книги / Переходы через водотоки

Рис. IV-1. График связи скоростей динамического равновесия аДИн и средней глу­ бины русла при паводке вероятности повышения р=1% :

р — безразмерный коэффициент, характеризующий наполнение русла при паводке данной вероятности превышения р%.

Величины х и р для некоторых значений dcр и р% даны ниже;

промежуточные значения берут по интерполяции.

61

Зависимость (IV—8) вызывала возражения у некоторых авто­ ров [8], причем делались ссылки на И. И. Леви, В. Н. Гончарова и других исследователей 1, которые якобы отрицали соответствие меж­

в натурный материал включались данные за меженный период, для которого зависимость (IV-8) неприменима; приводили также р. Амударью как пример несоответствия аДИн с данными наблюдений, но при этом игнорировали увеличение глубины русла этой реки при проходе паводка вследствие саморазмыва ложа. Ясно, что такой подход не соответствовал условиям, в которых должен производить­ ся анализ той или иной формулы. Проверка уравнения (IV-8) вы­ полнена Н. И. Масловым в Мосгипротрансе по материалам много­ летних наблюдений на девяти гидрометрических станциях, где име­ лись данные о гранулометрическом составе руслового аллювия. Сведения об этих станциях приведены в табл. IV-3. Сопоставление

Принимая Угидр за истинное значение средней скорости течения,

1 Б о л д а к о в Е. В. Переходы через водотоки. М., «Транспорт», 1960, с. 175.

62

Рис. IV-2. График связи скоростей динамического равновесия аДИн и скоростей, измеренных в натуре уГиДр для 9 гидрометрических станций:

Средняя ошибка До результата вычислений по формуле (IV-9), согласно теории ошибок, после преобразований будет равна:

( ^ ) 2+ 0 , 4 5 ^ ) 2+ 0 ,2 5 ( f ) 2, (IV-10)

тН i

лей формулы (IV-9). По классификации величин п (табл. IV-1) возможна ошибка в назначении т в пределах одной смежной

характеристики. Относительная ошибка — составит в сред­

нем 0,25. Относительная ошибка — зависит от точности проме-

н

ров глубин и может быть принята для глубин от 1 до 10 ж в среднем 0,05.

63

Относительная ошибка в определении уклона водной поверхно­ сти зависит от точности нивелировки и величины уклона: для ма­ лых уклонов (порядка см/км) она может достигать ~ 0,2, а для больших уклонов (м/км) уменьшаться до ~ 0,002. Примем в сред-

Ai

нем — « 0,10- i

Тогда по формуле (IV-10) получим Да—± 0 ,26а.

Основную долю ошибки результата вычислений по формуле

(IV-9) составляет величина^7, поэтому Av вряд ли может быть

т

меньше 25%.

Произведем тот же анализ для формулы (IV-8)

щему равной 0,05. Средние квадратические отклонения натур­ ных точек от зависимости р= / (р%) находятся в пределах

~5% — 14%' [119]. Поэтому в среднем можно принять^ —0,10.

Р

Как видно из приведенных данных (см. выше), величина х ко­

леблется в пределах 0,43—0,24 и влияние ее на результат вычи­ слений по формуле (IV-11) исчезающе мало.

Вследствие недостаточного обычно числа русловых геологиче­ ских выработок средний диаметр фракций руслового аллювия опре­ деляется грубее, чем величины Н и р; в запас прочности можно

принять значение — — = 0,5 . Тогда по формуле (IV-11) получим

*ср

А^дкн— ±0,17г>дин. Структура формулы (IV-8) такова, что даже при грубом определении грунтовой характеристики русла ошибка результата вычислений по ней не превысит ошибки результата по формуле (IV-9).

Поэтому целесообразно вычисленную по формуле (IV-9) сред­ нюю скорость течения в русле при УВВР%проверять по формуле (IV-8).

В Мосгипротрансе А. П. Иванчуком составлена программа рас­ чета на ЭВМ скоростей течения и расходов воды морфометриче­ ским методом, в которую включена указанная проверка.

64

§ 14. ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕХОДА

Для получения гидрологических характеристик водотока мето­ дами, рассмотренными в § 13, необходимо выполнить комплекс полевых работ, начиная с определения уровенного режима реки.

Для этого используют наблюдения Гидрометеослужбы на бли­ жайших к мостовому переходу водомерных постах, где устанавли­ вают самые высокие, самые низкие, самые ранние и самые поздние уровни (отметки и даты их наблюдения) ледостава, первой под­ вижки льда, весеннего ледохода, пика паводка или половодья, ме­ жени, осеннего или зимнего ледохода.

Перенос расчетных и характерных уровней со створа водпоста на створ перехода производят по* продольному уклону водотока по кривым связи соответственных уровней и другими приемами [1 41].

Независимо от того, имеется ли в районе мостового перехода водомерный пост или нет, устанавливают отметки следующих ха­ рактерных уровней воды, необходимых для проектирования мосто­ вого перехода: уровня высокой воды, высокого ледохода, высокой подвижки льда, низкой подвижки льда, средней межени, низкой межени.

Эти уровни устанавливают по аналогии, по опросу старожилов, по меткам и местным признакам, по соображению с другими кос­ венными данными.

Так, например, уровень высокого ледохода может быть опреде­ лен по повреждениям коры на деревьях, растущих по берегам глав­ ного русла; уровень низкой межени может быть определен по отмет­ ке гребня нижележащего переката и минимальной глубине воды на нем.

При определении уровня высоких вод (УВВ) необходимо воз­ можно точнее установить даты половодий и собрать данные об уровнях за все годы, которые могут быть указаны местными жите­ лями.

Если точные даты половодий или паводков установить невоз­ можно, то необходимо установить примерное время их прохожде­ ния, учитывая тип (ливневой, от снеготаяния, таяния ледников, смешанный), а также количество паводковых пиков в году.

Если на реке есть водомерный пост, то установленные на перехо­ де характерные уровни используют для переноса с водпоста этих уровней заданной вероятности превышения; если водомерного пос­ та нет, то эти уровни, кроме УВВ, будут приняты в качестве рас­ четных.

Сведения о наивысших уровнях воды, наблюдавшихся на peicafx

СССР, собраны в монографии Б. Д. Зайкова [50], а также в Указа­ ниях по определению расчетных наивысших уровней воды рек и озер (СН 397-69), где также приведены ориентировочные вероятно­ сти их превышения.

Данные водомерных постов являются наиболее надежными. Однако даже опубликованными ГМС данными необходимо пользо-

65

ваться только после соответствующего анализа их, так как в процес­ се наблюдений бывают изменения нулей графиков водпостов, из­ менения отметок их после повторных нивелировок, а также перене­ сение в другое место створов водпостов. Эти сведения опубликова­ ны в гидрологических ежегодниках и в ресурсах поверхностных вод

СССР.

Однако во многих случаях установление отметок УВВ опросом старожилов или по следам паводков являются единственно возмож­ ными способами. Это относится к большинству малых рек.

Необходимо попытаться определить уровень и год половодья, сведения о котором были получены старожилами от своих отцов и дедов.

Не следует пренебрегать и приближенными данными: часто пожилые люди не могут вспомнить года, однако могут указать свой возраст (или возраст рассказывавшего им лица) во время прохож­ дения исключительного половодья. Такая примерная дата в сопо­ ставлении с другими данными поможет установить год исключи­ тельного половодья или, во всяком случае, даст представление о периоде N лет, в течение которого данный уровень не повторялся.

Чтобы представить, насколько часто приходится пользоваться косвенными методами при установлении УВВ, приведем следующие цифры: для Верхне-Волжского сравнительно изученного района чис­ ло водотоков длиной более 10 км составляет, по данным Гидроме­

теослужбы, ~4400, а число водотоков, на-которых действуют водо­ мерные посты, ~ 500.

Определение отметок УВВ по следам на местности производят в малообжитых районах, а также при сомнении в правильности по­ казаний старожилов. Такими следами являются оставшиеся мелкие сучки, обломки тростника, пучки травы, ил и т. п. на стволах деревьев и пологих берегах; отложения взвешенных речных нано­ сов или нефти на коре деревьев и в расщелинах скал; полоса смыва пустынного загара на скальных берегах; следы подмыва крутых не­ скальных берегов течением воды; границы распространения пой­ менной растительности 'в степных засушливых районах; линия изме­ нения цвета и состава травы на открытых задернованных склонах пойменной террасы; линия смачивания оштукатуренных стен зда­ ний, а также лёссовой или глинистой поверхности древних конусов выноса в пустынных районах и другие признаки.

Следы на коре деревьев, смыв пустынного загара и линия изме­ нения цвета травы лучше видны на некотором расстоянии от этих следов.

Для УВВ, определенного по местным признакам, остаются неиз­ вестными год паводка и период, за который этот паводок был наивысшим. Поэтому надо опросным путем получить сведения об УВВ за различные годы (даже вдали от перехода) для установле­ ния времени паводка, оставившего следы на местности.

Когда приходится определять отметки УВВ по следам на мест­ ности, следует иметь в виду, что нижняя граница полосы смыва пустынного загара может быть отнесена к среднему паводочному

66

уровню, а верхняя — к уровню повторяемостью порядка 1 раз в 5— 10 лет; следы более редких половодий, если они прошли давно, обычно не сохраняются. То же относится и к многоярусным следам подмыва крутых нескальных берегов.

Аккумулятивные следы, оставшиеся на стволах деревьев, рас­ тущих на поймах, а также ботанические признаки, указывающие на затопление пойменных террас, следует отнести к сравнительно вы­ соким половодьям повторяемостью порядка 1 раз в 10—20 лет.

Невысокая точность определения отметок УВВ изложенными способами может быть отчасти компенсирована числом таких оп­ ределений, так как при большом числе их легче выявить случайные ошибки.

На крутом повороте русла отметки УВВ на берегах могут зна­ чительно отличаться друг от друга вследствие перекоса зеркала потока в поперечном направлении.

На горных реках с большими уклонами разность отметок УВВ на различных берегах иногда бывает очень большой. Это может быть в двух случаях: когда основная часть потока прорывается на пойменную террасу и, не сумев выработать новое русло, постепенно возвращается в старое (при этом отметки УВВ на поймах оказыва­ ются значительно выше отметок УВВ в русле); когда река меандрирует в древнем конусе выноса и обширные поймы расположены на значительно более низких отметках, чем бровки русла (при этом отметки УВВ на поймах оказываются значительно ниже отметки УВВ в русле).

Для определения уклона свободной поверхности потока снима­ ют продольный профиль русла реки по урезу воды на момент про­ изводства работ.

Продольный профиль, как правило, снимают при низких уровнях (воды в реке; в этот период наибольшие уклоны соответствуют пере­ катным, а наименьшие — плесовым участкам русла. С подъемом уровня воды уклоны на плесах увеличиваются, а на перекатах уменьшаются; при выходе воды на пойму на уклон потока начина­ ют влиять спрямляющие течения между излучинами русла, а так­ же изменения плана и ширины речной долины.

Поэтому протяженность съемки продольного профиля зависит от местных условий и должна обеспечить возможность построения зависимостей i— f(H) от межени до УВВ для расчетных створов

при условии определения уклона с точностью 10% (52).

При бытовом режиме реки, не нарушенном гидротехническими сооружениями, продольный профиль снимают обычно на протяже­ нии участка ситуационного плана перехода (желательно не менее (суммарной длины трех плесов и трех перекатов). Для крупных рек длина профиля может быть сокращена до одного плеса и одного переката при соблюдении указанной выше точности определения уклона.

Если мостовой переход находится в -сфере подпора другой рекой, продольный профиль снимают вниз от перехода до устья реки, где определяют отметку УВВ подпирающей реки; вверх от

6?

Перехода продольный профиль снимают до конца кривой подпора. При большой длине кривой подпора продольный профиль составля­ ют по картографическому материалу; таким же способом состав­ ляют профиль до ближайшего водпоста, если он расположен вне пределов съемки ситуационного плана.

Если мостовой переход находится на участке реки, зарегулиро­ ванном в межень каскадами малых ГЭС, мельничных плотин или колхозных прудов, не влияющих на прохождение весенних павод­ ков, съемку продольного профиля производят на участке от нижне­ го бьефа нижернеположенной плотины до конца распространения подпора вышераоположенной плотины. Такое протяжение съемки необходимо для расчета прорыва некапитальных плотин.

При расположении мостового перехода в верхнем или нижнем бьефах капитальной плотины ГЭС съемку продольного профиля не производят и все данные для его построения получают в организа­ циях, ведающих проектированием или эксплуатацией ГЭС.

При съемке продольного профиля реки необходимо использо­ вать картографическую основу (фотопланы и карты масштабов не мельче 1 : 25 000), на которой данный водоток выражен достаточно детально (имеет ширину русла не менее 2 мм в масштабе карты).

При съемке продольного профиля русла производят промеры глубин по фарватеру в характерных точках дна (гребень переката, плесовая ложбина). В этих же местах определяют отметки бровок обоих берегов' реки; кроме этого, определяют отметки наиболее по­ ниженных участков современных прирусловых валов.

Урезы воды нивелируют в характерных местах, определяющих переломы свободной поверхности воды: в начале и конце перекатов и плесов, в устьях-притоков и крупных логов, впадающих в реку, в местах перегибов между двумя излучинами и в их серединах, а также у населенных пунктов, пристаней, мостов, запаней, у мелких плотин и других гидротехнических сооружений, расположенных на участке съемки.

Пользуясь этими характерными точками и опознавая их на фотоплане или карте, определяют расстояние между ними по фар­ ватеру русла для составления продольного профиля реки.

Если необходимой картографической основы нет, то проклады­ вают теодолитный ход на протяжении участка съемки профиля, к которому привязывают урезные точки и от которого снимают план русла реки.

На время съемки продольного профиля открывают временный водомерный пост и при нивелировке урезов отмечают время ее. Отметки урезов воды приводят к одному моменту времени введени­ ем соответствующих поправок по наблюдениям на водомерном пос­ ту. Места определения УВВ привязывают к продольному профилю реки. Пример оформления продольного профиля реки приведен на рис. IV-3.

На конусах выноса горных водотоков, вся поверхность которых является действующей или покрыта сетью мелких русел, переформирующихся при больших паводках, продольные профили снимают

68

и крутой поворот долины, располо­ женный ниже по течению. Все эти обстоятельства требуют вниматель­ ного изучения местных условий и из­ вестной осторожности в экстраполя­ ции зависимости уклона от уровня воды за пределы уровня бровок русла.

Для определения паводочного уклона потока можно использовать занивелированные следы наносовне­ давно прошедшего паводка, кото­ рые обычно могут быть определены в достаточном числе и ложатся на одну плавную линию (см. рис. IV-3).

морфостворам, снятым в характерных местах продольного профи­ ля. Такими местами являются переломы средней линии дна русла, резкие сужения и расширения пойм, крутые повороты долины, а также места изменения сопротивления движению потока.

Для получения профилей поперечных сечений водотока снима­ ют морфостворы и привязывают их в высотном и плановом отно­ шении к съемке продольного профиля реки.

Морфостворы намечают предварительно на ситуационном пла­ не перехода, где нанесены направления течений в русле и на пой­ мах. Морфоствор располагают нормально к направлению руслового и пойменного течения. Так как достичь этого на всем протяжении морфоствора в большинстве случаев невозможно, морфоствор на­ мечают нормально к основным направлениям потока, для чего его делают при необходимости ломаным; местные же отклонения струй от нормали учитывают определением угла их косины.

Расположение морфостворов в плане зависит от типа руслового процесса (см. гл. VII). На рис. IV-4 показаны возможные вариан­ ты (1 и 2) расположения морфоствора на реке с незавершенным

меандрированием русла.

При побочневом русле морфодтвор назначают нормально к его пойменным бровкам.

Наиболее трудно назначить морфоствор на свободно меандрирующей реке с обширной поймой, рельеф которой представлен сложным переплетением вееров старых прирусловых валов, ста­ рицами и протоками. Морфоствор располагают в наиболее сужен­ ном месте такой поймы с наименьшим числом стариц и проток.

На некоторых полуторных реках с блуждающим руслом русло­ вая зона приподнята над долиной, вследствие чего при выходе воды на пойму поток растекается, образуя выпуклую поверхность

70