо мое личное мнение. Вот что получилось в итоге:
1. В формуле расчета скорости не указаны единицы измерения. Конечно, я владею альтернативными методиками расчета скорости поверхностного стока и знаю, что плоский неконцентрированный поток имеет порядок цифр ~0.05 м/с. (бывает до 0,2 м/с доходит, но это уже большая цифра, которая характерна скорее для плоского концентрированного потока и ручейков).
Как показал найденный оригинал, в этой формуле потеряна еще и степень интенсивности стока 0,6. Оригинал формулы МУ 1970 (0,6 я смог разглядеть в примере расчета):
2. В спешке перепечатывания таблицы функции косого уклона φjk знак промилле заменили на проценты и на уклоне 70‰ значение 3,57 вместо 3,47. Кстати, в скане МУ1970 тоже стоит знак %. Толи в первоисточнике опечатка, толи при сканировании потеряли ноль. В моем понимании грунтовый откос в 1000% стоять не будет, а 1000‰ соответствует углу 45° что вполне похоже на правду.
3. Интенсивность дождя указана халатно и только на 2% обеспеченность. А если я хочу посчитать на экстремальные значения 1% обеспеченности? Я этой табличкой не пользуюсь, а считаю кривую редукции осадков сам, на нужный мне дождь.
4. Формула (8.6) неверна! Оригинал формулы, я смог разглядеть в "Методических указаниях по оценке местной устойчивости откосов" Москва 1970.
Становится понятно, почему в СП425 0,112 вместо 0,02; 0,681g вместо 0,68lg.
Формулы (20) и (21) СюзДорНИИ_83 гораздо более читаемы и соответствуют оригиналу. Их и будем использовать ниже.
2. Описание логики расчета.
Наша цель найти скорость поверхностного стока на исследуемом участке, учитывая его шероховатость, уклон и интенсивность впитывания грунтом. Далее найденная скорость сравнивается с допускаемой неразмывающей скоростью при расчетной глубине потока и заданному типу грунтов. Продольный профиль траектории потока разбивается на характерные участки в точках изменения уклона или типа грунтов. Каждый участок обсчитывается индивидуально.
Общий алгоритм такой:
1. Строим характерный продольный профиль планируемого потока. (я анализирую цифровую модель рельефа в HEC-RAS или Civil 3d).
2. Из таблиц подбираем шероховатость и функцию косого уклона на участках.
3. Определяем интенсивность поступления воды. Для этого я рекомендую посчитать IDF диаграмму по методике ВодГео 2015 (или СП32.13330). Важно перевести размерность из л/с*га в мм/мин.
4. определяем интенсивность впитывания в грунт и интенсивность стока.
5. определяем глубину водного потока и расчетную скорость воды.
6. определяем допустимую неразмывающую скорость и сравниваем с расчетной.
7. если расчетная скорость выше неразмывающей, принимаем решения по перехвату и отведению стока с нагорной стороны, тем самым уменьшаем интенсивность поступления стока на расчетный участок. Делаем проверочный расчет.
8. Переходим к следующему участку.
Сама постановка задачи одномерная и стационарная. А это значит что вполне работает принцип неразрывности: сколько пришло воды на участок = сколько ушло воды с участка (вниз по склону и впитывание).
3. Пример расчета участков размыва.
Представим себе, что у нас есть вот такой характерный профиль отвала горной породы. Визуально мы можем выделить пять участков с разными уклонами. На эти участки поступает два типа стока: голубые стрелки - это дождь, фиолетовые стрелки - это сток с вышерасположенного участка.
Заметьте: фиолетовые стрелки увеличиваются нарастающим итогом, так как чем ниже находится расчётный участок, тем с большего водосбора будет к нему стекать вода. И наоборот, чем больше время добегания потока с верховьев, тем меньше интенсивность дождя. Таким образом, мы в нашей одномерной расчетной схеме используем метод предельной интенсивности: чем больше водосбор, тем больше поток течет по рельефу. И хотя интенсивность дождя со временем падает, но с верховьев будет нарастающим итогом приходить поток вышележащих участков.
Идея с предельной интенсивностью принципиально важна в последующем расчете. Если с ней все понятно, то можем приступать.
1. Участок 1 имеет уклон 52‰ и длину 56м.
Шероховатость участка mc = 50 согласно табл 8 СП425:
Функцию φjk мы выберем из СоюзДорНИИ_83. Так как в официальном тексте СП425 мы заметили косяки и опечятки. Итак, φjk = 3,02
2. Интенсивность поступления воды на участок 1 воды равен интенсивности выпадения дождя, так как нет вышерасположенного участка, по которому будет стекать дополнительный приток.
Перед нами стоит дилемма: надо принять такое среднее значение интенсивности поступления воды (дождя iпв), чтобы не очень то и осреднить. По опыту скажу: так как длина первого участка у нас 56м, то поток будет течь около 15-20 минут. А это значит что интенсивность дождя будет снижаться с максимальной 3,29 мм/мин до 1,5 мм/мин. А средняя интенсивность за этот промежуток времени на глаз iпв=2,25 мм/мин. (Скажу честно, я в этом вопросе перестраховщик и принимаю максимальную цифру).
3. Нам требуется определить С коэффициент впитывания грунта. Есть более точная номограмма СоюзДорНИИ_83:
Или более простая таблица 8.4 СП 425. Я пользуюсь таблицей, Эта таблица также мигрировала из МУ 1970года (таблица4). Но это не точно.
4. Для расчета интенсивности впитывания мы обратимся к СоюзДорНИИ_83:
Сначала мы проверяем условие (20). Так как по кривой редукции дождя первоначальная интенсивность поступления воды равна интенсивности осадков iпв=2,25 мм/мин, тогда:
2,25 > 0,02*0,02 (наш грунт-суглинок может полностью впитывать в себя только 0,0004 мм/мин, а с дождем поступает ).
Затем мы находим интенсивность впитывания (iвп) нашего суглинка при нашей интенсивности поступления (iпв) и при заданном уклоне 52‰. Для этого я забиваю формулу (21) в эксель и тупо подбираю Iвп для совпадения левой и правой части:
Для суглинистого участка_1 с уклоном 52‰ интенсивность впитывания составит iвп = 0,017 мм/мин при 1% ливне.
Можно воспользоваться более простым способом, через номограмму СоюзДорНИИ_83:
В этом случае у меня вышло iвп=0.15 мм/мин что в 10 раз больше. Этот фактор, а также номограмма С намекают на то, что в СП425 значения коэффициента впитывания грунтов сильно занижены.
5. Интенсивность стока Iск = 2,25 мм/мин - 0,017мм/мин= 2,233 мм/мин. Как разница между интенсивностью поступления воды и интенсивностью впитывания.
6. Теперь находим расчётную скорость потока на участке_1:
V = 0.00284*(50*3.02)^0.4*2.233^0.6 = 0.0342 м/с
Итак: скорость потока на участке составит 0,0342 м/с.
7. Определение глубины водного потока:
Подставляем значения и получаем h = 0.0032м (3.2мм)
8. Последний шаг, нам требуется определить допускаемую скорость потока и сравнить:
Vдоп = 0,126 м/с.
Вывод: скорость потока на участке_1 V=0,0342 м/с, что гораздо ниже допускаемой скорости 0,126 м/c при существующей глубине потока 3,2мм. Эрозионных процессов происходить не будет.
Мы посчитали первый участок. Его особенность была в том, что интенсивность поступления воды на этот участок была рана интенсивности дождя.
Следующий участок_2 будет иметь интенсивность поступления как сумму интенсивность стока Iск первого участка + интенсивность дождя выпадающего над вторым участком во второй промежуток времени. Примерно на глаз спроецировал этот участок на кривую интенсивности осадков.
Т.е. iпв участка 2 = 2.233 мм/мин + 1.1 мм/мин= 3.333мм/мин.
Ну а далее по шаблону, если понимать как в этой задаче работает метод предельной интенсивности, то все становится понятным.
PS. Небольшая зарисовка на тему: если на втором участке скорость станет выше допустимой? Нам придется вырыть нагорную канаву, которая снизит интенсивность поступления воды с вышерасположенного участка. Правда, при этом придется интенсивность дождя считать с начала фронта: добавлением канав мы снижаем площади водосборов, но никак не интенсивность осадков!
За сим откланиваюсь! Впереди есть мысли как замоделить подобное в расчётном комплексе HEC-RAS.
