книги / Переходы через водотоки

ния сооружений. Ориентировкой для этих условий служат требования при наибольшем расходе, отвечающие, как отмечалось, сохранности сооружений.

Для промежуточных категорий нормы следует принимать про­ межуточными между нормами для крайних категорий.

Гл а в а IV. МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

§13. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ МОРФОМЕТРИИ ВОДОТОКОВ

Морфометрическими изысканиями при проектировании автомо­ бильных и железных дорог называется комплекс работ по гидроло­ гическому обследованию водотока, не включающий натурных наблюдений за (проходом половодья или паводка. Термин «морфо­ метрия», введенный в практику изысканий Е. В. Болдаковым, за­ имствован из геоморфологии. Он отражает существо метода — по­ лучение гидрологических характеристик через измерение формы речной долины (поперечного сечения и продольного уклона), до­ полненное определением геоботанических характеристик ее.

Необходимость в таких работах возникает при пересечении трассой водотока и трассировании дороги в зоне возможного воз­ действия водотока на проектируемые сооружения. В первом случае задача морфометрических изысканий состоит в определении гидро­ логических данных, необходимых для проектирования сооружений мостового перехода. Во втором случае гидрологические данные должны обеспечить проектирование земляного полотна дороги, ук­ реплений, обвалований и берегозащитных сооружений; объехМ этих данных и характер полевых работ, необходимых для их получения, отличаются от таковых для первого случая. Поэтому ниже раз­ дельно рассматриваются морфометрия для проектирования мосто­ вого перехода (§ 14) и морфометрия для трассирования автомо­ бильных и железных дорог в пределах речных долин (§ 16). От­ дельно рассматривается морфометрия речных русел для производства русловых расчетов, поскольку необходимость в таких расчетах может встретиться при проектировании мостового пере­ хода и трассировании долинных ходов (§ 17).

Морфометрия водотока должна заменить производство гидро­ метрических наблюдений в половодный или паводочный период. Точность гидрологических данных, полученных с помощью морфо­ метрии, может оказаться достаточно высокой, если при выполнении работ будут использованы материалы стационарных наблюдений Гидрометеослужбы, а также методы гидрологической аналогии и генетические формулы максимальных расходов воды.

Несовпадение сроков изысканий автомобильных и железных дорог со сроками паводков и половодий на пересекаемых водото­ ках делает морфометрический способ получения гидрологических

51

данных основным и массовым. Даже если такое совпадение быва­ ет и возможно организовать наблюдения за проходом высоких вод на наиболее крупных водотоках трассы, то вероятность появления на них з данном году, высокого паводка или половодья весьма 'мала. Ценность натурных наблюдений в створе мостового перехо­ да заключается в наблюдении скоростей и направления течений на поймах для выяснения распределения расчетного расхода воды между поймой и руслом, а также активности пойменных проток и староречий. Если же наблюдавшиеся в створе перехода паводок или половодье были невелики и пойма не затапливалась (или не работала при малом затоплении ее), то расчет пропускной способ­ ности пойм приходится выполнять морфометрическими методами.

При выполнении морфометрических работ во внепаводочный пе­ риод полезно сделать несколько натурных измерений скоростей те­ чения в русле методами, изложенными -в гл. III.

По результатам этих измерений и данным о крупности русловых отложений оценивают размеры гидравлических сопротивлений рус­ лового потока.

Качество морфометрических обследований водотоков во многом зависит от того, насколько хорошо производитель работ разбирает­ ся в морфологии пойм и русла и умеет оценить ее влияние на конеч­ ный результат расчета.

Не существует стандартного для всех рек подхода к получению нужных для проектирования расчетных гидрологических величин. Можно выделить лишь наиболее типичные случаи, с которыми встречается изыскатель при проектировании мостового перехода или трассировании долинного хода.

Если река хорошо изучена в гидрологическом отношении, и вы­ ше и ниже по течению от створа перехода или на участке долинного хода имеются многолетние водомерные посты и гидрометрические створы, расчетные значения расходов воды определяют для этих створов. Тогда задача морфометрии состоит в перенесении расходов на створы перехода и в нахождении уровней высоких вод, соответ­ ствующих известным величинам расчетных расходов воды.

При расчете уровней одновременно решается задача распреде­ ления расчетного расхода между руслом и поймой, от которого за­ висят величины размыва подмостового русла, подпора перед мостом и размеры струенаправляющих дамб.

Если режим реки изучен слабо и нельзя надежно установить для створа перехода или участка долинного хода величины расчет­ ных расходов воды, их устанавливают лишь ориентировочно. Тогда задачей морфометрии будет уточнение этих величин. Для такого уточнения используют уровни воды, установленные по опросам местных жителей или признакам прохождения высоких паводков или половодий.

Вероятности превышения установленных уровней в этом случае оценивают исходя из опроса и других косвенных данных.

Рассмотрим расчетные формулы, для определения параметров которых будут выполняться полевые обследования водотоков.

52

Для средней скорости течения воды через поперечное сечение потока гидравлика дает известную формулу Шези

где v — средняя скорость в сечении, м!сек\ С — параметр, учитыва­ ющий гидравлическое сопротивление, м°>ъ/сек; R — гидравличе­

ский радиус сечения, равный площади сечения, деленной на смоченный периметр его, м\ i — продольный уклон водной по­

верхности.

Выводы этой формулы для турбулентного потока были даны М. А. Великановым [25], В. Н. Гончаровым [35] и др. Для парамет­ ра С предложено более 150 эмпирических и полуэмпиричееких фор­

мул, поскольку теоретическое обоснование этого параметра встре­ тило большие затруднения. Часть авторов для параметра С учиты­

вала влияние уклона потока, гидравлического радиуса сечения и шероховатости, т. е. физического состояния ложа потока (Гангилье, Куттер и др.); другие авторы учитывали только влияние гидравли­ ческого радиуса и шероховатости (Базен, Маннинг и др.). Зидек [146] высказал мнение, что шероховатость сама зависит от ширины, глубины и уклона потока, а поэтому коэффициент, определяющий шероховатость, вообще не нужен. Так появился ряд формул скорос­

Практика применения этих формул показала, что наиболее гиб­ кими, могущими охватить наибольшее число случаев природных ус­ ловий, а также удобными для расчета, являются показательные формулы типа Маннинга, учитывающие шероховатость и гидравли­ ческий радиус поперечного сечения потока.

За рубежом (в США, Западной Европе) распространена показа­

В СССР наряду с формулой (IV-2) получила распространение таблица значений С, составленная Г. В. Железняковым [42] на ос­ новании его исследований, а также формула Н. Н. Павловского, которая отличается от формулы (IV-2) тем, что показатель степени при гидравлическом радиусе переменен и равен г/-Н0,5, причем у =

= /(я ). Эта формула применяется для расчета каналов.

По исследованиям В. Н. Гончарова [35], при отношении двойной ширины русла к средней глубине более 30 гидравлический ради­ ус R (IV-2) может быть заменен средней глубиной Н.

53

По формуле (IV-2) можно получить хорошие результаты для равномерного установившегося движения прямолинейного потока с руслом правильной формы; для такого потока возможно опреде­ лить коэффициент шероховатости по шкале п, предложенной еще

Гангилье и Куттером. Поэтому применение формулы (IVJ2) к ес­ тественным водотокам с меняющимся по длине живым сечением и непостоянным но времени расходом воды возможно лишь при не­ которых допущениях. Так принимают, что на коротком участке ре­

ки длиной / с поперечным сечением площадью со, где производится

dtо

расчет, сохраняется условие — = 0, а также допускается, что dl

приращение расхода воды для момента производства расчета

Эти допущения сделаны также потому, что сложные гидравли­ ческие условия пойменных створов не позволяют с достаточной точ­ ностью определить инерционные члены в уравнении неравномерно­ го и ^установившегося движения и вводить их в расчет практиче­ ски не имеет смысла.

Естественные водотоки, как правило, извилисты в плане, имеют подвижное, сложенное аллювием русло, в котором вместе с водой перемещаются взвешенные и влекомые наносы различной крупнос­ ти, причем последние перемещаются обычно донными грядами. В паводок или половодье высокие воды затопляют прилегающие к руслу поймы, покрытые растительностью, причем глубина поймен­ ного потока резко отличается от глубины руслового; ложе поймен­ ных потоков обычно изобилует староречьями и грядами старых прирусловых валов, не параллельных общему направлению течения реки, что создает местную косоструйность, водовороты и мертвые пространства.

Эти местные условия влияют на величину силы сопротивления движению водного потока и не могут быть сведены к понятию ше­ роховатости русла, которое определяет лишь характер поверхности стенок русла (размеры, густоту и расположение выступов неглад­ кого ложа потока).

Исходя из этого М. Ф. Срибный [123] в 1932 г. предложил заме­ нить термин коэффициент шероховатости на русловой коэффициент, понимая под ним сумму факторов, оказывающих воздействие на скорость течения естественных потоков. Им же была разработана на основе натурных данных новая классификация русловых коэф­ фициентов в зависимости от категории русел, которая используется до настоящего времени (табл. IV-1). Термин русловой коэффи­ циент не привился, и теперь по-прежнему применяется термин ко­ эффициент шероховатости.

Н. И. Носовым была предложена классификация коэффициен­ тов шероховатости русел, в которой значения п были поставлены в

зависимость от величины уклона водотока, его расхода и крупности

54

55

аллювия. Для диапазона уклонов 0,0005<£<0,08 и расходов 1000<Q<50 значения д по этой классификации изменяются от 0,022 (песчаные русла) до 0,112 (валунные русла).

Впрактике проектирования применялись и другие классифика­ ции [96].

ВСША, где морфометрические расчеты при проектировании

мостовых переходов широко применяются, Дж. Бредли [155] разра­ ботана классификация коэффициентов шероховатости для русел малых водотоков и пойм. Для русел крупных рек дается лишь общая рекомендация. Особенностью классификации Дж. Бредли являются рекомендации для пойм, где влияние растительности дает­ ся е учетом сезонности, деятельности человека и глубины затопле­

ценна детализацией условий протекания потока по речным пой­ мам, так как при отсутствии натурных наблюдений для пойм пока нет других путей определить их сопротивление течению, кроме визу­ альной оценки шероховатости. Поэтому наряду с классификацией М. Ф. Срибного в табл. IV—2 приведена классификация Бредли. Значения д могут быть иногда и меньше минимальных значений по таблицам IV. 1 и IV.2.

Так, для прямолинейного русла р. Оки ниже устья р. Москвы, при уклоне 0,04—0,05%0 и глубинах 12— 15 м значение д ~ 0,016ч-

4-0,018, а для ровной луговой поймы на том же участке д~0,020ч- 4-0,022.

Интересный пример большой шероховатости русел, значительно превышающей шероховатость пойм, представляют малые левобе­ режные притоки верхнего Нигера в Западной Африке (12°— 14° с. ш.). Русла их, глубоко врезанные в окружающую саванну, со­ храняющие влагу в сухой период года, заросли тропическими деревьями, переплетенными лианами. Значение д для таких русел, по нашим данным, увеличивается с повышением уровня воды и со­ ставляет ~ 0 ,1 2 —0,15.

Часто считают, что при пользовании классификацией для русел коэффициент д надо брать меньшим при больших глубинах; этим должно учитываться уменьшение сопротивления движению потока с увеличением глубины. Однако влияние глубины на сопротивление учитывается параметром С в формуле Шези (по Маннингу

С — — /?Ve j и двойной учет этого влияния для русел, сложенных

Д'

мелким аллювием, не оправдан. Влияние глубины на коэффициент д сказывается лишь для русел, сложенных крупной галькой и ва­ лунами. По наблюдениям Л. Г. Бегама, на некоторых реках Даль­

#УМВ

56

Б. П о й м ы ( с м е ж н ы е с е с т е с т в е н н ы м и

по т о к а м и )

1.Пастбища без кустарника:

57

Продолжение табл. IV-2

лых рек со сходными характеристиками вследствие меньшего эффективного сопротивления, оказываемого неправильными бе­ регами или растительностью на берегах. Значения п могут быть несколько снижены. Значения п для больших рек, правильного профиля без валунов или кустарника, назначают в пределах

П р и м е ч а н и я . 1. В случаях, когда при расчете скоростей используют укло­ ны, вычисленные по горизонтам паводков на значительном протяжении русла, включающем меандры и повороты долины, значения п следует повышать для уче­ та дополнительных потерь, вызываемых извилинами. 2. Для горных русел, где воз­ можна аэрация потока, коэффициенты шероховатости следует повышать на 20—30%.

Коэффициент п должен учитывать количество перемещаемых

потоком наносов (его мутность). По нашим наблюдениям (1933 г.), в нижнем течении р. Камы на прямолинейном плёсовом участке (у с. Кубасы) значения п русла колебались от 0,05 на пике паводка

до 0,02 в межень, причем мутность за тот же период уменьшилась примерно в 10 раз.

Влияние на скорость течения движущихся в русле наносов получисло отражение в ряде исследований, авторы которых (Чанг, Н. И. Маккавеев и другие) связывали коэффициент шероховатос­ ти п с размерами руслового аллювия уравнением вида

где к — эмпирический коэффициент, равный по различным данным

от 0,017 до 0,029; первое значение соответствует искусственным, а второе — естественным руслам; d — средний размер частиц аллювия, мм.

В. Н. Гончаров [35] дал вывод зависимости коэффициента ше­ роховатости п от абсолютной шероховатости ложа плоского потока,

выражаемой средней величиной действующих выступав А. Эти зави­

где Н — глубина плоскогопотока, ж; А — абсолютная шерохова­

тость, равная 0,7 , ж; — размер зерен наиболее крупной фракции наносов, доля которой по объему равна 5% пробы, ж.

58

мы к речным руслам, сложенным гравелистым и галечно-валунным материалом или к песчаным руслам с малыми глубинами. Коэффи­ циенты п по формулам (IV-4) и (IV-5) отражают величину основ­

ных сопротивлений, связанных с высотой выступов шероховатости в плоском прямолинейном потоке.

При прочих равных условиях, чем больше форма русла отлича­ ется от прямоугольной, тем меньший коэффициент шероховатости следует принимать для морфометрического расчета скорости тече­ ния. Выражая форму русла отношением максимальной глубины к

В излучине русла возникают дополнительные сопротивления течению вследствие поперечной циркуляции струй; это учитывают для естественных русел увеличением коэффициента шероховатости на ~ 10%. Наличие крупных гряд наносов также увеличивает ше­ роховатость на 15—20%’. Стремление избавиться от неопределен­ ности в назначении коэффициента шероховатости для речных русел по визуальным признакам привело исследователей не только к выражению п через функцию абсолютной шероховатости, но и к

выражению ее через уклон водной поверхности. Так, М. Ф. Срибный [125] для русел горных рек дал эмпирическую зависимость

где i — продольный уклон свободной поверхности потока. Согласно

принципу ограниченности естественных русловых комплексов, установленному М. А. Великановым, уклон свободной по­ верхности потока связан с крупностью аллювия, слагающего ложе потока, так как в природе нет равнинных рек, спокойно текущих по валунному руслу, или горных потоков, ложе кото­ рых сложено мелкими песками.

Связь продольного уклона с крупностью аллювия установлена С. Т. Алтуниным [3] по данным наблюдений на реках Средней Азии

В. Н. Гончарова для русловой скорости течения и полученную им зависимость /^ 0 ,0 6 и заменяя абсолютную шероховатость Д

0,7 с?5о/о, получим формулу средней скорости течения, в которую будут входить только крупность аллювия и средняя глубина потока:

59

Поток, взаимодействуя с грунтом его ложа, вырабатывает наи­ более устойчивые формы русла и продольный профиль равновесия, соответствующий крупности аллювия, определяющего гидравличе­ скую шероховатость. Поэтому некоторая функция грунтовой харак­ теристики русла может заменить в формуле скорости гидравличе­ ские характеристики i и п. Для паводочных условий, когда речное

русло находится в состоянии динамического равновесия, Л. Л. Лиштван [73] получил зависимость средней скорости один от среднего диаметра фракций руслового аллювия dcр, средней глубины воды в

русле Я и вероятности превышения паводка.

Зависимость получена по данным паводочных скоростей тече­ ния в руслах более 250 рек СССР со средними глубинами от 1,0 м до 18,0 м, сложенных несвязными грунтами от мелкозернистых пес­

ков до крупных валунов.

Классификация скоростей динамического равновесия для веро­ ятности превышения паводка р = 1 % произведена по шкале аллюви­ альных грунтов, состоящей из 12 категорий (рис. IV-1).

Коэффициенты корреляции переменных vmn и Я колебались в

пределах 0,82—0,98. Пользуясь графиком рис. IV-1, натурные точки которого соответствуют руслам рек различной величины, но сло­ женных одинаковым грунтом, были (получены зависимости вида = аНх для каждой категории несвязных грунтов, характери­

зуемой средним диаметром зерен аллювия. По этим частным зави­ симостям получены связи а = f(d cр) и х = f(d cр) , а затем выве­ дена общая зависимость vmn — f(H , dcp) .

Для перехода от вероятности превышения р = 1% к другим зна­ чениям р% введен параметр P=f(p% ), методика определения

которого приведена в [73] и [119].

В окончательном виде формула скорости динамического равно­

где А — коэффициент, размерность которого дополняет произведе­

ние размерностей остальных сомножителей формулы до размер­ ности м/сек; если размерность dcр в мм, то А = 0,68, если dcv в м, то Л =4,7; dcp— средний диаметр частиц несвязного грунта,

слагающего речное русло, определяемый с учетом веса отдель­ ных фракций; Я — средняя глубина русла, м\ х — показатель

степени редукции скорости динамического равновесия по глуби­ не русла зависит от dcp и выражается уравнением (при размер­ ности dcp в мм)

60