СТО Газпром РД 1.13-153-2005

 

Главная       Учебники - Газпром      СТО Газпром РД 1.13-153-2005

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТО Газпром РД 1.13-153-2005

 

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО “ГАЗПРОМ” СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ


МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАЗРУШЕНИЯ ДОЖДЕВЫМ И ТАЛЫМ СТОКОМ

ОТСЫПНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ОБУСТРОЙСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

СТО Газпром РД 1.13-153-2005


Издание официальное


ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО “ГАЗПРОМ”


Общество с ограниченной ответственностью “Научно)исследовательский институт природных газов и газовых технологий – ВНИИГАЗ”

(OOO “ВНИИГАЗ”)

Общество с ограниченной ответственностью “Информационно)рекламный центр газовой промышленности” (ООО “ИРЦ Газпром”)


Москва 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ


РАЗРАБОТАН


ВНЕСЕН


УТВЕРЖДЕН


ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ

Обществом с ограниченной ответственностью “Научно-ис-следовательский институт природных газов и газовых технологий – ВНИИГАЗ” (ООО “ВНИИГАЗ” )


Отделом энергосбережения и экологии Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО “Газпром”


Заместителем Председателя Правления ОАО “Газпром” А.Г. Ананенковым


Распоряжением ОАО “Газпром” от 1 февраля 2005 г.

№ 14 с 29 апреля 2005 г.


Настоящий нормативный документ не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения ОАО “Газпром”


image

ОАО “Газпром”, 2005

ООО “ВНИИГАЗ”, 2004

Содержание

Введение IV

  1. Область применения 1

  2. Термины и определения 1

  3. Количественная оценка опасности

    размыва отсыпных сооружений 2

    1. Особенности размыва отсыпных сооружений 2

    2. Алгоритм расчета показателей эродирующей

      способности водных потоков, размывающих насыпи 2

      1. Расчет средних и донных скоростей ручейковых

        потоков при спокойном их движении 2

      2. Расчет средних и донных скоростей потоков

        при критическом состоянии их движения 5

      3. Расчет средних и донных скоростей потоков при бурном

        состоянии их движения 6

    3. Алгоритмы расчета показателей противоэрозионной

      стойкости отсыпных почвогрунтов 7

      1. Расчет донных неразмывающих и размывающих скоростей потока 7

      2. Расчет допустимых по условию неразмываемости почвогрунтов

        уклонов и расходов воды 11

    4. Алгоритмы расчета показателей опасности размыва насыпей 13

      1. Расчет потенциально возможных объемов и длин эрозионных форм

        размыва насыпей 13

      2. Расчеты динамических показателей размыва насыпей 15

        1. Расчет интенсивности выноса (смыва) почвогрунта при

          размыве насыпей 16

        2. Расчет скоростей линейного и объемного роста эрозионных

          форм и длительности активного размыва насыпей 18

          Приложение А (справочное) Примеры расчета основных количественых

          характеристик размыва насыпей 22

          Приложение Б (справочное) Некоторые результаты практической реализации

          методики 28

          Библиография 31

          ВВЕДЕНИЕ


          В основу составления настоящего нормативного документа положены результаты мно-голетних исследований, которые проводились в районах газоконденсатных месторождений Крайнего Севера. В ходе исследований было установлено, что на искусственных отсыпках под сооружение вахтовых поселков, дорог, кустов скважин, выполненных в основном из лег-коразмываемого песчано-супесчанного карьерного грунта при талом и дождевом стоке, фор-мируется густая эрозионная сеть мелких и крупных борозд, промоин и оврагов. Размыв насыпей создает угрозу инженерным сооружениям и экологической обстановке в районах освоения месторождения.

          На основе анализа результатов качественного и количественного обследования эрозион-ного состояния насыпей, а также экспериментально-теоретического анализа механизма их размыва разработана и положена в основу нормативного документа модель прогноза разру-шения искусственных отсыпных сооружений дождевым и талым стоком.

          Стандарт разработан авторским коллективом в составе: к.т.н. Г.С. Акоповой, д.г.н. А.В. Баранова, Маркиной П.А., Самсоновой В.В. (лаборатория защиты окружающей среды ООО “ВНИИГАЗ”), д.г.н. В.Я. Григорьева (кафедра эрозии почв факультета почвове-дения МГУ)

          ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО “ГАЗПРОМ” СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ


          image


          МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАЗРУШЕНИЯ ДОЖДЕВЫМ И ТАЛЫМ СТОКОМ ОТСЫПНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ОБУСТРОЙСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА



          image


          Дата введения 2005-04-29


          1. Область применения


            Методика предназначена для количественного прогнозирования опасностей и дина-мики разрушения насыпных сооружений поверхностным стоком на стадиях технико-эконо-мического обоснования, проектирования, обустройства и эксплуатации газовых месторожде-ний в условиях криолитозоны.

            Методика позволяет расчетным путем устанавливать прогнозные значения основных по-казателей (длины, объема, продолжительности) размыва искусственных отсыпных сооружений.

          2. Термины и определения


            В методике применены следующие термины с соответствующими определениями:

            1. почвогрунт: Минеральный грунт с признаками начального почвообразования;

            2. противоэрозионная стойкость почвогрунта: Способность его оказывать сопротивле-ние размывающему и смывающему действию водных потоков;

            3. противоэрозионные свойства почвогрунта: Свойства, обуславливающие его противо-эрозионную стойкость;

            4. эродирующая способность потока: Энергетическая характеристика воздействия вод-ного потока на почвогрунт;

            5. размывающая способность потока: Способность его отрывать и переносить частицы (агрегаты) почвогрунта;

            6. транспортирующая (смывающая) способность потока: Предельная его способность транспорта (смыва) продуктов размыва почвогрунта;


              image

              Издание официальное

            7. эрозионная форма размыва: Результат размыва и смыва почвогрунта водным пото-ком в виде мелких и глубоких промоин, малых и крупных оврагов;

            8. донная скорость потока: Скорость потока на средней высоте выступов шероховато-сти (неровностей) дна его русла;

            9. донная размывающая скорость для почвогрунтов: Донная скорость потока, при кото-рой наблюдают интенсивный и непрекращающийся отрыв и перенос частиц (агрегатов) почвогрунтов;

            10. донная неразмывающая скорость для почвогрунта: Донная скорость потока, при ко-торой наблюдают отрыв и перенос отдельных частиц (агрегатов) почвогрунта;

            11. допустимый (по условию неразмываемости почвогрунта) уклон дна: Уклон дна, при кото-ром донная скорость потока равна донной неразмывающей скорости потока для почвогрунта;

            12. допустимый (по условию неразмываемости почвогрунта) расход воды: Расход воды, при котором донная скорость потока равна донной неразмывающей скорости потока для поч-вогрунта;

            13. эрозионный потенциал: Максимально-предельное развитие длины и объема эрози-онных форм размыва насыпей в конкретных условиях объекта;

            14. линейный рост эрозионной формы: Скорость увеличения длины эрозийной формы во времени;

            15. объемный рост эрозионной формы: Скорость увеличения объема эрозийной формы во времени;

            16. регрессивная (“попятная”) эрозия: Размыв почвогрунтов в виде движущихся вверх потока размываемых порожков.

          3. Количественная оценка опасности размыва отсыпных сооружений

            1. Особенности размыва отсыпных сооружений


              Сложность проявления и описания линейных размывов насыпей обусловлена значи-

              тельной неравномерностью движения стекающей воды, вызванной образованием в русле кас-када порожков (микроводопадов), вызывающих попятную регрессивную эрозию грунта.

            2. Алгоритм расчета показателей эродирующей способности водных потоков, размывающих насыпи

              1. Расчет средних и донных скоростей ручейковых потоков при спокойном их дви-

                жении


                Величины средних и донных скоростей ручейкового дождевого и талого стока на скло-

                нах рассчитывают по формуле Шези-Маннинга, применимой для спокойных потоков с рав-номерным и установившимся или близкому к нему движением [1, 2]

                Для удобства практического применения, уравнения для расчета средней и донной ско-рости потока, полученные на основе формулы Шези-Маннинга, представляют в виде зависи-мостей от измеряемых гидрологических и гидравлических параметров потока и русла. Преоб-разование проводятся на основе взаимосвязей:

                Cреднюю скорость потока V, вычисляют по формуле (1)



                с

                где q


                – расход воды, м3/с;

                V = qc /(1)

                поперечное сечение потока, м2.

                Поперечное сечение потока , вычисляют по формуле (2)


                image image

                где А – эмпирический коэффициент;

                m – эмпирический показатель степени;

                R – гидравлический радиус потока, м.

                Д

                Донную скорость потока V , вычисляют по формуле (3)


                (2)


                image

                image

                image

                (3)


                где – высота выступов шероховатости дна, м.

                Величину вычисляют по соотношению (4)

                  d, (4)

                где d – средний размер водопрочных агрегатов, слагающих дно потока, м.

                В малых ручейковых потоках глубина Н, м, примерно равна гидравлическому радиусу R, м

                H R, (5)

                где H – глубина потока, м.

                Эмпирические величины А и m устанавливают экспериментально [1].

                По результатам натурных измерений на размываемых откосах насыпи поперечного сечения , и глубины H, которая для мелких потоков примерно равна гидравлическому их радиусу R, значения А и m соответственно равны 10 и 2.

                Далее устанавливают уравнения (6,7,8) для расчета: гидравлического радиуса (глубины) потока R

                image

                (6)


                М

                где n

                – коэффициент шероховатости (по Маннингу);

                J – уклон дна потока.

                средней скорости потока V


                image

                image

                донной скорости потока VД


                (7)


                (8)


                image

                Эти уравнения, также как и положенная в их основу формула Шези-Маннинга, приме-нимы только в области турбулентного течения потоков, т.е. при квадратичном законе гидрав-лического сопротивления [1, 2]. Для применения их в области переходного режима течения (от ламинарного к турбулентному) отклонение от квадратичного закона учитывают эмпиричес-кой зависимостью коэффициента шероховатости от средней или донной скорости потока [3, 1, 4]

                image

                image

                image image (9)

                где VТ и VДТ – критическое значение соответственно средней V и донной VД скорости потока, при котором коэффициент шероховатости nм принимает постоянное значение, равное n0. По экспериментальным данным для потоков малой глубины приближенные критические зна-

                чения VТ и VДТ, соответственно равны 0,4 м/с и 0,2 м/с.

                Величины коэффициента шероховатости n0 для конкретных почвогрунтов определяют экспериментально [2]. По экспериментальным данным величина коэффициента шероховато-

                сти дна n0 изменяется от 0,01 до 0,04. При отсутствии в русле потока дополнительных гидрав-лических сопротивлений неровностей дна почвогрунтов, растительных остатков и др., вели-

                0

                чина коэффициента n

                зависит от размера водопрочных агрегатов d, м [1].


                (10)


                image

                Величина уклона дна J является текущей переменной и изменяется в процессе размыва

                от

                от значения уклона откоса насыпи J

                сти почвогрунта) уклона Jдоп.

                до величины допустимого (по условию неразмываемо-

                Приближенную количественную оценку уклона дна J проводят по эмпирическому урав-нению (11)

                J=Jдоп + (Jот -Jдоп ) exp (-F), (11)

                где J – уклон дна эрозионной формы;


                J

                доп

                допустимый (по условию неразмываемости почвогрунта) уклон дна;

                Jот – уклон откоса насыпи;

                image

                F –эмпирический параметр, равный 1,354;

                – относительная длительность размыва, равная отношению 100·t/Т, %;

                t – текущее значение времени размыва, с;

                Т – общая длительность образования эрозионной формы, с.

              2. Расчет средних и донных скоростей потоков при критическом состоянии их движения

                В местах локальных размывов откоса насыпи образуются отдельные порожки – пере-

                пады или каскад. Глубина воды на гребне перепадов близка к критической глубине Rкр соот-ветствующей минимуму удельной энергии сечения потока.

                Для русла любого поперечного сечения величину критической глубины R

                [2] определяют соотношением (12)


                image

                2

                где кр – площадь критического поперечного сечения потока, м ;

                кр

                , согласно


                (12)

                Вкр – критическая ширина потока, м;

                о – корректив кинетической энергии примерно равный 1,01,1.

                q

                с

                – расход воды, м3/с;

                g – ускорение свободного падения, равное 9,81, м/с2.

                R

                кр

                Площадь поперечного сечения потока кр в зависимости от его критической глубины расчитывают по эмпирическому уравнению (2).

                Приближенную величину ширины потока Вкр в размываемом русле определяют по эм-

                пирической формуле (13)


                (13)


                image

                image

                image

                image

                image

                Подставив эмпирические зависимости (2) и (13) в уравнении (12), получают формулу для расчета критической глубины потока Rкр

                кр

                В отличие от нормальной глубины потока R, критическая глубина R

                расхода и не зависит от уклона дна русла.

                (14)

                зависит только от

                Критической глубине потока Rкр соответствует определенный критический уклон дна

                русла J

                кр

                кр

                . Выражение для расчета величины уклона J

                находят из формулы Шези-Маннинга и

                image

                уравнения (12) с учетом эмпирических зависимостей (2), (13) и (14).


                (15)


                где Скр – коэффициент Шези, равный Rкр

                0,17

                /nм.

                Величины средней VП и донной VДП скоростей потока на гребне перепадов вычисляют по формулам (16) и (17)

                image и (16)


                image

                (17)

                кр

                Учитывая, что критическая глубина потока R

                зависит от расхода воды и не зависит от

                уклона дна, формулы для расчетного определения показателей эродирующей способности стока на гребне перепадов определены как

                image image (18)

                image

                (19)


              3. Расчет средних и донных скоростей потоков при бурном состоянии их движения

                с

                Приближенные значения скорости V

                с

                и глубины R

                в наиболее сжатой части потока на

                сливной грани устанавливают методом подбора по используемым при проектировании пло-тин [2] формулам (20), (21), (22)

                image

                image (20)

                image

                image

                (21)



                где Vс – средняя скорость потока в сжатой его части, м/с;

                с – коэффициент, равный 0,9-1,0;

                g – ускорение свободного падения, м/с2;

                (22)

                c

                q – расход воды, м3/с;

                2

                с – поперечное сечение потока в сжатой его части, м ;

                Т

                0

                • полная высота падения струи, м;

                  R

                  с

                • глубина потока в сжатой его части, м;

                  hП – высота порожков, м;

                  V

                  o

                • скорость потока перед гребнем порожка, м/с;

                  R

                  о

                • глубина потока перед гребнем порожка, м;

                  0 – корректив кинетической энергии, равный 1,01,1.

                  о,

                  При больших величинах Т

                  c

                  слагаемым R

                  в уравнении (20) слагаемым можно пренеб-

                  речь и, учитывая эмпирическую связь с с Rc (12), получают расчетное уравнение для глубины потока Rс в наиболее сжатой ее части

                  image (23)

                  Величина средней Vс и донной VДС скоростей потока в сжатой его части соответственно вычисляют по формулам (24) и (25)

                  image (24)

                  image

                  (25)


                  0

                  Величины глубины R

                  0

                  и средней скорости V

                  перед гребнем порожка рассчитывают по

                  уравнениям (6) и (7), рекомендованным для потоков со спокойным движением. Приближен-

                  ные их значения определяют по полуэмпирическим зависимостям. Величину глубины нахо-дят по соотношению (26)

                  Rкр 2/3 R0 или R0 1,5 Rкр. (26)

                  V

                  0

                  Критическую глубину Rкр рассчитывают по уравнению (14). Среднюю скорость потока перед гребнем порожка приближенно находят по формуле (27)

                  image image (27)

                  Более сложной задачей является определение высоты порожков hп. Высота порожков,

                  так же как и их количество, являются текущими переменными величинами в течение размыва насыпей. Появление в вершине и на отдельных участках русла местных размывов и воронок (колодцев) с крутой задней стенкой создают в русле серию порожков-перепадов, быстро дви-жущихся вверх по руслу. Возникающие при этом водопады резко увеличивают глубинную эро-зию в водобойной воронке, что приводит к еще большему увеличению высоты порожков. В результате увеличения высоты порога и размыва стенки у его подножия почвогрунт обвали-вается под действием собственной тяжести, образуя новый порожек [5, 6]. Участки углубле-ния русла сменяются локальной аккумуляцией наносов, изменяющей уклоны дна, что также приводит к возникновению новых порожков.

                  Максимально возможную высоту порожков h

                  пмакс

                  , м, рассчитывают по соотношению

                  для определения высоты откоса связанного грунта, при которой он держится вертикально (28)

                  image

                  image (28)

                  где С – средневзвешенное по высоте порожка значение общего сцепления водонасыщенного почвогрунта, т/м2;

                  – плотность водонасыщенного почвогрунта, т/м2.


            3. Алгоритмы расчета показателей противоэрозионной стойкости отсыпных почвогрунтов


              Основными количественными показателями противоэрозионной стойкости являются величины неразмывающих или размывающих отсыпной грунт донных скоростей потока. До-полнительными (производными) показателями служат значения допустимых по условию не-размываемости почвогрунта уклонов дна русла и расходов воды.

              1. Расчет донных неразмывающих и размывающих скоростей потока

                Величину донной размывающей скорости характеризующей противоэрозионную стой-кость несвязанных и связанных почвогрунтов, согласно [7, 8], рассчитывают по уравнению

                image (29)

                где VДР – донная размывающая скорость потока, м/с;

                m

                2

                • эмпирический коэффициент, учитывающий связывающее действие корней растений;

                g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2);

                n’ – коэффициент, учитывающий уровень пульсаций в потоке (n’ равен 2,3 при талом и 4,0 при дождевом стоке);

                – плотность твердой фазы почвогрунта, т/м3;

                3

                o – плотность воды, т/м ;

                d – средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (частиц) грунта, м;

                Р – порозность агрегатов, д.е.;

                1 – угол наклона русла потока, град;

                н

                Су межагрегатное сцепление при динамической нагрузке, т/м2.


                у

                Величины противоэрозионных свойств , d, P, Сн

                определяют экспериментально [8, 9].

                Плотность твердой фазы почвогрунта , Т/м3, определяют пикнометрическим методом [9]. Порозность агрегатов Р определяют методом парафинирования или керосиновым методом [9]. Значения диаметра водопрочных агрегатов d рассчитывают по результатам агрегатного состава водонасыщенного почвогрунта по методу просева в воде Н.И. Саввинова [9]. Величи-

                у

                ну межагрегатного сцепления Сн

                устанавливают по результатам измерения общего сцепления

                водонасыщенного почвогрунта, С известными методами [1, 7, 8, 10].

                Для связных водонасыщенных почвогрунтов при отсутствии или наличии в них не-большого количества корней растений, а также в мерзлом состоянии, общее сцепление рас-считывают по результатам измерений глубины вдавливания под нагрузкой сферического штам-па по методике Н.А. Цытовича [8, 10, 11]. Связывающее действие корней растений учитывают

                коэффициентом, m2, в формуле (29).

                Для водонасыщенных почвогрунтов с большим содержанием растительных остатков общее сцепление определяют гидроструйным методом Ц. Е. Мирцхулавы [12].

                В зависимости от метода определения общего сцепления величины межагрегатного

                у

                н

                сцепления Сн рассчитывают по соответствующим формулам: для слабозадернованных водо-насыщенных немерзлых и мерзлых почвогрунтов величину С у определяют по уравнению (30)

                у

                Cн = ксlcCш, (30)


                с

                где к

                с

                – коэффициент однородности почвогрунта по сцеплению (к

                примерно равен 0,5);

                l

                c

                – коэффициент, учитывающий влияние плотности почвогрунта;

                2

                Сш – общее сцепление, определенное по методике Н.А. Цытовича, т/м .

                c

                Величину коэффициента l

                рассчитывают по эмпирическому уравнению (31)


                (31)

                image

                image

                3

                где v – плотность почвогрунта, т/м ;

                3

                о – плотность воды, т/м .

                3

                Плотность почвогрунта v, т/м , определяют экспериментально методом врезных колец [13]. Величину коэффициента m2, для учета влияния корней растений на связность почво-

                грунта рассчитывают по эмпирической формуле (32)


                -2

                m2=1+410

                exp(23Rk), при Rк

                менее 0,3% (32)


                где Rк – содержание живых корней растений (диаметром менее 1 мм) в почвогрунте, %.

                к

                Значения R

                находят по результатам определения методом отмывки в почвогрунте расти-

                тельных остатков, отбора и взвешивания в сухом состоянии живых корней диаметром менее 1 мм. Для сильнозадернованных отсыпных почвогрунтов, например, в результате естестве-

                н

                ного самозарастания или биологической рекультивации поверхности насыпей, значения ме-жагрегатного сцепления Су рассчитывают по формуле (33)

                image

                image

                (33)


                2

                ГС

                где С – общее сцепление, установленное гидроструйным методом Ц.Е. Мирцхулавы, т/м2. В этих случаях значения коэффициента, m , в расчетах по уравнению (29) принимают

                равным единице.

                Приближенные значения общего сцепления устанавливают расчетным путем по эмпи-рическим формулам.

                2

                Сцепление водонасыщенного немерзлого почвогрунта Сш, т/м , рассчитывают по урав-нению (34)


                image

                где ку – коэффициент, учитывающий первоначальные условия увлажнения почвогрунта;

                (34)


                W

                НГП

                – влажность почвогрунта, соответствующая нижней границе пластичности, %;

                –коэффициент пористости почвогрунта.

                Для водонасыщенных почвогрунтов с большим содержанием растительных остатков общее сцепление СГС рассчитывают по уравнению (35)

                image

                (35)


                где – коэффициент, учитывающий армирующее и мульчирующее влияние растительных ос-татков. Остальные обозначения по формуле (34).

                Величину коэффициента устанавливают по эмпирической формуле (36)


                image

                image

                (36)


                р

                где R

                – содержание в почвогрунте (в слое 5 см) мелких (менее 1 мм в диаметре) живых и

                мертвых растительных остатков, кг/м3.

                ш

                Необходимые для расчетов общего сцепления С , т/м2 и С

                rc

                , т/м2, исходные характери-

                стики определяют экспериментально или расчетом по формулам (34, 35).

                у

                При капиллярном водонасыщении почвогрунта с поверхности “сверху” величина к

                у

                равна 1,3·10-6; при капиллярном водонасыщении “снизу” значение к , равно 25,5·10-6.

                Нижнюю границу пластичности почвогрунта WНГП, %, определяют экспериментально методом “скатывания в шнур” [10] или приближенно оценивают по соотношению (37)

                WНГП=0,42сГ, (37)

                где сr – содержание в почвогрунте физической глины (содержание частиц размером менее 0,01 мм), %.

                Содержание физической глины cr , %, находят по результатам определения грануломет-рического состава почвогрунта [10].

                Коэффициент пористости , рассчитывают по формуле (38)

                   –1, (38)

                где – плотность твердой фазы почвогрунта, т/м3;

                – плотность почвогрунта, т/м3.

                р

                Методики экспериментального определения величины и приведены в работе [10]. Количество растительных остатков R , определяют путем отмывки их от минеральной части

                почвогрунтов, высушиванием и взвешиванием.

                2

                Для мерзлых почвогрунтов общее сцепление Сш , т/м

                согласно [11] приближенно рас-

                считывают по эмпирической формуле (39)

                Сш =10 · (0,05tП /tНЗГ+0,01)WП /Wi , (39)

                где tП – температура почвогрунта, град;


                t

                НЗГ

                – начало замерзания почвогрунта, град;

                WН – полная влагоемкость почвогрунта, д. ед.;

                Wi – влажность за счет льдистости при tП равно tНЗГ, д.ед. (доли единицы).

                Для водонасыщенных почвогрунтов при их влажности, близкой к полной влагоемкос-

                ти, соотношение влажности за счет льдистости Wi к полной влагоемкости почвогрунта Wн

                рассчитывают по формуле (40)


                W

                i

                н

                М

                /W =ln

                /(0,72Т

                М

                +0,53)+1] (40)


                где ТМ – соотношение величины tП и tНЗГ.

                По установленным экспериментальным или расчетным путем значениям общего сцеп-

                ления Сш рассчитывают приближенные величины диаметра водопрочных агрегатов d, м, по формуле (41)

                с

                ш

                d 2,210 -3(1+к )С

                , (41)

                где кс – коэффициент неоднородности сцепления почвогрунта, примерно равный 0,5.

                Полученные по вышеизложенным методам экспериментальные и расчетные значения противоэрозионных свойств почвогрунтов позволяют по уравнению (29) рассчитывать вели-

                ДР

                чины донных размывающих скоростей потока V

                , определяющих границу перехода области

                слабого к области активного размыва почвогрунтов.

                Другой количественный показатель противоэрозионной стойкости почвогрунтов, рав-

                ный величине донной неразмывающей скорости потока VДН ,определяющий начало слабого размыва почвогрунта находят согласно [14], по соотношению (42)

                image

                VДН = VДР / (42)

                Д

                Переход от донных скоростей потока V , к средним их значениям V, проводят по соот-

                ношению (43)


                V=1,06VД (d/R)


                0,17, (43)

                где d – средний размер водопрочных агрегатов на дне потока, м,

                R – глубина потока, м.

                Сопоставление количественных показателей эродирующей способности потоков и противоэрозионной стойкости почвогрунтов определяет устойчивость к размыву полотна и

                откосов насыпей. Если донная скорость потока VД меньше донной неразмывающей скорости

                V

                ДН

                размыв практически отсутствует.

                При донной скорости потока в пределах от донной неразмывающей до донной размы-

                вающей скорости наблюдается слабый размыв. Повышение донной скорости потока выше размывающего ее значения приводит к активному размыву откосов и полотна насыпей.

              2. Расчет допустимых по условию неразмываемости почвогрунтов уклонов и расходов

воды


За допустимую скорость потока принимают величину скорости меньше размывающей

скорости примерно в 0,8 раза [8, 10]. Для повышения надежности расчетов целесообразно ее

принять равной неразмывающей скорости потока. Допустимый уклон Ј


ДОП

, согласно форму-

лы Шези -Маннинга, устанавливают по гидравлическим параметрам потоков и допустимой

(неразмывающей) средней скорости потока для почвогрунта насыпи, V

Н


image

image

(44)


М

где n

;

Н

– коэффициент шероховатости (по Маннингу) при скорости равной V

R – глубина потока при средней скорости, равной VН, м.

Учитывая вышеизложенные зависимости (1) – (9), формула (44) имеет вид


(45)


image

ДН

где V

– донная неразмывающая скорость потока для грунта, м/с.


Из формулы (45) следует, что изменения допустимого уклона ЈДОП, для одного и того же почвогрунта связаны с изменениями расхода воды qс. При нарастании расхода воды от истока к устьевой части эрозионной формы величина допустимого уклона уменьшается, и профиль

равновесия размыва имеет вогнутую форму. Наиболее характерная вогнутая форма продоль-ного профиля размывов насыпей образуется при дождевом стоке, а также при равномерном по длине поступлении талых вод. В тех случаях, когда вода поступает в виде сброса в верховые формы размыва, а подток с боковых сторон ограничен, формируется продольный профиль с допустимым уклоном, соответствующим условию неразмываемости при расходе, поступаю-щем в вершину эрозионной формы. Следовательно, при расчете показателей опасности размыва насыпей необходимо учитывать закономерность изменения расхода воды по длине линии стока. Приближенно влияние изменения расхода стока по длине водосбора эрозионной фор-

мы оценивают по соотношению (46)


image

JДОП = кСТ JДОП , (46)


image

где JДОП – средневзвешенное по длине эрозионной формы значение допустимого уклона;


Ј

ДОП

– допустимый уклон в конце эрозионной формы;

кСТ – коэффициент, учитывающий изменение расхода воды по длине линии стока.

Величина коэффициента кСТ при постоянном расходе воды по длине линии стока рав-на 1, при равномерном увеличении расхода воды – 3. В других случаях величина коэффици-ента кСТ определяется по результатам расчетов допустимого уклона для отдельных участков

эрозионной формы.

Значение допустимого расхода воды q


ДОП

, м3/сек, при котором в русле с заданным ук-

лоном дна средняя скорость потока V, м/с, равна средней неразмывающей его скорости VН

вычисляют по соотношению (47)


qДОП=Vнн, (47)

2

где н – поперечное сечение потока при средней его скорости, равной неразмывающей, м .

2

Величины поперечного сечения потока н, м мулам (2), (29), (42).

н

и скорости V , м/с, рассчитывают по фор-

3

Взаимосвязи (6)–(8) позволяют получить полуэмпирическую формулу для расчета до-пустимого расхода qДОП, м /с


image

image (48)


где JВ – уклон дна потока в начале эрозионной формы;

В

V

ДН

– донная неразмывающая скорость потока, соответствующая уклону дна русла J . Величина уклона дна JВ в зависимости от характера размыва верхней части эрозионной

формы изменяется в широких пределах от уклона поверхности полотна насыпи JП до уклона

С

плоскости обрушения стенки порожка J .

Расчеты допустимых расходов воды, также как и расчеты допустимых уклонов, прово-дят с учетом зависимости коэффициента шероховатости nм от скорости потока (9).


    1. Алгоритмы расчета показателей опасности размыва насыпей

      1. Расчет потенциально возможных объемов и длин эрозионных форм размыва насыпей В случае размыва в виде узких глубоких щелей их ширина размыва мала и практически

        равна ширине потока, размывающего откос и полотно насыпи. Максимальная глубина вреза часто равна высоте насыпи. Угол откоса их стенок близок к 90о. В результате последующего периодического промораживания и оттаивания, иссушения и увлажнения щели подвергают-ся разрушению, приводящему к размыву в виде микрооврагов.

        Этот тип размыва обусловлен глубинным врезом потока, оплыванием и оползанием стенок щелей размыва. Почвогрунт, поступающий в русло водотока, быстро выносится за пре-делы насыпи в ложбины стока или отлагается у основания насыпи. Стенки микрооврага в начале принимают уклон, близкий к углу наклона плоскости обрушения , град, а затем ук-лон, равный углу естественного откоса для размываемого почвогрунта , град.

        Величину угла наклона плоскости обрушения согласно [15], вычисляют по формуле (49)



        image image

        о

        где о – угол откоса в щелях, примерно равный 90 ;

        (49)

        – угол естественного откоса для размываемого почвогрунта.

        Величина зависит от гранулометрического состава почвогрунта.

        image

        Размыв дна щелей и микрооврагов прекращается при уменьшении уклона их дна до допустимого (по условию неразмываемости почвогрунта) уклона JДОП. Максимально возмож-ную длину эрозионных форм размывов насыпи lМ, м вычисляют по формуле (50)


        image

        (50)


        РП

        где Н

        – превышение вершины микрооврага над устьем, м;

        JДОП средневзвешенное значение допустимого уклона дна микрооврага.

        При обычно небольшом уклоне полотна площадных искусственных насыпей J

        чина превышения НРП, м, примерно равна высоте насыпи НР, м.

        П

        , вели-

        Реальная длина размыва эрозионной формы lp, м, меньше потенциально возможной величины lм, м

        image

        image

        (51)


        Н

        где lн – длина неразмываемого верхнего участка стока, м. При равномерном формировании стока величина l


        зависит от допустимого (по условию

        неразмываемости почвогрунта) расхода воды qДОП и длины линии стока L на размываемой насыпи

        image

        image (52)

        где L – длина линии стока, м;

        q

        с

        – расход воды в конце эрозионной формы размыва, м3/с.

        Максимально возможный объем эрозионных форм размыва насыпи приближенно оцени-

        вают с помощью геометрических формул. Максимальный объем потерь отсыпного грунта при размыве Wм, примерно равный объему усеченной пирамиды, вычисляют по формулам (53), (54)

        при треугольном сечении


        image

        image (53)

        при трапецевидном сечении

        image

        image (54)

        3

        где Wм – максимальный объем форм размыва, м ;

        Jc – уклон стенок форм размыва, тангенс угла наклона стенок;

        JОТ – уклон откоса насыпи, тангенс угла откоса;

        ки – коэффициент, учитывающий извилистость форм размыва;

        Нр – высота насыпи, м;

        В – верхняя ширина возможной формы размыва, м;

        В0 – нижняя ширина возможной формы размыва, м.

        Уклон стенок эрозионной формы размыва, Jc, равен тангенсу угла наклона плоскости обрушения стенок град. Величину угла , град, рассчитывают по формуле (49).

        Величину уклона откоса насыпи JОТ, принимают равной тангенсу угла естественного откоса, для данного почвогрунта , град.

        Значение коэффициента извилистости эрозионной формы размыва ки, равно отноше-нию реальной величины длины линии стока к осредненному ее значению.

        Величину верхней ширины эрозионной формы размыва В, м, рассчитывают по уравне-нию (55)

        В = 2Н

        / J +В . (55)

        р с о


        Нижняя ширина эрозионной формы размыва В0 значительно меньше ширины В и в процессе размыва приблизительно равна ширине стока. Величину ширины потока В0 , м, в размываемых руслах рассчитывают по формуле (13).

        При наличии значительного уклона поверхности полотна линейных отсыпных соору-жений Jп (например, отсыпных автодорог на участках крутых склонов) расчетную величину

        максимального объема эрозионной формы размыва Wм определяют по разности объемов двух

        усеченных пирамид



        W

        м

        = W

        – W

        м1 м2

        . (56)


        3 3

        Объемы усеченных пирамид Wм1, м , и Wм2, м , рассчитывают по уравнениям (49)-(55).

        м1

        Величину объема первой пирамиды W

        р

        рассчитывают при значениях Н , равным превыше-

        РП

        нию вершины эрозионной формы над ее устьем Н

        м2

        . Значения объема второй пирамиды W

        3

        рассчитывают по уравнению (54) при: уклоне JДОП равным уклону поверхности полотна Jп; высоте Нр равной разности между превышением НРП и высотой насыпи Нр; нижней ширине В0 равной В, м. Значения остальных аргументов уравнения (54) при расчете объема Wм2, м , те

        3

        же, что и при расчете объема Wм1, м .

        Максимальная длина эрозионной формы размыва линейных отсыпных сооружений l,

        п

        м с явно выраженным уклоном полотна J

        (например, насыпей автодорог) равна сумме длин

        участков поперечного и продольного размыва насыпей. Величина последней составляющей часто ограничивается длиной линии стока вдоль линейных отсыпных сооружений. Эти осо-бенности размыва учитывают коэффициентом извилистости кн.

      2. Расчеты динамических показателей размыва насыпей

        Основными количественными показателями динамики размыва являются величины интенсивности размыва отсыпного почвогрунта и выноса (смыва) его за пределы насыпи. Значения основных показателей зависят от конкретных сочетаний показателей противоэро-зионной стойкости почвогрунтов и эродирующей способности потоков воды.

        При размыве насыпей эти сочетания характеризуются значительной пространственно-временной изменчивостью и в одних случаях определяют интенсивность размыва почвогрунта, в других – интенсивность переноса транспорта продуктов размыва. Расчетную оценку основ-ных показателей динамики размыва проводят по уравнениям размыва почвогрунтов или транс-порта наносов [10, 14].

        При размыве откосов насыпи достаточно быстро в русле потоков образуются отдельные или каскад порожков. Ступенчатость русла резко повышает неравномерность движения (макро-турбулентность) потока, что способствует снижению устойчивости почвогрунтов к размыву и пре-дельному насыщению потока наносами до величины, соответствующей транспортирующей его способности. Размывающая и транспортирующая способности потоков в зависимости от состоя-ния их движения зависят от соотношения донной скорости потока и размывающей скорости для почвогрунта на отдельных ровных участках русла при спокойном движении, в сжатой части пото-ка при бурном движении и на гребне перепадов при критическом состоянии движения.

        Интенсивность выноса смыва размываемого отсыпного почвогрунта за пределы насы-пи в значительной мере зависит от характера сопряжения эрозионной формы с основанием насыпи. Виды сопряжений делятся на:

        а) сопряжения с отложениями смытого отсыпного почвогрунта: параметры потоков становятся характерными для порогов с широким основанием;

        б) сопряжения с неразмываемыми руслами ложбин стока: потоки принимают парамет-ры, характерные для неразмываемых русел водотоков;

        в) сопряжения с размываемыми руслами других эрозионных форм (мелкие и крупные про-моины и вершины оврагов): параметры потоков характерны для размываемых русел водотоков.

        В местах сопряжений, независимо от их вида, потоки во время активного размыва на-сыпей предельно насыщены наносами. Интенсивность транзита наносов в этих случаях опре-деляет транспортирующая способность потоков.

        1. Расчет интенсивности выноса (смыва) почвогрунта при размыве насыпей Приближенную величину интенсивности (смыва) почвогрунта при размыве насыпей рас-

          image

          считывают установленным на основе верификации [4] и апроксимации известных теоретических уравнений размыва [10] и транспорта наносов [14] по эмпирическим уравнениям (57), (58).

          (57)


          1

          G = G

          Д

          / V

          (V

          ДР

          )n , (58)


          где G – интенсивность смыва, тм-1с-1;

          G

          1

          – интенсивность смыва при донной скорости потока, равной донной размывающей ско-

          рости для отсыпного почвогрунта, тм-1с-1 ; x – длина размываемого участка, м;

          VД – донная скорость потока, м/с;

          V

          ДР

          – донная размывающая скорость, м/с;

          n – показатель степени, который при соотношении донных скоростей VД и VДР менее или равной единице равен 1,50 и при соотношении более единице равен 3,4в(57) и 4,33в (58).

          1

          Величину интенсивности смыва G рассчитывают по эмпирическим формулам (59а) и (59б)

          G1 = 0,85кVp или (59а)


          G

          1 = кVДР

          , (59б)

          где Vр – средняя размывающая скорость, м/с;

          к – эмпирический коэффициент, равный 9,5 · 10-6 и 15 ·10-6 соответственно для ненасы-щенных при размыве и насыщенных при транспорте наносами потоков.

          Интенсивность размыва и смыва почвогрунта при размыве насыпей в мерзлом состоя-нии зависит от интенсивности оттаивания контактного с потоком воды слоя почвогрунта. Определены следующие типы размыва и смыва мерзлого почвогрунта [1, 4]:

          а) эрозионный тип – при скорости оттаивания мерзлого почвогрунта, значительно пре-вышающей интенсивность размыва и смыва оттаявшего почвогрунта. Интенсивность выноса (смыва) почвогрунта рассчитывают по формулам (57)–(59) при значениях донной размываю-

          щей скорости VДР, м/с для оттаявших и восстановивших свою структуру почвогрунтов;

          б) термоэрозионный тип – при незначительном превышении скорости оттаивания мер-злого почвогрунта над интенсивностью размыва и смыва оттаивающего слоя почвогрунта.

          Интенсивность выноса (смыва) почвогрунта рассчитывают по формулам (57)–(59) при значе-ниях донной размывающей скорости VДР, м/с, для оттаивающих и не восстановивших свои

          структурные связи почвогрунтов;

          в) предельно-термоэрозионный тип – при условии равенства скорости оттаивания и интенсивности размыва, когда наблюдают мгновенный смыв оттаивающего слоя почвогрунта.

          Интенсивность смыва почвогрунта G в этом случае рассчитывают по уравнению (60)


          G = fТ · V · x, (60)

          где fТ – скорость оттаивания почвогрунта на контакте с потоком, м/с;

          3

          V– плотность почвогрунта, т/м ;

          х – длина размываемого участка, м.

          г) мерзло-эрозионный тип – при котором скорость оттаивания меньше интенсивности размыва и смыва мерзлого почвогрунта. Наблюдают мгновенный смыв оттаивающего слоя с последующим размывом и смывом непосредственно мерзлого почвогрунта. Интенсивность смыва почвогрунта рассчитывают по формуле (61)

          Т

          G = f

          • V

          МГ

          x+G

          . (61)


          Приближенные значения интенсивности размыва и смыва GМГ, т/м/с, рассчитывают

          ДР

          по формулам (57)–(59) при донной размывающей скорости V

          для мерзлых почвогрунтов.

          T

          Величину скорости оттаивания f

          согласно [4] рассчитывают по эмпирическому урав-

          нению для мерзлых почв и грунтов (62)


          f = К (t -t

          ) /

          (w-w

          ), (62)

          Т t В кр л V НЗ


          где Кt – тепловой показатель размываемости почв и грунтов, м/с;

          tВ – температура воды,

          оС;

          t

          кр

          – критическая температура воды, оС;

          3

          рV – плотность льда, т/м ;

          w – влажность почвогрунта, %;

          wНЗ – содержание незамерзшей воды, %.

          Уравнение (62) применяют при следующем диапазоне влажностей w, %


          w 0,6 · wНB, (63)


          НB

          где w

          – наименьшая влагоемкость почвогрунта, %.

          При влажности w менее 0,6 wНB размыв и смыв мерзлого почвогрунта не отличается от размыва и смыва немерзлого его аналога.

          Величину критической температуры воды tкр, при которой наблюдают наледи в русле потока, определяют по эмпирической формуле (64)

          tкр = 0,05-tП /50, (64)


          П

          где t

          – температура почвогрунта, оС.

          Значения теплового показателя размываемости мерзлых почвогрунтов Кt при коэффи-

          циенте пористости более 0,6 рассчитывают по эмпирическому уравнению (65)


          Кt = 7,6·10

          -4 (1,63  . (65)


          Приближенные значения содержания незамерзшей воды w

          грунтов определяют по эмпирической формуле (66)

          НЗ

          , %, для мерзлых почво-


          wНЗ = wНГП (0,61 + 2,10 Ip )· (tНЗГ /tП )

          0,2, (66)


          где w


          НГП

          • нижняя граница пластичности, равная влажности почвогрунта на границе пластич-

            ности (раскатывания), %;

            Iр – число пластичности, д. ед.;

            tНЗГ – температура начала замерзания почвогрунта,


            оС.

        2. Расчет скоростей линейного и объемного роста эрозионных форм и длительно-сти активного размыва насыпей

3

Скорость объемного роста Wt, м /сек эрозионной формы рассчитывают по формуле (67)

Wt = G·Bo /V , (67)

3

где G – интенсивность смыва почвогрунта, т/м/с; В0 – ширина потока, м;

V – плотность почвогрунта, т/м .

Общую длительность размыва и формирования эрозионной формы Т, с, максимально

М

возможного объема W

вычисляют по соотношению (68)

T = WМ /Wtcp, (68)

где W


tср

– средневзвешенное по времени размыва значение скорости объемного роста, м3/с.

Величины максимального объема WМ рассчитывают по формулам (52), (53). Более сложным является расчет величин средней скорости объемного роста W


tср


. Ско-

рость (интенсивность) объемного роста Wt непрерывно изменяется в процессе размыва насыпи.

Выделяют следующие периоды размыва насыпей:

  1. Начальный короткий период образования местных очагов размыва и ступенчатости размываемого русла. Интенсивность смыва почвогрунта G зависит от донной скорости потока на гребнях порожков VДП.

  2. Период быстрого регрессивного размыва порожков, временного исчезновения сту-

    пенчатости русла и изменения уклона J. Интенсивность смыва почвогрунта G изменяется от

    ДП

    начального ее значения при донной скорости потока V

    до максимальной конечной величи-

    ны, соответствующей донной скорости VД при уклоне J.

  3. Короткий период быстрого понижения интенсивности смыва почвогрунта G в ре-зультате непрерывного в начале резкого, а затем постепенного уменьшения уклона дна J, по-явления новых, но в меньшем количестве, местных очагов размыва и порожков. Донная ско-

    рость потока, определяющая интенсивность смыва почвогрунтов, изменятся от значения VД

    .

    ДП

    при уклоне J до величины, равной донной скорости на гребне порожков V

  4. Длительный период стабилизации интенсивности смыва почвогрунта, величина ко-

    ДП

    торой колеблется от значения G при донной скорости V

    мывающей скорости потока VДН .

    до ее величины при донной нераз-

  5. Бесконечно длительный период, в течение которого интенсивность выноса (смыва)

почвогрунта в среднем равна ее значению при донной скорости потока VД равной неразмыва-

ДН

ющей скорости V .

Границам каждого из периодов размыва соответствуют определенные величины продол-жительности , в % от Т; уклона дна J, донной скорости потока VД, донной размывающей скорости для почвогрунта VДР, которые необходимы для расчетного определения соответсвующих значе-

ний интенсивности смыва G, ширины потоков В0 и скорости объемного роста Wt (табл. 1).

Таблица 1 – Необходимые характеристики для расчета скорости объемного роста эрозионных форм размыва насыпей


image


Приближенные величины средневзвешенной интенсивности объемного роста W

считывают по способу трапеций


tср

рас-


tcp

W = 5·10-2

Wt1 (100+1) +Wt2 (3-1)+Wt3(100-3), (69)


t1

где W

– расчетная величина объемного роста в конце первого периода, м3/с;

3

Wt2 – расчетная величина объемного роста в конце второго периода, м /с;

3

Wt3 – расчетная величина объемного роста в конце третьего периода, м /с;

1 – время завершения первого периода размыва, % от общего времени, Т,с;

2 – время завершения второго периода размыва, % от общего времени, Т,с;

м

3 – время завершения третьего периода размыва, % от общего времени, Т,с; Т – общая длительность максимального размыва W , с.

По результатам физического моделирования размыва насыпей величины времени,

, соответственно равны: 0,45; 1,25; 5,5 %.

Общую длительность формирования эрозионной формы размыва насыпи Т, с, макси-мального объема рассчитывают по уравнению (70)

Т = WМ /(0,25·Wt1+0,02·Wt2+0,47·Wt3 ) . (70)

Приближенную величину времени Т рассчитывают по формуле (71)



W

tср

э

t1

= к ·W

, (71)

где кэ – эмпирический коэффициент, примерно равный 1;

Wt1 – скорость объемного роста при донной скорости потока VД, равной донной скорости

.

ДП

на порожках дна V

Скорость объемного роста Wt1 и определяющие ее интенсивность смыва почвогрунта

0

G

п

и ширина потока В

при донной скорости V

Д1

ДП

, равной донной скорости на перепадах V

согласно расчетным формулам (18 и 19), зависят от расхода стока qс, размера частиц (агрега-

ДР

тов) почвогрунта d, донной размывающей скорости V

и не зависят от непрерывно изменяю-

щихся в течение размыва и трудно определяемых величин уклона дна J. Величины расхода

поверхностного дождевого или талого поверхностного стока на отсыпных сооружениях qс оп-ределяют по установленным в гидрологии методам [2]. Значения размера водопрочных частиц

(агрегатов) почвогрунтов определяют экспериментально по методам физики почв и грунтов

[9]. Величины донных размывающих скоростей потока V

вают по уравнению (29).

ДР

, м/с, для почвогрунтов рассчиты-

Динамика во времени скоростей линейного и объемного роста эрозионных форм раз-мыва насыпей приближенно описывается эмпирическим уравнением (72)

Y = 100 · / (АД+), (72)

где Y – длина или объем эрозионной формы размыва, в % от конечных их величин lМ и WМ;

время размыва, в % от Т;

АД – эмпирический коэффициент, соответственно равный при расчетах длины и объема 0,5 и 10.

По уравнению (71) рассчитывают текущие значения длины l , м, и объема W , м3, эро-

 

зионных форм размыва отсыпных сооружений

при эмпирическом коэффициенте АД, равным 0,5

l

= Y·l

М, (73)

при эмпирическом коэффициенте АД, равным 10


W

= Y·W

М, (74)


где l

W

– длина эрозионной формы в момент времени , м;

– объем эрозионной формы в момент времени , м3.

В процессе размыва выделяются наиболее эрозионноопасные периоды активного ли-нейного и объемного роста [3], длительности которых соответственно равны

l

t = 0,25·T, (75)

tw = 0,70 · T, (76)

l

где t – длительность активного линейного роста, % от общего времени размыва Т;

tw – длительность активного объемного роста, % от общего времени размыва Т.

Приложение А

(справочное)


ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗМЫВА НАСЫПЕЙ


Для расчета количественных показателей опасности размыва насыпей необходимы сле-дующие исходные данные:

  1. Свойства отсыпного почвогрунта:

    1. Средневзвешенный диаметр d, м, водопрочных агрегатов, водонасыщенного грунта по методу Н.И. Савинова;

      ш

    2. Сцепление С , т/м2, водонасыщенного грунта по методу Н.А. Цытовича;

    3. Порозность агрегатов Р, д.е;

      V,

    4. Плотность почвогрунта, Т/ М3;

    5. Плотность твердой фазы грунта , т/м3; 2 Параметры поверхностного стока:

с

    1. Расход воды на откосе насыпи q , м3/с;

      3

    2. Характер распределения расхода воды qс, м /с, по длине линии стока L, м;

    3. Длина линии стока L, м. 3 Характеристики насыпи:

р

    1. Высота насыпи Н , м;

    2. Уклон полотна Jп, насыпи, тангенс угла;

    3. Уклон откоса J

      ОТ

      , насыпи, тангенс угла;

    4. Угол естественного откоса, , град.

    5. Угол наклона полотна 1, град.

  1. Другие характеристики, необходимые для расчетов количественных показателей ус-танавливают расчетным путем по соответствующим формулам изложенным в тексте:

    1. Донная размывающая скорость для почвогрунта VДР, м/с;

      ДН

    2. Донная неразмывающая скорость для почвогрунта V

      , м/с;

    3. Допустимый (по условию неразмываемости почвогрунта) уклон JДОП, тангенс угла;

    4. Допустимый (по условию неразмываемости почвогрунта) расход воды q

    5. Длина неразмываемого участка lН, м;

      о

    6. Нижняя ширина эрозионной формы В , м;

      ДОП

      , м3/с;

    7. Верхняя ширина эрозионной формы В, м;

    8. Донная скорость потока на гребне порожков VДП, м/с;

      п

    9. Средневзвешенное значение интенсивности выноса почвогрунта G , т/м/с;

      3

    10. Средневзвешенное значение скорости объемного роста эрозионной формы Wt, м /с.

Для наглядности и последовательности процедуры расчетного определения ниже из-ложены примеры расчетов.

Пример 1

Оценка противоэрозионной стойкости почвогрунта величинами донных неразмываю-щей и размывающей скоростей потока

Исходные данные

  1. Средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (частиц) водонасыщенного поч-вогрунта d=1·10-3 м;

    3

  2. Плотность почвогрунта v=1,5 т/м ;

  3. Плотность твердой фазы =2,65 т/м3; 4 Порозность агрегатов Р=0,30 д.е;

0

  1. Плотность воды =1,00 т/м3;

  2. Сцепление водонасыщенного грунта по методу Н.А. Цытовича С =0,1 т/м ;

    ш 2

  3. Коэффициент неоднородности сцепления кс=0,5;

  4. Среднее значение коэффициента, учитывающего уровень пульсаций скоростей в по-токах дождевого и талого стока nI=3,0;

    0

  5. Угол наклона полотна насыпи 1=2 ;

  6. Ускорение свободного падения g=9,81 м/с2;

  7. Полотно и откосы насыпи не задернованы, покрытие растительностью слабое или отсутствует.

Расчет

н

  1. Величину коэффициента lс и значение межагрегатного сцепления при динамической нагрузке Су рассчитывают по формулам (31), (30)


    image

    image image т/м2.

  2. Донную размывающую скорость потока VДР, для почвогрунта рассчитывают по формуле (29)


    image image image


    image

    ДН

  3. Донную неразмывающую скорость потока V

соотношению (42)

, м/с, для почвогрунта вычисляют по


V

= V

ДН ДР

/2=0,113/1,41=0,081 м/с.



Пример 2

Определение допустимых (по условию неразмываемости почвогрунта) значений укло-на дна и расхода воды.

Исходные данные

1 Средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (частиц) грунта d=1·10-3 м; 2 Донная неразмывающая скорость потока для грунта VДН=0,081 м/с;

с

  1. Расход воды в конце эрозионной формы, q =2 ·10-3 м3/с;

  2. Уклон полотна по линии стока Jп=0,03;

  3. Расход воды по длине линии стока нарастает равномерно. Поправочный коэффици-

ент к1=3,0.

Расчет

1* Коэффициент шероховатости дна nм при скорости потока VДН в первом приближе-нии вычисляют по соотношениям (9), (10)


nM=9·10 ·d

/VДН = 9·10

·(1·10 )

/0,081=0,034.

-3 0,17

-3 -3 0,17


  1. Средневзвешенное по длине эрозионной формы значение допустимого (по условию неразмываемости почвогрунта) уклона JДОП рассчитывают по уравнению (45)


    image


    доп

  2. Допустимый (по условию неразмываемости почвогрунта) расход воды q , м3/с, уста-навливают по формуле (48):


image image image


Пример 3

н

Определение максимально возможной длины эрозионной формы размыва lм, м, и дли-ну неразмываемого участка l , м.


image


м

    • Примечание. Более точные значения n

      устанавливаются методом последовательных приближений.

      Исходные данные:

      1 Высота насыпи Нр= 1,5 м; 2 Допустимый уклон дна J


      =0,0071;

      ДОП

      -6

      1. Допустимый расход воды qДОП=8,7·10

        м3/с;

        с

      2. Расход воды в конце эрозионной формы q =2·10-3 м3/с.

      Расчет

      н

      1. Максимальную возможную длину размыва насыпи l , м, определяют по соотноше-

        нию (49)


        м

        p

        l =H


        /J

        ДОП


        = 1,5/0,0071 = 211 м.


      2. Длину неразмываемого участка при равномерном нарастании расхода воды по длине стока находят по соотношению (52)

        lH = lM·qДОП /qс = 211·8,7·10

        -6/2·10 -3

        = 0,9 м.


      3. Реальную длину размыва lр, м, рассчитывают по формуле (51)


      M

      l

      P

      Н

      = l -l

      = 211-0,9 = 210 м.


      Пример 4

      м

      Определение максимально возможного объема эрозионной формы размыва насыпи W , м3. Исходные данные:

      р

      1 Коэффициент извилистости линии стока ки=1,0; 2 Высота насыпи Н =1,5 м;

      1. Допустимый (по условию неразмываемости грунта) уклон дна JДОП=0,0071;

        м

      2. Максимально возможная длина эрозионной формы l

      3. Длина неразмываемого участка lн=0,9 м;

        =211 м;

        ОТ

      4. Уклон откоса J

        =0,26;

      5. Уклон стенок эрозионной формы Jc=0,47. Расчет

      1. Нижнюю ширину эрозионной формы, равную ширине потока Во, находят по эмпи-рическому уравнению (13)


        0,5

        Во = 6,32·q c = 6,32·(2·10

        -3)0,5

        = 0,28 м.


      2. Наибольшую верхнюю ширину эрозионной формы В рассчитывают по формуле (55)


        В = 2НР /JС + Во = 2·1,5 /0,47 +0,26=6,64 м.

        м

      3. Максимально возможный объем эрозионной формы W

      находят по уравнению (54)


      image image


      image


      Пример 5

      image

      image

      3

      Приближенная оценка средневзвешенных по времени размыва значений интенсивно-сти выноса почвогрунта G, т/м/с, скорости объемного роста Wt, м /с и общей длительности

      размыва Т, с, эрозионной формы со ступенчатым руслом.* Исходные данные

      ДР

      1. Донная размывающая скорость потока для почвогрунта V


        =0,113 м/с;

      2. Средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (частиц) почвогрунта d=1·10-3 м;

      3. Максимальный объем эрозионной формы Wм=346 м

        3;


        с

      4. Расход воды в конце эрозионной формы q =2·10-3 м3/с;

        3

      5. Плотность почвогрунта v=1,5 т/м . Расчет

      1. Донную скорость потока на гребне порожков вычисляют по формуле (19)


        c

        V

        ДП

        = 1,33 · q0,1 · d0,17 = 1,33 · (2·10 -3)0,1 (1·10 -3)0,17 = 0,22 м/c.


        image

      2. Приближенную величину интенсивности выноса грунта G, т/м/с, при размыве насы-

        пи находят по формуле (58) при донной скорости VД,м/с, равной VДП, м/с, и показателе степени n

        равным 4,33, т.к. величина VДП, м/с, больше значения VДР, м/с

        image т/м/с.

      3. Ширину потока на гребне порожка вычисляют по формуле (13)


        image image


      4. Средневзвешенную по времени размыва величину скорости (интенсивности) объем-ного роста эрозионной формы W, м3/c, определяют по соотношению (67)


        image image image


        image

    • Примечание. Рассмотрен наиболее распространенный процесс размыва насыпей в виде регрессивно движущихся порожков

  1. Общую длительность полной реализации эрозионного потенциала Т, с, определяют по соотношению (68)


image image image

Пример 6

Оценка временной изменчивости эрозионной опасности размыва насыпей. Исходные данные

м

1 Максимально возможный объем эрозионной формы W =346 м3; 2 Максимально возможная длина эрозионной формы lм=211 м;

  1. Общая длительность размыва Т=3,8·107 с;

  2. Заданное время размыва =50 % от общей длительности, Т. Расчет

Д

  1. Динамику линейного роста эрозионной формы оценивают по эмпирическому урав-нению (71) при коэффициенте А =0,5


    image

    Длину эрозионной формы l, м, в заданный момент времени , %, от Т, рассчитывают

    по соотношению (72)


    l = 0,99 ·l


    = 0,99 · 211 = 209 м.

    М

    Д

  2. Динамику объемного роста эрозионной формы оценивают по эмпирическому урав-нению (72) при коэффициенте А =10

W

/WМ

= /(10+) = 50/(10+50) = 0,83.


Объем эрозионной формы W , м3, в заданный момент времени , % от Т, рассчитывают

по соотношению (74)


W

= · WМ


= 0,83·346 = 287 м3.

Таким образом, эрозионную опасность размыва насыпей определяют максимальными

величинами длины (lМ) и объема (WМ) эрозионной формы и конкретными их значениями (l) и (W) в данный момент времени (). Если величины lМ и WМ характеризуют максимальную опасность линейного и объемного роста эрозионной формы, то относительные величины

l

М

/ l и W

М

/ W определяют степень проявления размыва насыпей в динамике.

Приложение Б

(справочное)


Некоторые результаты практической реализации методики


r

Результаты исследований свойств почвогрунтов ряда отсыпных сооружений на п-ве Ямал показали, что по гранулометрическому составу они в основном относятся к пескам, су-песям и реже к легким крупнопылеватым суглинкам. Содержание частиц менее 0,01 мм в ди-аметре (физической глины с , %) изменяется от 10 до 24 %. Влажность при нижней границе пластичности wНГП, %, от веса сухого почвогрунта, примерно равная величине максимальной

молекулярной влагоемкости почвогрунтов по А.Ф. Лебедеву [3], для легких по гранулометри-

ческому составу почвогрунтов составляет 6-12 %. Угол естественного откоса , изменяется в зависимости от влажности и степени уплотнения. При полном водонасыщении величина угла естественного откоса изменяется от 19о для рыхлого до 32о для уплотненного почвогрунта. Плотность сложения отсыпного грунта изменяется в широких пределах: от 1,3 до 1,4 т/м3 на откосах и до 1,8 т/м3 на рабочей части полотна насыпи.

Противоэрозионные свойства почвогрунтов (плотность твердой фазы, , и порозность

агрегатов, Р), обусловливающие противоэрозионную их стойкость, изменяются в меньшей степени соответственно от 2,63 до 2,67 т/м3 и от 0,27 до 0,33 д.е. Исследования сцепления водонасыщенных грунтов показали, что песчаные и супесчаные грунты, слагающие насыпи, практически не обладают сцеплением. Даже достаточно уплотненные грунты имеют сцепле-ние не более 0,2 т/м2.

Корни растений и другие растительные остатки в почвогрунтах на эксплуатируемых участках отсыпных сооружений практически отсутствуют. В результате техногенных воздей-ствий и работ по планировке и доуплотнению откосов и полотна насыпей уничтожаются на них растения. На не эксплуатируемых участках насыпей при отсутствии техногенных воздей-ствий и эрозии в удовлетворительных тепловых и водных условиях наблюдают интенсивное самозарастание растительностью полотна и откосов дорог и насыпей поселков.

Сопротивляемость большинства насыпей размыву зависит в основном от размера во-допрочных агрегатов грунта d, м. Величина d равна: для сухих почвогрунтов от 0,15-0,20 мм; для увлажненных – 0,7-2,0 мм. Наибольшие значения размера агрегатов характерны для силь-ноуплотненных грунтов. Наиболее частые значения d для влажных песчаных и супесчаных грунтов находятся в пределах от 0,7 до 1,3 мм.

Наиболее часто встречающиеся значения противоэрозионных свойств отсыпных поч-вогрунтов представлены в таблице 2.


Таблица 2 – Противоэрозионные свойства отсыпных почвогрунтов, обусловливаю-щие противоэрозионную стойкость насыпей


image


Далее по формуле (29) и соотношению (42) рассчитывают значения донных допусти-

мых (неразмывающих) VДН, м/с, и размывающих VДР, м/с, скоростей потока для отсыпных грунтов.

После определения для известных величин размера агрегатов d донной неразмываю-

ДН

щей скорости V

c

и заданных значений расходов стока q

по формулам (45), (48) находят вели-

чины допускаемых (по условию неразмываемости грунта) уклонов дна JДОП и расходов воды


q

доп

и затем по формулам (50) и (54) рассчитывают максимально возможные значения длины

lМ и объема VМ эрозионной формы размыва насыпей с разной высотой Нр (табл. 3).


Таблица 3 – Потенциально возможные величины объемов (в числителе, м3) и длины (в знаменателе, м) эрозионных форм размыва насыпей отдельными ручейковыми потоками


image


Длительность реализации этих размывов Т различна и зависит от многих факторов: запасов воды в снеге и объемов выпадающих дождевых осадков, а также интенсивности их стока на водосборных площадях отдельных водотоков. Строго количественная оценка ука-занных характеристик стока возможна лишь при экспериментальном их определении в конк-ретных условиях.

Приближенные значения общей длительности размыва Т устанавливают по средневзве-шенной по времени величине интенсивности выноса грунта за пределы насыпи. Вынос поч-вогрунта за пределы насыпи определяется, в основном, транспортирующей способностью потоков, которая со временем постепенно уменьшается, и смыв грунта практически прекра-

Д

щается при уменьшении величин уклона дна J, и донной скорости потока V

их значений соответственно JДОП и VДН.

до допустимых

image

Приближенная величина средней интенсивности смыва почвогрунта в этот основной и наиболее длительный период размыва примерно равна интенсивности смыва G, т/м/с, ве-

Д

личину которой рассчитывают по формуле (56) при донной скорости потока V

равной дон-

ной скорости на порожках дна VДП. После расчетных определений интенсивности смыва грунта

о

G, и ширины потока В

t

по уравнению (66) рассчитывают скорость объемного роста w

и для

известных значений максимального объема размыва WМ (табл. 3) по формуле (67) величину общей длительности Т, сут., размыва насыпей (табл. 4).


Таблица 4 – Длительность (сут.) потенциально возможных размывов насыпей отдельными ручейковыми потоками

image

Результаты, предоставленные в таблицах 3, 4, получены для условия постоянного по длине линии стока L расхода воды q . Для условий равномерного увеличения расхода воды q

с с

по длине линии стока L полученные значения максимальных длин lМ и объемов WМ эрозион-ных форм размыва и длительности их формирования Т уменьшают примерно в 3 раза.

Изложенные в данном приложении результаты используют при экспертной оценке количественных показателей опасности размыва насыпей и других негативных его послед-ствий.

Библиография


  1. Григорьев В.Я. Методика оценки ручейковой эрозии нарушенных тундровых почв п-ва Ямал // Почвоведение. – 2000. –№ 7. – С. 867-875.

  2. Гидравлика / Чугаев Р.Р. М. – Л.: Госэнергоиздат, 1963. – с. 528.

  3. Баранов А.В.,Григорьев В.Я. Модель размыва отсыпных сооружений при дождевом и талом стоке // Криосфера земли. № 2, 2003. – С. 67-76.

  4. Григорьев В.Я., Баранов А.В., Бобков А.В. Оценка ручейковой эрозии нарушенных тундровых почв при талом стоке // Эрозионные процессы центрального Ямала / Под ред. А.Ю. Сидорчука и А.В. Баранова. С. – Пб., 1999. – С. 274-287.

  5. Овражная эрозия / Под ред. Р.С. Чалова. – М.: Изд-во МГУ 1989. – С. 168.

  6. Механика грунтов / Цытович Н.А. М. – Л., Изд-во литературы по строительству и архитектуре. – 1951. – С. 528 .

  7. Григорьев В.Я., Бобков А.В. Методика расчетной оценки противоэрозионной стой-кости тундровых почв п-ва Ямал и ее обоснование // Почвоведение, № 4. – 1995. С. 3-12. – (Вестн. МГУ, сер. 17).

  8. Кузнецов М.С. Противоэрозионная стойкость почв. – М.: Из-во МГУ, 1981. –

    С. 135.


  9. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв

    и почвогрунтов. – М.: Высшая школа, 1973. – С. 399.

  10. Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости. – М.: Колос, 1967. – С. 172.

  11. Роман Л.Т. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений. Новосибирск, Наука, 1987. – С. 222.

  12. Новый (гидроструйный) метод установления сил сцепления почвогрунтов / Мирц-хулава Ц.Е. // Почвоведение – № 8-1980. – С. 138-141.

  13. Оценка экологической опасности размыва отсыпных сооружений в криолитозоне / Баранов А.В., Григорьев В.Я., Зорина Е.Ф., Никольская И.И. // Материалы Международной конференции экспериментальные криосферные явления: Фундаментальные и прикладные аспекты. Пущино. – 2002. – С. 43-44.

  14. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. – Л. Гидрометеоиздат. – 1962. – С. 372.

  15. Орнатский Н.В. Механика грунтов. – М.: Из-во МГУ. – 1962. – С. 447 .


image


image


СТО Газпром РД 1.13-153-2005

ОКС 13.020.10

Ключевые слова: окружающая среда, противоэрозионная стойкость почвогрунтов, размывающая скорость потока, эрозионная форма, насыпь


image


Корректор А.В. Казакова

Компьютерная верстка А.И. Шалобановой


image

ИД № 01886. Подписано в печать 06.06.2005 г. Формат 60x84/8. Гарнитура Ньютон С. Тираж 100 экз. Усл. печ. 4,18 л. Уч.-изд. л. 3,6. Заказ 70.


image

ООО “ИРЦ Газпром” 117630, Москва, ул. Обручева, д. 27, корп. 2. Тел.: (095)719-64-75, 719-31-17.


image


32

Отпечатано в ЗАО “Издательский Дом Полиграфия”


image