авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Сток ливневых вод на основе паводковой волны для сооружений автомобильных дорог и аэродромов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЧИСТЯКОВ Игорь Владимирович

СТОК ЛИВНЕВЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ПАВОДКОВОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ

05.23.11 – «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном

государственном техническом университете (МАДИ)

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Немчинов Михаил Васильевич

Доктор технических наук, профессор

Высоцкий Лев Ильич,

Доктор технических наук, профессор

Лапин Валерий Юрьевич,

Ведущая организация: ООО «РОСДОРНИИ»

Защита состоится « 18 » ноября 2010 г. в 1000 часов на заседании

Диссертационного совета Д 212.126.02. В Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу:

125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Автореферат разослан «___»___________2010 г.

Ученый секретарь совета,

профессор Борисюк Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Автомобильные дороги – это черезвычайно сложные, капиталоемкие, но в то же время высоко рентабельные инженерные сооружения. В связи с исключительной капиталоемкостью автомобильных дорог во все времена инженеры-дорожники искали пути снижения стоимости строительства, но не в ущерб правильности и качеству принимаемых проектных решений. А в условиях рыночных отношений вопрос о повышении обоснованности принимаемых проектных решений становится особенно актуальным.

Сооружения транспортного комплекса всегда создавались с учетом воздействия погодно-климатических факторов. Поэтому решение задач в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в настоящее время возможно путем более детального исследования различных явлений, оказывающих влияние на состояние транспортных сооружений. К таким явлениям следует отнести и ливневой сток.

О важности совершенствования методов расчета ливневого стока говорит тот факт, что существующие методы расчета максимальных расходов и объемов стока не всегда обеспечивают достаточную надежность. Это приводит к различного рода разрушениям и повреждениям автомобильных дорог в местах переходов через малые и временные водотоки. Если проанализировать количество разрушений, относящееся к переходам с малыми водопропускными сооружениями к переходам с мостами больших и средних отверстий, то получим следующее их распределение в % [31]:

  • переходы с малыми мостами и трубами – 49%;
  • собственно земляное полотно – 32%;
  • переходы с большими и средними мостами – 19%.

Как известно, в основе принимаемых проектных решений при назначении основных противоаварийных мероприятий и генеральных размеров малых мостов и водопропускных труб основными параметрами являются максимальный расход и объём стока ливневых вод. Исходя из выше приведенных данных есть, основание полагать о не вполне достаточной надёжности прогнозов их параметров.

Цель работы состоит в создании научных и научно-методологических основ прогноза параметров стока ливневых вод при проектировании водоотводящих систем на автомобильных дорогах и территорий транспортного комплекса.

Задачи исследования:

  1. путём детального анализа системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по его длине дать научно-методологические основы возможности применения для описания данной системой уравнений поверхностного стока на водосборных бассейнах имеющих гидрологическую сеть состоящую из склонов водосборного бассейна и главного лога;
  2. разработать и дать научно-методологическое обоснование для представления поверхности водосборных бассейнов в виде математической модели местности на горизонталях для дальнейшего математического моделирования поверхностного стока;
  3. на основании выполненного анализа системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по его длине и разработанного научно-методологического обоснования применения данного математического обеспечения и представления поверхности водосборного бассейна в виде математической модели местности, создать общую математическую модель стока ливневых вод, с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов относительно главного лога водосборного бассейна;
  4. используя натурные данные наблюдений о стоке ливневых вод установить адекватность разработанной математической модели натурным парам «ливень-гидрограф»;
  5. выполнить натурный эксперимент по массовому наблюдению за прохождением ливневых фронтов в настоящий период времени и путем сравнения с ранее полученными данными установить основные закономерности изменений хода интенсивностей ливней во времени и закономерности прохождения ливней с учетом их направлений и скоростей прохождения ливневых фронтов;
  6. методом массового численного эксперимента с применением разработанной математической модели стока ливневых вод установить основные закономерности формирования максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов;
  7. на основании результатов проведенного массового численного эксперимента разработать современные, научно-методологические основы формирования ливневого стока;
  8. разработать методику расчета максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, основанной на неравномерном и неустановившемся режимах потока с переменной массой по его длине с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов.

Объектом исследования является сток ливневых вод с поверхности водосборных бассейнов пересекаемых трассой автомобильных дорог и территорий транспортных комплексов.

Предметом исследования являются теоретические и методологические основы прогнозирования максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод для водоотводящих систем автомобильных дорог.

Теоретической основой диссертационной работы являются механика жидкости, дифференциальные уравнения, математическое и иммитационное моделирование, исследование операций, регрессионный и дисперсионный анализ, методы многомерного статистического анализа и другие.

Научную новизну работы составляет создание научных, научно-методологических и технико-производственных основ расчетов стока ливневых вод на основе неустановившегося и неравномерного характера движения ливневых вод с переменной массой по протяженности потока на поверхности водосборного бассейна. Следствием такого подхода рассмотрения явления стока ливневых вод является формирования паводковой волны.

На защиту выносятся:

1) методология расчета стока ливневых вод, основу которой составляет система дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по его длине и представлении поверхности водосборных бассейнов в виде математической модели местности;

2) закономерности и положения о формировании ливневого стока, в виде паводковых волн;

3) концепция интеграции новых, дополнительных метеорологических параметров в расчеты максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод, вызванных изменением направлений и скоростей прохождения ливневых фронтов;

4) вероятностная модель учета дополнительных потерь стока ливневых вод после прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном при наличии поверхностного стока на нём;

5) новые, аналитические зависимости для расчета параметров стока ливневых вод, при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, основу которых составляет неустановившийся характер и переменная масса потока ливневых вод по гидрографической сети водосборного бассейна.

Достоверность рекомендаций, выводов и обоснованность научных положений, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом с натурными наблюдениями. На основе экспериментальных расчетов стока ливневых вод, выполнен анализ экспериментальных зависимостей, полученных на основе проведенного массового численного эксперимента.

Практическая ценность и реализация результатов работы, полученных в диссертации и доведенных до практического применения, заключается в следующем: разработан программный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать как оперативные, метеорологические данные о ходе ливней над конкретным водосборным бассейном, так и данные полученные по многолетним наблюдениям с заданной вероятностью превышения.

Разработана методика расчета стока ливневых вод, базирующаяся на принципе формирования паводковой волны. Данная методика учитывает неустановившийся и неравномерный режим поверхностного стока ливневых вод по поверхности водосборного бассейна, с переменной массой по длине потока.

Реализация результатов исследования. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию для практического применения в проектных отделах Управлений автомобильных дорог Москва - Санкт-Петербург, Москва-Волгоград, в ООО «ИНТЕРДОРПРОЕКТ», а также используются в учебном процессе в МАДИ (ГТУ). Результаты внедрения подтвердили работоспособность и эффективность разработанных положений расчетов стока ливневых вод с водосборных бассейнов при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах.

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета).

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

  • на республиканских и международных научно-технических конференциях, семинарах (1992-2008 гг.);
  • на заседании кафедры «Гидравлика» (2005г.) Московского автомобильно-дорожного института;
  • совместном заседании (2007г.) кафедр «Изысканий и проектирования автомобильных дорог», «Гидравлика» и «Геодезия» Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета).
  • на Международном конгрессе «Управление водными ресурсами в экспериментальных условиях». Москва июнь 2007 г.
  • на Международном дорожном конгрессе. Москва, МАДИ (ГТУ) 2008г.

Структура диссертационной работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 31 работе, в том числе – 1 монография. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 7 работ. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы. Основной текст размещен на 246странице, включает 11 таблиц, 129 рисунков. Список литературы включает 224 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные задачи исследований.

  1. Проблемы и противоречия методов расчета ливневого стока транспортных

сооружений.

Проведен детальный анализ наиболее распространённых методов расчета стока ливневых вод применяемых при проектировании водопропускных сооружений и систем водоотвода на автомобильных дорогах ранее и в настоящее время (по работам Долгова Н.Е., Николаи Л.Ф., Протодьяконова М.М., Бефани А.И., Соколовского Д.Л., Андреева О.Н., Журавлева М.М., Перевозникова Б.Ф., Большакова В.А., Кургановича А.А.), а также современных методов моделирования ливневого стока. Одним из наиболее перспективных является метод математического моделирования (работы Горошкова И.Ф., Калинина Г.П., Корня В.И., Кучмента Л.С., Лятхера В.М., Прудовского А.М., Федотова Г.А.).

Изложена эволюция методов прогнозирования максимальных расходов и объёмов стока, исходя из требований, предъявляемых практикой проектирования водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Рассмотрены достоинства и недостатки каждого из методов. На основании такого проведенного анализа обоснован выбор методов, сформулированы цели и задачи исследований.

2. Методологические и экспериментально теоретические исследования процесса формирования ливневого стока при гидрологическом обосновании проектных решений в транспортном строительстве.

Одной из задач, сформулированных в первой главе, является представление потока по поверхности водосборного бассейна как неравномерного, неустановившегося с переменной массой по протяженности. Основным из существенных допущений, существующих в настоящее время методов расчетов стока о равномерном движении потока по поверхности водосборного бассейна как потока установившегося с постоянными параметрами по протяженности. Что не соответствует реальным условиям формирования максимальных расходов и объемов стока. С этой целью в данной главе выполнено обоснование методологических и теоретических возможностей расчета неустановившегося и неравномерного движения жидкости на основе системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине:

уравнение динамического равновесия

(1)

и уравнение неразрывности

, (2)

где - проекция скорости присоединяемого притока на нап­равление скорости основного потока; - боковая приторность в единицу времени на единицу длины; – уклон трения.

Эта система уравнений решается в конечных разностях:

уравнение динамического равновесия:

; (3)

уравнение неразрывности: , (4)

где hnj, h(n+1)j глубина потока в n –ом и (n+1) –ом створах при j –том уровне времени, м; Vnj, V(n+1) j - соответственно средние скорости течения, м/с; Vn(j-1)ср, Vnjср- средние скорости течения на n -ном расчетном участке лога соответственно при (j - 1) –ом и j -ом уровнях времени, м/с; ln - длина n -го участка склона, м; Jск - уклон склона; Qnjср, Knjср - соответственно расход и расходная характеристика сечения на n -ом участке склона при j -том уровне времени, м3/с; njcp- средняя на n - ном участке лога площадь живого сечения, м2; qncp, hnjcp - средний погонный расход на n - ном участке лога и глубина соответственно, м2/с и м; - угол притока погонного расхода; Qnj, Q(n+1)j - соответственно расходы в n - ном и (n +1) – ом створах при j - том уровне времени, м3/с; hnj, h(n+1)j - приращение глубины потока в соответствующих створах за время tj, м; Bn, B(n+1) - ширина потока в соответствующих створах, м.

Задача представления рельефа водосборного бассейна в виде математической модели, применительно к описанию процесса поверхностного стока системой

Рис. 1. Представление поверхности водосбора в виде элементарных площадок.

Рис. 2. Данные о ходе ливней: а) - кривые хода ливней и обобщенная

кривая для центра европейской территории России;

б) - обобщенные кривые хода ливней

дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине (рис.1).

При таком представлении рельефа водосборной площади представляется возможным моделировать продвижение ливневого фронта над водосборным бассейном в разных направлениях с различными скоростями.

Осадки в виде ливней, выпадающие на бассейне, идут с разной интенсивностью. Поскольку количество осадков и время ливней очень разнообразны, для сравнения их на одном графике рекомендуется по каждому дождю окончательное количество осадков и время принимать 100%.

С целью применения в последующем математическом моделировании процесса ливневого стока необходимо установить основной закон хода ливней в настоящее время. Для этого было выполнено наблюдение за ходом ливней в последние 10 – 15 лет и получен обобщенный график хода ливней на современном этапе (рис. 2).

Для учета потерь на впитывание поверхностного стока ливневых вод в подстилающий водосбор грунт также требуется схематизация в пределах принятых в дорожном проектировании. В этом направлении известны работы Протодьяконо-

а) б)

Рис. 3. Схематизация слоя стока: а) зависимость потерь стока

на впитывании для различных категорий грунтов по впитываемости (I – VI);

б) формирование слоя стока во времени

ва М.М., Болдакова Е.В. и других авторов, которые доказали возможность принимать шесть видов грунтов по впитыванию. Каждому виду грунта соответствует своя стандартная кривая (рис. 3а).Для описания процесса формирования слоя стока на водосборе кривая хода ливня и кривая потерь объединялись методом «касания». Для применения этих данных в качестве исходной информации в разработанной математической модели кривые хода дождя H=f(t) и потерь на впитывание P=f(h) заменяются ступенчатым очертанием с шагом t (рис.3б).

Как видно из схемы расчета (рис. 4 (а)), вода, поступившая в виде осадков (аj t) на элементарный участок площади склона водосборного бассейна длиной x и шириной полученной по данным математической модели водосборного бассейна, частично впитывается в почву (bjt) частично стекает на следующий элементарный участок, а часть воды остаётся.

Сток ливневых вод по тальвегу водосбора описывается также системой уравнений (1,2).

Схема расчета по руслу аналогична схеме расчета по склону. Система уравнений решается последовательно для каждой пары створов, сверху вниз по логу (и по склону), начиная от водораздела, для каждого интервала времени. При этом в створе на водоразделе глубина потока принимается равной нулю. На основе решения представленных систем уравнений и приемов схематизации разработан

новый алгоритм комплекс программ математической модели расчета стока ливневых вод с водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог.

3. Комплексная оценка процесса формирования стока ливневых вод методом математического моделирования

Проведены комплексные экспериментальные расчеты стока ливневых вод и представлены результаты проверки адекватности, разработанной математической модели стока ливневых вод натурным данным, а также результаты данных наблюдений за реальными ливнями. По результатам наблюдений за ходом реальных ливней получена обобщенная кривая хода ливней для современного периода (рис. 2б).

а)

 б) Схема расчета стока со-12

б)



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.