2939

2.3. Мгновенная связка уровней воды

Целью мгновенной связки уровней воды является определение продольного и поперечного уклонов речного потока. Известно, что пьезометрический уклон (уклон свободной поверхности) речного потока равен гидравлическому уклону, так как скоростным напором равнинных рек можно пренебречь. Уклон свободной поверхности определяется по формуле

где Z1 – отметка свободной поверхности потока в начале участка, м; Z2 – отметка свободной поверхности потока в конце участка, м; l – длина участка, м.

Этот уклон используется для определения расхода воды по формуле Шези. При мгновенной связке уровней воды работа выполняется в следующей последовательности:

–наносят на план участка урезы свободной поверхности по-

тока;

–выбирают точки наиболее резкого перелома уреза на ведущем берегу, в них чаще всего и происходит перелом свободной поверхности;

–изыскатели разъезжаются по выбранным точкам, сверяются

часы;

–в назначенное время в выбранных точках забиваются колышки так, чтобы их вершина совпадала с уровнем воды;

–при волнении на реке рядом с урезом копают ямку и в эту ямку забивают колышек на уровень воды в ней;

–затем выполняется нивелировка этих колышков в прямом и обратном направлениях.

При этом нивелирный ход становится замкнутым, а невязка

хода равна алгебраической сумме всех превышений: f = ∆h = ±Σhi. Предельная невязка зависит от класса нивелирования. Так,

при уклонах свободной поверхности до 0,00010 выполняется нивелировка 3-го класса с предельной невязкой fпред 10L , мм, при больших уклонах – нивелировка 4-го класса с предельной не-

11

нивание нивелирного хода, как показано в п. 1.5, и вычисляются отметки свободной поверхности воды. Положение колышков на плане определяется теодолитной съемкой. С плана снимаются расстояния между колышками, разность их отметок, и вычисляются уклоны свободной поверхности по участкам нивелирного хода. По этим данным строится график уклонов свободной поверхности (рис. 2).

Z, м

Рис. 2. График уклона свободной поверхности

В заключение вычисляется средний уклон свободной поверхности на всем участке реки по указанной выше в этом разделе формуле.

2.4.Промеры глубин

2.4.1.Приборы для измерения глубин

Кчислу наиболее важных гидрологических характеристик потока относится глубина. Это расстояние по вертикали от свободной поверхности потока до дна. Изменение глубин во времени зависит от изменчивости стока и характеризует направление и интенсивность руслового процесса.

12

Глубина служит для построения планов водоемов в изобатах и горизонталях, применяемых при проектировании различных мероприятий на реках, озерах, водохранилищах и др.

Для измерения (промеров) глубин применяют наметки, лоты, эхолоты. Наметка представляет собой деревянный круглый шест (лучше из бамбука) диаметром около 5 см и длиной 5 7 м. На конец наметки набивается металлический башмак, предохраняющий наметку от деформаций при ударе о дно. На наметке нанесены дециметровые деления. Точность измерений глубин наметкой составляет 2 см – статических, 5–8 см – при движении промерного судна. В настоящее время наметку применяют при глубинах до 5 м и небольшом объеме промерных работ, но всегда при юстировке эхолотов.

При глубинах от 5 до 40 м для промеров можно применять лоты. Лот – это трос с марками через 10 см и грузом на конце, снабженный счетчиком марок и указателем глубины. Лоты и сегодня находят применение для измерений глубин в лиманах, мелководных бухтах и заливах морей. Точность измерений лотом определяется глубиной и прогибом троса на ходу промерного судна и составляет 10–20 см.

Современным средством измерения глубин являются эхолоты. Принцип работы эхолота состоит в измерении времени пробегания звука от излучателя до дна и обратно к приемнику отраженного сигнала (рис. 3).

h

5

Рис. 3. Схема работы эхолота:

1 промерное судно; 2 излучатель звукового сигнала; 3 приемник звукового сигнала; 4 поверхность воды водоема; 5 дно водоема

13

Современные эхолоты являются переносными приборами массой до 1 кг. Излучатель и приемник звуковых сигналов монтируются в одном корпусе. Эхолоты различной мощности и разрешающей способности показывают на экране профиль дна и глубину на данной вертикали. Они могут быть снабжены стрелочными указателями, а также выдавать на экран численное значение глубины по требованию оператора.

При измерении глубин промерное судно может двигаться по поперечным, косым и продольным галсам. Галсом называется линия движения промерного судна (рис. 4).

Рис. 4. Схемы движения промерного судна:

а– поперечные галсы; б – косые галсы

2.4.2.Способы измерения глубин

Основным способом измерения глубин на реках являются промеры по поперечным галсам при общем движении снизу вверх. Расстояние между галсами определяется шириной реки и масштабом съемки. Но на плане реки оно должно быть 1–2 см, что составит величину 10 м при масштабе 1 : 1 000 и 100 м при масштабе 1 : 10 000. Этот способ применяется для изготовления планов рек и других водоемов в изобатах и горизонталях.

Косые галсы применяются при создании лоцманских карт и первичном ознакомлении с водоемом.

Продольные галсы позволяют уточнить глубины в относительно узкой полосе русла либо акватории, отводимой для гидротехнического строительства. Кроме того, промеры по продольным галсам применяют при больших скоростях течения на предгорных и горных участках рек.

14

2.4.3. Организация промерных работ. Камеральная обработка

Промеры глубин производятся при готовом планововысотном обосновании участка реки. По способу координации промерных точек можно выделить три способа организации промерных работ. Это промеры глубин с засечками:

а) одним теодолитом (кипрегелем); б) двумя теодолитами (кипрегелями); в) двумя секстанами.

Особое место занимает координация промеров радиометодами с автоматической отметкой промерных точек.

Рассмотрим организацию работ при промерах глубин по поперечным галсам с засечками промерных точек одним инструментом (теодолитом либо мензульным комплектом). Для этого прежде всего на план наносится опорная сеть, очертания берегов и островов. Затем на участке, где планируется проведение промерных работ, прочерчиваются поперечные галсы через требуемые расстояния. С плана снимаются необходимые расстояния и углы для выноса галсов на местность. Каждый галс закрепляется на берегу реки двумя колышками. Прибор для засечек наиболее удобно установить на самой верхней опорной точке, если с нее свободно просматривается весь участок реки. Прибор приводится в рабочее положение и ориентируется по наиболее длинной линии плановой опоры. На промерном судне находятся рулевой, сигнальщик и оператор (на эхолоте). На берегу двое створщиков устанавливают и переносят створные знаки (вешки) от галса к галсу. При заходе на очередной промерный галс подается сигнал двумя флажками. Наблюдатель при очередной отмашке останавливает вращение прибора и отсчитывает угол направления на промерную точку с точностью до 5 мин. Число засечек промерных точек с одновременным фиксированием глубины на галсе определяется шириной реки и масштабом съемки. Промеры ведут по поперечным галсам снизу вверх (рис. 5).

15

Рис. 5. Схема промеров глубин с засечками одним инструментом:измерительный прибор; 1, 2, 3, 4 – точки опорной сети

Промеры глубин с засечками двумя инструментами отличаются тем, что разбивка промерных галсов на местности не производится. Промерное судно ходит по галсам, расстояния между которыми отмеряются по береговой полосе на глаз. Два инструмента располагают в крайних точках плановой опоры, но можно располагать их в произвольных точках, если это необходимо, но при этом следует решать обратную геодезическую задачу для определения точки стояния инструмента. На промерном галсе рулевой удерживает судно тоже на глаз. При этом галсы получаются не прямолинейными, но зато более точными. Организация работ проще, так как галсы на местности не разбиваются и не нужны створщики. Схема таких промеров глубин показана на рис. 6.

Промерное

судно

16

Рис. 6. Схема промеров глубин с засечками двумя инструментами:измерительный прибор; 1, 2, 3, 4 – точки опорной сети

Засечки промерных точек двумя секстанами применяются при промерах глубин в лиманах, морских заливах, проливах и пр., но в пределах видимости опорных геодезических пунктов (1, 2, 3) (рис. 7) на берегах. При этом два секстана располагаются на промерном судне.

Рис. 7. Схема промеров глубин с засечками двумя секстанами: α1 – угол, измеряемый первым секстаном; α2 – угол, измеряемый вторым секстаном

Радиокоординирование промерных точек применяется при промерах глубин в открытых морях и океанах. При этом судно на курсе удерживается навигационными приборами.

Обработка результатов промерных работ начинается с нанесения на план промерных вертикалей по засечкам геодезическими инструментами. Измеренные глубины приводятся к проектному уровню воды Нпр, для чего в рабочие глубины вводится величина срезки (рис. 8).

Нраб

Нпр Н Нср

Рис. 8. Схема к определению величины срезки

Срезкой называется разность между рабочим и проектным уровнями воды

17

где Нраб уровень воды при производстве промерных работ; Нпр проектный уровень воды – это уровень, близкий к минимальному, имеющий обеспеченность от 87 до 96 % в зависимости от класса реки.

Срезка определяется либо по опорному гидропосту, либо нивелировкой по опорному реперу для данного участка реки. Таким образом, измеренные эхолотом глубины уменьшаются на величину срезки (если она положительна) и увеличиваются (если она отрицательна).

План ориентируется так, чтобы направление течения на нем было слева направо, и у всех промерных вертикалей справа от галса выписываются срезанные глубины в дециметрах. В заключение проводят изобаты – линии равных глубин. Изобаты проводят через каждые 0,5 м, при этом выделяют нулевую и проектную изобаты. Для глубин более 5 м изобаты проводят через 1 м, а для глубин более 10 м – через 5 м. Но если требуется более подробно охарактеризовать рельеф дна, то число изобат зависит от поставленных задач. В разрывах изобат подписывают глубины, располагая цифры головой в сторону больших глубин.

Для строителей изготавливают план реки в горизонталях, для этого по измеренным глубинам с учетом уклона свободной поверхности воды вычисляют отметки дна на промерных вертикалях, задаются высотой сечения рельефа и проводят необходимое число горизонталей. В разрывах горизонталей подписывают соответствующие отметки. Цифры располагают головой в сторону увеличения отметок.

2.5. Измерение скоростей течения

Скорости течения занимают важнейшее место среди характеристик потока. План течений и величины скоростей позволяют оценить стадию и направление руслового процесса, что очень важно при проектировании гидротехнических сооружений (в том числе и водозаборов) на реках. Поэтому измерение скоростей течения и обработка результатов являются одними из главных задач гидрометрии и производятся с целью построения плана тече-

18

ний, изучения распределения скоростей течения по вертикали и ширине потока, а также для определения расхода воды.

2.5.1. Приборы и устройства для измерения скоростей течения

Для измерения скоростей течения применяются поплавки и вертушки. Долгое время для решения задач измерения скоростей течения применялись только различные типы поверхностных поплавков: с крестовиной в основании, из части ствола дерева диаметром 15–20 см и толщиной 5–6 см, а также пригруженные бутылки (рис. 9).

Рис. 9. Гидрометрические поверхностные поплавки

Для измерения средних по вертикали скоростей течения применялись гидрометрические шесты. Кроме названных поплавков применялись всплывающие, интегрирующие и другие типы поплавков. С появлением гидрометрических вертушек применение поплавков ограничилось лишь поверхностными поплавками с целью построения плана течений и приближенной оценки расхода воды.

Гидрометрические вертушки (рис. 10) применяют для измерения местных осредненных скоростей течения. По результатам этих измерений строят эпюры скорости по вертикали и вычисляют средние скорости и расходы воды. Для этого применимы все виды вертушек (Ж-3, ГР-11, ГР-55 и др.).

Вертушки имеют лопастной винт диаметром до 120 мм, расположенный горизонтально. Число оборотов его в единицу времени и определяет скорость набегающего потока. Ротор вертушки снабжен контактами, замыкающимися через 20 оборотов (вертушка Ж-3) и через каждый оборот (вертушки типа ГР-21, ГР-57 и др.). В момент замыкания контактов подается звуковой или световой сигнал. Измеряя время между определенным числом

19

сигналов N, вычисляют число оборотов в единицу времени (в се-

величину скорости течения.

Рис. 10. Вертушка ГР-55:

1 – ось с контактным механизмом; 2 – червячная шестерня с двадцатью зубцами и штифтом; 3 – стопорный винт; 4 – вывод массы;

5 – изолированный вывод ( ); 6 – зажимные винты; 7 – корпус; 8 – штепсельное гнездо; 9 – токопроводящий стержень, изолированный

от массы; 10 – зажимная муфта; 11 – радиальные шарикоподшипники; 12 – упорная втулка; 13 – осевая гайка; 14 – лопастной винт;

15 – стабилизатор направления

u, м/с

4

n, об/с

Рис. 11. Тарировочная кривая вертушки

На тарировочной кривой выделяются четыре характерные точки:

1 – точка на оси ординат указывает скорость трогания вертушки u0. Для большинства вертушек u0 5 см/с;

2 ордината точки uнп показывает нижний предел устойчивой работы вертушки с ошибкой не более 2 % (uнп 10 см/с). При

20