Quantitative characteristics of surface runoff from railway tracks

Full Text

Баланс поверхностного стока участка железной дороги. При поступлении поверхностного стока в водные объекты следует учитывать все составляющие его расхода, которые могут влиять качественно и количественно на изменение природных вод. При отсутствии дождевой сети поверхностные сточные воды отводятся по рельефу местности в нижерасположенные места: овраги, реки, озера. Изначально отведение поверхностных сточных вод предусматривалось только с твердых покрытий: автодорог, крыш домов и пр. В настоящее время железнодорожное полотно и железнодорожные станции не рассматриваются как объекты загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Так, на железнодорожных путях, станциях и перегонах, в частности на железнодорожных станциях Самары, не предусмотрены мероприятия по сбору, отведению и очистке поверхностных сточных вод, и они стекают с балластной призмы, прилегающих территорий и непосредственно с железнодорожных путей.

Если в качестве объекта рассматривать железнодорожный путь, станции и мостовые переходы, следует уточнить следующее выражение баланса поверхностного стока для участка железной дороги:

 X=Y+U+Z, (1)

где X – атмосферные осадки (жидкие, твердые); Y − поверхностный сток; U – подземные воды (для достаточно больших площадей можно считать, что U=0); Z – суммарное испарение (основное испарение на территории РФ происходит с поверхности воды водных объектов). В нашем случае рассматривается скопление поверхностной воды на балластной призме, соответственно Z→0, следовательно, Z=0 и соответственно

 X=Yс+Yф, (2)

где Yс(Qд,Qт) – поверхностный сток (дождевой, талый), направляется на сброс по одной траектории; Yф(Qф) – фильтрациионный сток, соответственно уравнение принимает вид:

 Q= Qд+Qт+Qф. (3)

В работе [1] проводится анализ и рассматривается характер фильтрации поверхностного стока в балластной призме железнодорожного пути, а также рассмотрены варианты миграции воды в верхнем и нижнем строении балластной призмы (рис. 1).

Рис. 1. Варианты направления движения поверхностных сточных вод в верхнем и нижнем строении балластной призмы

Поверхностные сточные воды стекают с поверхности балластной призмы или просачиваются через нее. Затем атмосферные осадки двигаются в боковом направлении в месте соединения верхнего и нижнего строения пути (между щебнем и песком), а также в теле нижнего строения железнодорожного пути (между песком и грунтом). Следовательно, необходимо осуществлять отвод сточных вод и их очистку с целью предотвращения загрязнения поверхностных и подземных вод, обеспечения экологической безопасности, а также надежности железнодорожной балластной призмы [1].

Определение расхода поверхностного стока с железнодорожного пути. Учитывая, что только 10 % крупных железнодорожных станций и мостовых переходов располагается в селитебной зоне, использование формул для расчета расходов поверхностных вод [2, 3] нецелесообразно, так как Куйбышевская железная дорога проходит по лесостепной и полустепной зоне. При этом следует рассматривать реальное неустановившееся движение поверхностных дождевых вод в упрощенном виде [4]. Получаем формулу расхода дождевого стока:

$Q_{Д}=\mathrm{0,375}\frac{1}{n_0}\cdot i_{п}^{1.66}{i}_0^{0.5}F$, л/с, (4)

где n₀ – коэффициент шероховатости, принимается n₀ =0,003 [2] ; i_n – продольный профиль уклона поверхности; i₀ – поперечный профиль уклона поверхности; F – площадь стока, га.

Максимальный расход талых вод можно определить по редукционной формуле Д.Л. Соколовского:

$Q_{Т}=\frac{k_0{h}_p}{{(F+1)}^n}\cdot {\delta }_1{\delta }_{2}F$ , л/с , (5)

где k_{0 ,} h_p, n, _, δ₂=1, F – коэффициенты (СП 33-101-2003), получаем формулу

 $Q_{Т}=\frac{k_0{h}_p}{{(F+1)}^n}\cdot F\frac{1}{{А}_{л}+1}$ , л/с. (6)

Определение расхода фильтрационного стока
железнодорожного пути. Основными уравнениями, описывающими фильтрацию жидкостей в пористой среде, являются [1, 2, 4-6]:

уравнение непрерывности

$\frac{\partial (\rho ·m)}{\partial t}+div(\rho ·u ⃗ )=0$; (7)

закон Дарси

$0=-grad\left(p\right)+\rho ·\overrightarrow{g}-\frac{\mu }{k}·\overrightarrow{u}$, (8)

где ρ – плотность жидкости; m – пористость среды (т. е. относительная доля объема открытых пор в данном материале); $\overrightarrow{u}$ – скорость фильтрации жидкости;t – время фильтрации жидкости; p – давление жидкости; $\overrightarrow{g}$ – ускорение свободного падения; μ – динамическая вязкость жидкости; k – проницаемость (или коэффициент проницаемости) пористой среды [1].

Простейшим решением системы уравнений в однородной пористой среде является следующее [2, 6, 7]:

 $\left\{\begin{array}{l}p=0\\ \overrightarrow{u}=\frac{k·p·\overrightarrow{g}}{\mu }=C·\frac{\overrightarrow{g}}{g}=const\end{array}\right.$, (9)

описывающее равномерное гравитационное стекание жидкости в пористой среде.

Расстояние (радиус), по которому движется жидкость, зависит от среды протекания и грунтов, соответственно от пористости грунта. Можно сделать вывод об уменьшении радиуса частиц грунта (щебень → песок → грунт), соответственно [2, 6, 7] площадь поперечного сечения трубок тока жидкости в различных средах проходит следующие слои: щебень → песок → грунт (рис. 2).

Рис. 2. Движение поверхностной воды в теле верхнего и нижнего строения пути

Следовательно, на границе верхнего и нижнего строения пути (щебень – песок), а также в теле нижнего строения железнодорожного пути (песок – грунт) происходит боковой выброс поверхностной воды вследствие расширения порового пространства, что ведет к образованию скопления атмосферных осадков (луж) вдоль железнодорожных путей [2, 6, 7].

Допустим, R_макс = 11,7 м / 4(стороны) = 2,925 м [8]).

Тогда $Q_{\max }=\pi \cdot C\cdot {R_{\max }}^{2_{}}$. (10)

С учетом изменения вязкости сточной жидкости в связи с загрязнением нефтепродуктами и железом, а также при пересчете на площадь объекта формула будет иметь вид:

$Q_{ф}=C\frac{1}{k}F$, л/с , (11)

где С – скорость фильтрации; k – коэффициент, зависящий от концентрации загрязнений поверхностных сточных вод; F – площадь стока, га.

В табл. 1 представлены расчеты фильтрации поверхностной воды [2, 6, 7]. Для исследований были приняты типовые пористые среды, характерные для Самарской области и в частности для Куйбышевской железной дороги (грунт – суглинок, песок – речной, щебень – гранитный 40×70 мм).

Таблица 1. Исследование фильтрации поверхностной воды на железнодорожном пути при L=2,925 м (1/4 поперечного разреза железнодорожного пути при двухпутном пути L=11,7 м)

Из табл. 1 видно, что чем более загрязнены железнодорожные пути, тем меньшее количество жидкости просачивается через балластную призму в связи с образованием непроницаемого слоя из-за нефтепродуктов, и тем меньше боковой выброс.

Следует свести уравнения (4), 6), (11) в одно, которое имеет вид:

Q= Qд+Qт+Qф,

тогда

 $Q_{}=\left(\mathrm{0,375}\frac{1}{n_0}{i}_n^{1.66}{i}_0^{0.5}F\right)+\left(\frac{k_0{h}_p}{{\left(F+1\right)}^n}\frac{1}{A_{л}+1}F\right)+\left(C\frac{1}{k}F\right)$. (12)

Для обеспечения экологической безопасности, предотвращения загрязнения поверхностных и подземных вод, а также повышения надежности железнодорожных путей следует предусматривать водоотводящие лотки для сбора и отведения поверхностного стока с устройством накопительной емкости с последующей очисткой загрязненной сточной воды, предусмотрев при необходимости локальные очистные сооружения [8].

Все эксперименты проводились в три этапа: 1 – на экспериментальном участке железнодорожного пути; 2 – на железнодорожных путях полигона Самарского государственного университета путей сообщения (СамГУПС); 3 – на путях 5-го класса (скорость менее 40 км/ч, грузонапряженность менее 5 млн. т/км в год) [1].

1 этап – на экспериментальном участке железнодорожного пути. Были проведены исследования на чистом экспериментальном участке балластной призмы железнодорожного пути для исключения мешающих условий и случайных загрязнений [1]. Было осуществлено новое строительство экспериментального участка железнодорожного пути с полотном длиной 3,5, шириной 5,5 м согласно нормативным документам и стандартам [9−14]. Для установки были использованы стандартные железнодорожные рельсы марки Р45 [12, 14, 15]. Межшпальное пространство составляло 543 мм согласно [13, 14] (рис. 3, 4).

Рис. 3. Участок экспериментального железнодорожного пути

Рис. 4. Технологическая схема отвода поверхностного стока с участка железнодорожного пути

Методика проведения эксперимента: подача воды на экспериментальную установку через дождеватель с расходом и интенсивностью согласно нормативным документам по Самарской области [16, 17]. Затем потоки разделялись согласно теории, представленной в [2]. Часть поверхностной жидкости, попадая на поверхность экспериментального участка, сразу стекала в водосборные лотки, расположенные на разном уровне; следующая часть жидкости, проникая в толщу балластного слоя железнодорожного пути, аккумулировалась в межпоровом пространстве щебеночного слоя, затем выбрасывалась в боковом направлении на разделе сред: щебня и песка, песка и грунта, а также стекая в водосбросные лотки; еще одна часть жидкости через дренажные перфорированные трубы (расположены под шпалами и в межшпальных ящиках) и специальные водосборные емкости направлялась в водосборные лотки. Система дренирования полупроизводственной экспериментальной установки представлена разным положением перфорированных дренажных труб. Одни уложены только в теле балластной призмы, другие расположены пересекая разделы среднего и верхнего строения железнодорожного пути – балластную призму и песок.

2 этап – полупроизводственный эксперимент, на железнодорожных путях полигона СамГУПС. На полигоне Самарского государственного университета путей сообщения нам была предоставлена площадка, состоящая из нескольких железнодорожных путей, где были проведены исследования по определению объемов поверхностного и талого стока. Был выбран участок – два пути, ширина каждого составляла 5,75 м, длина – 6,00 м (рис. 5). Участок железнодорожного пути выполнен согласно СП 261.1325800.2016, балласт устроен из щебня соответствующих фракций в соответствии с [18, 19].

Рис. 5. Экспериментальная установка железнодорожного пути: 1 – исследуемый железнодорожный путь; 2 – технологическая схема отвода поверхностного стока с участка железнодорожного пути; 3 – информационная надпись

Поверхностный сток собирается с междурельсового пространства и балластной призмы, затем направляется в водоотводной лоток длиной 6 м с последующим сбором и накоплением сточной воды в емкости 0,8 м³. Интенсивность дождя принималась идентичной, согласно представленным данным Метеоагентства по Самарской области.

3 этап – производственный эксперимент, на действующих путях. Были выбраны пути 5-го класса, при разрешенной скорости менее 40 км/ч и при грузонапряженности менее 5 млн. т/км в год (рис. 6). На них установлены водоотводящие лотки длиной 10 м с уклоном 0,001−0,002.

Рис. 6. Расположение лотков на железнодорожном пути: а, б – Самара; в, г – Самарская обл.; д – промплощадка г. Самара

Исследования по определению расхода дождевого стока с железнодорожного пути (Qд). Исследования проводились по всем этапам (табл. 2).

Таблица 2. Определение расхода дождевого стока

Учитывая структуру формулы, можно изменить существующий коэффициент 0,375, откорректировав его путем введения поправочного коэффициента, полученного эмпирически. Соответственно формула будет иметь вид:

$Q_{Д}=\mathrm{0,26625}\frac{1}{n_0}\cdot i_{п}^{1.66}{i}_0^{0.5}F$ л/с.

 А формула, согласно [17], будет иметь вид: $Q_{Д}=\mathrm{5,6}\cdot {10}^{-3}{h}_{см}\frac{{\psi }_{mid}}{T_{Д}+t_r}F$, л/с.

Исследования по определению расхода талого стока с железнодорожного пути (Qт). Исследования проводились по трем этапам на полигоне СамГУПС (табл. 3).

Таблица 3.  Определение расхода талого стока

Графическое изображение представлено эмпирическими зависимостями (рис. 7) [2, 6, 7].

Рис. 7. График зависимости таяния снега (максимальное снеготаяние наблюдается в 15:00)

Результаты исследований (до 14.30), показанные на рис. 7, сопоставимы с зависимостями, представленными в трудах [20−22]. Затем (с 14.30 до 20.00) выявлена более ярко выраженная гиперболическая зависимость снеготаяния. Гидрограф снеготаяния имеет степенную функцию (нагрев металла происходит более интенсивно).

Исследования по определению расхода фильтрационного стока с железнодорожного пути (Qф). Для фильтрационного стока были проведены исследования на участке экспериментального железнодорожного пути [1]. Подача воды на установку варьировалась согласно характерной интенсивности дождя по Самарской области для определения зависимости коэффициента фильтрационного стока от интенсивности дождя.

Данные исследования подтверждают выводы о характере фильтрации и выброса жидкости на границе сред [1]. Построен график зависимости коэффициента поверхностного стока от интенсивности дождя [1] (рис. 8).

Рис. 8. Изменения коэффициента стока от интенсивности дождя на экспериментальный участок железнодорожного пути

Экспоненты, описывающие расположение точек уравнениями, имеют степенные функции (см. рис. 7, 8), это означает предварительное накопление жидкости в поровом пространстве балластной призмы и последующий ее выброс на разделе сред [1]. Расчеты сведены в табл. 4.

Таблица 4. Варианты поведения жидкости при ее просачивании при L=2,925 м [1] (1/4 поперечного разреза железнодорожного пути при двухпутном пути L=11,7 м)

Из табл. 4 можно сделать следующий вывод: чем более загрязнены железнодорожные пути, тем меньшее количество жидкости просачивается через балластную призму в связи сообразованием непроницаемого слоя из-за нефтепродуктов. Соответственно боковой выброс меньше [1]. Расчеты по площади железнодорожного объекта сведены в табл. 5.

Таблица 5. Определение расхода фильтрационного стока

Следует свести все расчеты расходов в одну табл. 6 согласно формуле

$Q_{}=\left(\mathrm{0,26625}\frac{1}{n_0}{i}_n^{1.66}{i}_0^{0.5}F\right)+\left(\frac{k_0{h}_p}{{\left(F+1\right)}^n}\frac{1}{A_{л}+1}F\right)+\left(C\frac{1}{k}F\right)$, л/с.

Таблица 6. Определение общего расхода стока, л/с

Выводы

1. Уточнена формула расхода поверхностного стока с железнодорожного полотна: общий вид Q=Qд+Qт+Qф, математическое выражение $Q_{}=\left(\mathrm{0,26625}\frac{1}{n_0}{i}_n^{1.66}{i}_0^{0.5}F\right)+\left(\frac{k_0{h}_p}{{\left(F+1\right)}^n}\frac{1}{A_{л}+1}F\right)+\left(C\frac{1}{k}F\right)$. Определены расходы общего поверхностного стока по площадям объектов железнодорожного транспорта.
2. Установлено, что поверхностная вода просачивается через верхнее и нижнее строение пути (грунт – суглинок, песок – речной, щебень – гранитный 40×70 мм) по размерам железнодорожного пути. Возникает два боковых выброса воды (щебень – песок, песок – грунт), определен корректировочный фактор
   К_сред = 1,23 − 2,82, учитывающий влияние нефтепродуктов и железа общего на просачивание поверхностных вод через балластную призму.

 Q_гр= 0,016 − 3,8 %;

Q_пес= 3,8 − 72,67 %;

Q_щеб= 72,67 − 86,93(100) %.

3. Установлено заключение о хорошей точности «приближения стопроцентной сходимости» не только в тех случаях, когда сходимость действительно близка к 100 %, но и при сходимости от 40 до 100 %.
4. Установлена зависимость коэффициента поверхностного стока от интенсивности дождя в течение времени y = 9260,x³ − 515,6x² + 9,201x − 0,034.
5. На новых условно «чистых» железнодорожных путях наблюдались пиковые значения коэффициента поверхностного стока 0,0174 – 0,00179 при средней интенсивности дождя 0,016 – 0,022 мм/мин, что подтверждает практические значения и доводы. Предложенная методика определения расходов поверхностного стока с железнодорожных путей позволяет использовать адаптированную методику, предложенную не для селитебных зон, что актуально для 90 % железнодорожного полотна, расположенного в Российской Федерации, в частности для Куйбышевской железной дороги, расположенной в лесостепной и полустепной зонах.

About the authors

Svetlana Y. Teplykh

Author for correspondence.
Email: kafvv@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Water Supply and Wastewater Chair, Academy of Civil Engineering and Architecture

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Options for the direction of movement of surface wastewater in the upper and lower structures of the ballast prism

Download (87KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The movement of surface water in the body of the upper and lower structure of the path

Download (117KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Section of the experimental railway track

Download (250KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Technological scheme for the removal of surface runoff from the section of the railway track

Download (102KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Experimental installation of the railway track: 1 - the investigated railway track; 2 - technological scheme for the removal of surface runoff from the section of the railway track; 3 - information inscription

Download (244KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Location of trays on the railway track: a, b - Samara; c, d – Samara region; e - industrial site in Samara

Download (1MB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Graph of dependence of snow melting (maximum snow melting is observed at 15:00)

Download (118KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Changes in the runoff coefficient from rain intensity to the experimental section of the railway track

Download (81KB)

Indexing metadata