книги / Переходы через водотоки
..pdfнение метод ‘прямой аналогии, географической интерполяции, поле вого обследования в периоды ледообразования и ледостава, гидро метрические наблюдения в период вскрытия.
Задачей изучения ледового режима является получение данных по характеристикам зимнего режима реки, необходимых для рас четов и проектирования сооружений переходов.
Врезультате изучения ледовых явлений необходимо иметь ха рактеристику условий образования и движения льда в районе пе рехода, сроки появления отдельных ледообразований, их местопо ложение, размеры и формы в различные периоды ледохода, ха рактеристику ледяного покрова, наличие и места заторов, их мощность и влияние на уровенный режим реки, уровни ледохода и образования ледяного покрова.
Эти сведения получают в период изысканий с привлечением данных близлежащих водпостов, материалов прошлых изысканий, путем опросов старожилов.
Впериод ледостава необходимы наблюдения за толщиной льда
ишуги, высотой торосов, причин образования, размеров и место нахождения наледей, донного льда, а также исследования прочно сти льда. Эти данные могут быть получены путем обследования в зимний период с использованием метода аналогии по данным бли жайшего водпоста, методов географической интерполяции некото рых метеорологических величин, а также данных опроса старо жилов.
Толщину льда определяют по промерам на створах выше и ни же перехода на расстоянии не менее 0,5 км в каждую сторону. По
каждому створу необходимы промеры по середине реки и у бере гов. Промеры толщины льда необходимо производить также в местах, где могут произойти изменения мощности ледяного покро ва: на перекатах и плесах, в местах сужений и расширений русел, зажоров и заторов, на участках скопления торосов и т. п. Обсле дованию подлежат пойменные озера, староречья, которые могут быть источником поступления льда в период весеннего ледохода. Толщина льда имеет максимальную величину к началу снеготая ния, а к весеннему ледоходу она составляет 70—80% годового мак симума. В водоемах толщина льда может быть на 15—20% боль ше, чем на реках.
Данные полевых обследований необходимо дополнять путем опроса местных жителей, а также привлечением данных близле жащих водпостов.
Для расчетов^ опор моста используют максимальную толщину льда при первой подвижке, а при ее отсутствии принимают наи большие толщины льда к началу ледохода.
На реках с небольшим зимним стоком наблюдается промерза ние русла реки до дна и проход весеннего паводка по донному льду. При полевых обследованиях необходимо установить часть живого сечения, которая занята льдом. Для этого необходимо про мерить толщину льда по всей ширине русла, занятой льдом, и на нести верхнюю границу льда на расчетный створ перехода. Мор
31
фометрические расчеты производят в этих случаях с учетом заня тости части русла льдом.
В 'период ледостава выявляют местоположение и условия обра зования «наледей в /районе перехода, а также возможность их влия ния на мостовой переход в период строительства и эксплуатации. В состав полевых -работ входит съемка контуров наледи с привяз кой к плану перехода, измерение размеров наледи, описание при чины возникновения и изменений наледи в период наблюдений. Обследование наледей производят в пределах съемки ситуацион ного плана перехода, но не менее чем на 1 км выше и 0,5 км ниже
створа перехода.
При выборе вариантов мостового перехода преимущество отда ется варианту, находящемуся вне влияния наледей.
Впериод вскрытия рек изучают условия образования и разме ры ледохода, определяют причины и места образования заторов льда, их влияние на уроненный -режим, сроки и продолжительность ледовых процессов, а также условия пропуска ледохода через створ мостового перехода.
Всостав работ, проводимых в период весеннего вскрытия рек дополнительно к гидрометрическим работам, входят:
установление дат появления воды на поверхности льда и ее уход под лед, образование закраин, промоин и трещин на льду;
установление времени прекращения движения по льду транс
порта и людей; начало и конец подвижек льда и их размеры по нескольким
створам; начало и конец ледохода, его интенсивность, размеры наиболь
ших льдин и скорость их движения; наблюдение за траекториями движения льдин и корчехода во
время ледохода; местоположение и размеры заторов и навалов льда, а также
даты их образования и разрушения, наблюдения за режимом за торных уровней.
Ледоход обычно сопровождается резким подъемом уровней во ды, поэтому наблюдения следует назначать как можно чаще, что бы не пропустить максимальных уровней ледохода и половодья. В этих случаях желательно поддерживать связь с близлежащими постами наблюдений УГМС. Необходимо организовать также одно временные наблюдения на створе перехода и водпосту. Наблюде ния за уровнями начинают за одну-две недели до предполагаемо го вскрытия реки. Наиболее характерные моменты ледового режи ма желательно фотографировать.
По результатам наблюдений составляют пояснительную записку с описанием произведенных работ и характеристикой зим него режима реки.
После выполнения полевых работ производится обработка ма териалов наблюдений и их анализ с целью установления расчет ных гидрометеорологических характеристик для проектирования переходов.
32
При отсутствии многолетних наблюдений на реке, отсутствии населенных пунктов ,и невозможности постановки непосредствен ных наблюдений применяется метод географической интерполяции. Этим способом могут быть получены значения дат появления ха рактерных ледовых явлений, толщины льда, высоты снегового по крова, 'максимальной интенсивности снеготаяния, 'вычисленные по опорным бассейнам. Целесообразно использование эмпирических соотношений между характерными уровнями на опорных бассей нах для переноса их на переход. Учитывая приближенность харак теристик ледового режима, из-за недостаточной изученности рек целесообразно внедрение в практику гидрологических расчетов мостовых переходов принципа вероятностной оценки характери стик зимнего режима рек и дат их установления, влияющих на конструктивные размеры проектируемых переходов.
Для определения расчетных величин ледового режима при на личии многолетних наблюдений рекомендуется построение эмпи рических кривых вероятностей и графическая экстраполяция рас четных уровней до требуемой повторяемости.
Анализ кривых вероятностей некоторых характеристик ледово го режима показал, что они обладают небольшой асимметрич ностью, что облегчает графическую экстраполяцию, а также позво ляет аналитически оценивать вычисленные величины по теоретиче ским кривым.
§ 9. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ
Гидрометрические работы выполняют в случаях, указанных в § 8, обычно на крупных реках, недостаточно изученных в гидроло гическом отношении.
В состав гидрометрических работ входят: наблюдения колеба ний уровней воды с фиксацией отдельных фаз состояния реки и от меток характерных уровней воды, измерение уклонов водной по верхности, средних скоростей и глубин, наблюдения направлений струй, траекторий движения льдин, плотов, судов и караванов.
Полный цикл гидрометрических наблюдений выполняют с пе риода ледохода до установления межени после весеннего паводка или с захватом ливневых .паводков, если они превалируют над сне говыми.
Выполнению гидрометрических наблюдений предшествует под готовительный период, в течение которого разбивают и закрепляют створы наблюдений, устраивают водомерные посты, вышки для фиксации траекторий поплавков, льдин, судов, оборудуют плаву чие средства приспособлениями для работы с вертушкой, измере ния глубин.
В подготовительный .период выполняют подготовку для обеспе чения безопасности работ в соответствии с имеющимися требо
ваниями [107]: проводят подбор |
и инструктаж |
участников ра |
|
бот, |
комплектуют и проверяют |
спасательные |
принадлежности |
й т. |
д. |
|
|
33
Полевые работы начинают со съемки поперечников по створам наблюдений, подводной съемки русла и определения толщины ле дового покрова.
Полный объем наблюдений выполняют на основном створе, ко торый желательно располагать по оси перехода или в непосредст венной близости от него. Кроме того, частично наблюдения выпол няют на одном-двух створах, разбиваемых в районе перехода, чтобы проследить изменение гидрологических элементов в районе мостового перехода.
Створы наблюдений разбивают нормально направлению тече ния. Если на отдельных участках створа наблюдения направление течения различно, прямолинейный створ заменяют ломаным с тем, чтобы его направление на каждом участке было бы нормальным течению. Створы закрепляют двумя вехами на каждом берегу.
Вертикали наблюдений скоростей вертушками размечают по профилю створа с тем, чтобы в руслах малых рек было бы не ме нее пяти — восьми вертикалей, на больших 12— 15 вертикалей, на поймах — в характерных местах по рельефу и растительности, но не реже чем через 200—300 м.
Для возможности беспрепятственного передвижения судна для наблюдений на пойме прорубают просеку шириной 6—7 м.
При работе с лодки вертикали в русле фиксируются заранее определяемыми горизонтальными углами, измеряемыми от базиса с опорного пункта на берегу. Если по створу наблюдений для из мерения глубин эхолотом размещены буйки, последние могут быть использованы в качестве вертикалей для вертушечных наблюдений.
При работе с парома или лодки, перемещающихся по перетя нутому тросу, вертикали размечают на тросе.
Если створ наблюдений проходит но оси существующего моста, вертикали числом от 3 до 5 в каждом пролете размечают на мосту так, чтобы их было видно с промерного судна.
Водомерные посты устраивают в количестве трех по берегу русла. На основном посту, располагаемом по оси перехода или вблизи него, ведут водомерные наблюдения в полном объеме, по двум другим — в сокращенном объеме лишь для определения уклонов. Уклонные водомерные посты располагают вверх и вниз от перехода на расстоянии, определяемом повышением или пони жением отметок свободной поверхности воды на 30—40 см от пе
рехода.
При значительном поперечном уклоне водной поверхности уст раивают дополнительные посты на другом берегу русла, а при не обходимости и в конце поймы у линии разлива высоких вод.
В зависимости от крутизны откоса водомерные посты устраива ют свайные, реечные или смешанные (свайно-реечные).
Сваи располагают так, чтобы превышение торцов соседних свай составляло бы не более 0,5 м. На водомерном посту устанавливают
репер, от которого нивелируют верх свай и нули реек. Водомерный пост должен быть защищен от ледохода и вол
нений.
34
Для засечек поплавков при фиксации направления течений, льдин, судов и измерения поверхностных скоростей используется берег, если высота его достаточна и обеспечивается видимость все го участка наблюдений. В противном случае строят одну или не сколько наблюдательных вышек.
Возвышение горизонтальной оси трубы теодолита на вышке над наивысшим уровнем воды АЯу по условиям точности желательно не менее
АНУ= 0,0175ДН (Н М )
где Д н — наибольшее расстояние от центра вышки до границ уча стка наблюдений.
Когда не удается расположить теодолит на высокой точке, при меняют способ засечки поплавков двумя теодолитами. Положение поплавка в плане определяют по известному расстоянию между теодолитами и горизонтальными углами, измеренными при визиро вании на поплавок.
По окончании подготовительных работ выполняют гидрометри ческие наблюдения.
Измерения уровней на установленных водпостах ведут в тече ние всего периода наблюдений.
Частота измерений зависит от характера колебаний уровней и изменяется от 2—4 до 6— 12 и более раз в сутки при резких коле баниях уровней.
При переходе от одной сваи к другой отсчеты для контроля про изводят по обеим сваям.
По каждому водомерному посту ведут журнал, в котором, по мимо отсчетов, делают записи о гидрологических явлениях, наблю даемых на реке (ледоход, шуга, карчеход и др.).
По данным наблюдений подсчитывают отметки уровней и со ставляют график колебаний уровней. Такой же график составляют по ближайшему многолетнему водомерному посту Гидрометео службы или другой организации.
На основании сопоставления сходственных характерных уров ней по графикам на переходе и на многолетнем посту (рис. Ш-1, а)
строят кривую связи сходственных уровней, которую используют для переноса максимальных и, в частности, расчетных уровней с многолетнего поста # Pi на переход Яр2 (рис. Ш-1, б).
Продольные уклоны водной поверхности определяют по уклон ным водомерным постам. По полученным значениям уклонов стро ят зависимости уклонов от времени и уровней.
Полученные значения уклонов используют для определения коэффициентов шероховатости, а также для переноса уровней со створов наблюдений на переход.
При вертушечных наблюдениях необходимо ими охватить фа зу подъема, пик паводка и фазу спада. Наблюдения рекомендует ся выполнять более часто на участке приближения паводка к пи к у — через 0,10—0,20 см изменения уровня воды, а на остальной
35
Рис. III-1. Графики наблюденных уровней:
слева — зависимость уровней Н от времени Г; справа — связь сходст венных уровней по многолетнему посту Нрх и по переходу Нр2:
/ — для многолетнего поста; 2 — для мостового перехода
части паводка через 50—60 см. Работа с вертушкой производится
на намеченных в русле и закрепленных на пойме вертикалях.
Для работы применяют вертушки, не работавшие после послед ней тарировки и имеющие тарировочный паспорт. Количество то чек замера скоростей на вертикали зависит от глубины. При глу бине до 1 м скорость измеряют в одной точке на 0,5 или на 0,6 глу бины; при глубине 1—3 м — в двух точках на 0,2 и 0,8 глубины или в трех точках — на 0,2, 0,6 и 0,8 глубины; при глубине свыше 3 м —
в пяти точках (помимо указанных трех также |
на |
поверхности и |
У дна). |
на |
поверхности и |
Нормальная продолжительность наблюдений |
на 0,2 глубины — 2 мин, а на каждой последующей точке увеличи вается на 1 мин.
Средние скорости уСр на вертикалях по точкам измерений опре
деляют по тарировочной зависимости между числом |
оборотов |
в |
1 мин и скоростью по следующим формулам: |
|
|
при измерении скоростей в пяти точках |
|
|
^ с р = 0 , 1 ( ^ п о в "1“ 3t>0,2 “Ь 3l>0,6 - f “ 2l>0,8 “ Ь ^ д о н ) |
( 1 1 1 - 2 ) |
|
то же, в двух точках или в трех точках |
|
|
Уср = 0,5 (у0,2 + 0о,8); |
( Ш - 3 ) |
|
то же, в одной точке |
(III-4) |
|
^ср — ^0,6- |
||
или приближенно |
|
|
г*ср = 0 ,91*0,5. |
|
|
В формулах обозначены vn0B, «0,2, »о,5, Щб, i»o,8, |
0,5; 0,6; |
0,8 |
0дон— соответственно скорости на .поверхности, на 0,2; |
||
глубины и у дна. |
|
|
36
Для построения эпюры средних скоростей по ширине потока принимают средний уровень за период наблюдений. При значи тельном изменении уровня (более 0,10—0,15 м) определяют уро
вень, средневзвешенный по величинам элементарных расходов, за меренных на вертикалях, по формуле
п
S Чн
Яраб = —------ , |
(Ш -5) |
п |
|
2 ?
1
где Яраб — отметка рабочего уровня; п — число вертикалей; q —
элементарный расход на вертикали; Я — отметки уровней на вертикалях.
После определения рабочего уровня и скорости на вертикалях производят построение эпюры скоростей и элементарных расходов
по формуле
q = vCph cos а м2/сек, (III-6)
где h — глубина на вертикали; а — угол между направлением те
чения и нормалью к створу измерений.
Полный расход Q определяют как площадь фигуры, образован
ной эпюрой элементарных расходов и рабочим уровнем.
Если на обследуемом участке реки наблюдаются приливы и от ливы, для каждого часа вычисляют полный расход и строят кри вую хода расходов в течение периода прилива и отлива.
Из графика получают максимальную величину расхода воды. Наблюдения направлений течения и поверхностных скоростей производят при помощи поплавков, положение которых фиксиру ют путем их засечки с отсчетами по вертикальному и горизонталь ному кругам теодолита. В момент засечки делают отсчет времени
по секундомеру.
При максимальном расстоянии от поплавка до наблюдательно го пункта до 1 км для поплавка используют деревянные диски тол щиной около 5 см с деревянным стержнем с флажком в центре.
Для устойчивости поплавка к его днищу прикрепляют небольшой груз.
При больших расстояниях от наблюдательного пункта до по плавка и плохой видимости поплавки сопровождает лодка.
Поплавковые наблюдения за период паводка выполняют 6—8 раз с равномерным их распределением по фазам паводка.
Длину участка поплавковых наблюдений назначают в зависи мости от ширины русла реки и его очертания в плане от 1 до 3 км. Для небольших рек с шириной русла до 100— 150 м длину участка принимают 0,5—0,7 км. Обычно 2/з участка наблюдений располага
ют выше оси перехода, а 7з — ниже.
37
Число |
траекторий назначают от 7—8 до 13— 15 в зависимости |
|||||
от ширины русла реки. |
|
|
|
|
||
Значения минимальных вертикальных углов, допускаемых при |
||||||
засечке |
поплавков, |
одноминутным |
теодолитом |
приведены |
в |
|
табл. III-I. |
|
|
|
Т а б л и ц а |
Ш-1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Масштаб съемок |
|
|
|
Высота горизонта |
1:500 |
1:1000 |
1:2000 |
1:5000 |
|
|
инструмента нал |
|
|||||
уровнем воды, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Углы наклона |
|
|
|
10 |
|
4°00 |
3°00 |
2°00 |
1°30 |
|
20 |
|
6°00 |
4°30 |
3°00 |
2°00 |
|
30 |
|
8°00 |
5°30 |
4°00 |
2°30 |
|
40 |
|
10°00 |
6°00 |
4°30 |
3°00 |
|
П р и м е ч а н и е . Для 30-секундного теодолита указанные в таблице значения углов уменьшают в 2 раза.
Промежутки времени между засечками зависят от масштаба плана траекторий хода поплавков и скоростей течения. Их прини мают обычно для масштаба плана 1 : 5000 от 120 сек при малых скоростях течения до 40 сек при скоростях течения свыше 2 м/сек; при масштабе 1 : 1000— соответственно от 60 до 20 сек.
Накладку траекторий поплавков производят по горизонтально му углу от постоянного ориентира и расстоянию от -центра вышки до поплавка Д, определяемому по формуле
Д = |
tg a dh sin фi |
|
(Ш -7) |
|
|
||
где Лт — превышение отметки горизонта |
инструмента над |
отмет |
|
кой рабочего уровня воды в створе наблюдательного |
пункта; |
||
а — вертикальный угол; |
ф — горизонтальный угол между ство |
||
ром засечного пункта и |
направлением |
на поплавок; i — про |
|
дольный уклон потока. |
|
|
|
В формуле (Ш-7) знак плюс применяют для поплавков выше створа, а знак минус — ниже створа наблюдений.
Отметку рабочего уровня для исчисления величины Лт опреде ляют как среднюю из отметок уровней в начале и конце наблю дения.
Для определения поверхностных скоростей по поплавковым наблюдениям отмечают на траекториях поплавков постоянное вре мя в каждую сторону от створа наблюдений, равное при масштабе планшета 1 : 1000—25 сек, 1 : 2000—50 и при 1 : 5000— 125 сек. Со
единяя полученные точки плавной кривой, получают линии равно го времени. Затем от створа наблюдений откладывают общие рас стояния между линиями равных времен; концы отложенных отрез-
38
Рис. Ш-2. Обработка поплавковых на блюдений скоростей течения:
/ — линии |
урезов воды; 2 — ось |
перехода; |
||
3 — линии |
равного |
времени; 4 — эпюра по |
||
плавковых |
скоростей; |
5 — линии хода поплав |
||
|
ков с указанием |
засечек |
|
|
ков соединяют |
кривой, |
которая |
||
является кривой |
поплавковой |
|||
скорости (рис. III-2). |
|
|||
Для |
перехода от |
поверхност |
ной к средней скорости определя ют коэффициент по формуле (III-13). Далее определяют рас ход аналогично обработке дан ных измерений скоростей вертуш кой.
При засечках плотов и караванов делают каждый раз засечку носа и кормы или носа буксира и кормы последней баржи. Одиноч ные суда засекают одной засечкой носа.
§ 10. ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОМЕТОДОВ ДЛЯ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ
В -результате исследований, проведенных в ЦНИИСе в 1962— 1965 гг., был разработан новый метод получения гидрологических характеристик пересекаемой реки с самолета или вертолета путем обработки аэрофотосъемочного материала [80, 132].
К характеристикам, получаемым аэрометодом, относятся ско рости и направления поверхностных течений, расходы воды, глу бины и отметки уровней воды, направления судовых ходов и дви жения Л]|ЬДИН.
Материалы аэрофотосъемки районов мостовых переходов мож но использовать для выявления характера и интенсивности русло вого процесса.
Аэрогидрометрические работы выполняют при ширине русла менее 100— 150 м с использованием вертолета Ми-4, а при ширине разлива до 1,5 км самолета Ан-2. При более широком разливе ис
пользуют самолет Ан-2 и вертолет.
Поверхностные скорости определяют на основе измерения сме щений мелких плывущих по реке предметов (специально пущенные поплавки, струи жидкости, видные на снимке, пена, щепки и др.). Смещения измеряют по специальным перекрывающимся аэросним кам (рис. Ш -З).
Разность расстояний х'—х представляет собой смещение точек
поверхности воды в масштабе аэрофотоснимков за интервал вре мени между снимками.
Исходя из известного масштаба аэроснимков поверхностную скорость течения иПов можно определить по формуле
Упов — |
(л/ — х) Нпл |
(Ш-8) |
|
|
МЫ |
39
напрабленце попета |
где |
Япл — высота |
полета, |
м; |
|||||
|
|
/к — главное |
фокусное |
рас |
|||||
|
|
стояние фотоаппарата, |
мм; |
||||||
|
|
At — интервал |
времени |
ме |
|||||
|
|
жду |
моментами |
съемки, |
|||||
|
|
сек. |
|
|
|
|
|
||
|
|
Практически поверхностные |
|||||||
Рис. III-3. Изображение поверхност |
скорости |
определяют |
на осно |
||||||
ве |
измерения кажущихся |
по |
|||||||
ных поплавков на смежных аэрофото |
|||||||||
вышений или понижений вод |
|||||||||
снимках: |
|||||||||
ной |
поверхности |
в зависимос |
|||||||
|
|||||||||
1 — левый аэроснимок; 2 — правый аэро |
ти |
от |
скорости |
течения и |
на |
||||
снимок |
правления |
полета, |
определяе |
||||||
|
мых |
при |
стереоскопическом |
||||||
|
рассмотрении аэроснимков. |
|
|||||||
Смещения точек на аэрофотоснимках под воздействием течения |
|||||||||
(рис. III-4) аналогичны разностям |
продольных параллаксов АРп |
при отличии фотографируемой поверхности от плоскости. Следова тельно, при восстановлении стереоскопической модели по такой паре аэроснимков пересечение лучей, проектирующих смещенные точки, произойдет в зависимости от направления съемки выше (рис. III-4, а) или ниже (рис. III-4, б) действительной поверхности
воды. Поэтому при стереоскопическом рассматривании пары сним ков поверхность воды будет казаться выпуклой или вогнутой тем больше, чем больше скорость течения.
В этом случае разности продольных параллаксов АРп, измерен ные вдоль направления течения, соответствуют смещению данной точки поверхности воды за интервал времени между моментами съемки At.
Следовательно, при стереофотограмметрическом |
методе измере |
ний поверхностную скорость можно определять по |
формуле |
АРпЯпл |
(III-9) |
^пов — |
|
А//к |
|
Рис. 111-4. Схема стереофотограмметрического измерения скорости тече ния (стрелками указано направление полета):
а — пересечение лучей, проектирую щих смещение точки выше поверхно сти воды; б — то же, ниже поверх ности воды
Определение поверхностной скорости описанным способом возможно, если на перекрыва ющихся аэрофотоснимках изоб ражены оба берега реки или какие-либо опорные точки (ост рова, бакены, буйки и др.). Точность определения скорости составляет ±0,05 м/сек.
40