книги / Переходы через водотоки

с более высокими отметками по фарватеру. В этом случае морфоствор намечают по предварительно снятому плану в горизонталях. Русловая часть пересекается нормально, а на поймах створы на­ мечаются параллельно горизонталям.

На конусах выноса без выраженной русловой зоны морфоствор назначают в ущелье в начале конуса. Если русловая зона врезана в конус, то, кроме морфоствора в ущелье, назначают один-два морфоствора в пределах русловой зоны нормально к ее берегам.

Морфоствор для определения расходов воды по установлен­ ным уровням выбирают на наиболее прямолинейном участке рус­ ла реки с поймами наименьшей ширины при направлении течения высокой воды, близком к направлению главного русла. Этот мор­ фоствор располагают в середине участка русла с однообразным уклоном при УВВ.

В сложных случаях (извилистое русло, обширная пойма) на­ значают контрольный морфоствор на расстоянии от основного морфоствора для определения расхода, равном ширине разлива, и, во всяком случае, не менее половины этой ширины для обеспечения различия в морфологических условиях прохода паводка.

Морфоствор для распределения расчетного расхода располага­ ют с верховой стороны от трассы мостового перехода в непосред­ ственной близости от нее. Этот морфоствор может не удовлетворять другим требованиям, но должен отражать распределение между руслом и поймами расчетного расхода воды, подходящего к мосто­ вому переходу.

При съемке морфоствора одновременно снимают ситуацию местности по 100 м в каждую сторону от морфоствора, а также

ведут подробное описание ситуационно-морфологических особен­ ностей русла и поймы. К последним относятся: наличие на пойме староречий, проток, озер, спрямляющих течений, прорывов пере­ шейков излучин русла, постоянно действующих водотоков; нали­ чие на пойме по створу, выше и ниже его — травы, кустарника, ле­ са, их густота и высота, а также степень залесенности площади поймы, наличие на пойме построек, насыпей и различного рода сооружений; характеристика грунтов в русле реки и на незадернованных участках поймы с указанием крупности их фракций.

Пример оформления морфоствора приведен на рис. IV-5, б.

Об интенсивном течении и направлении струй на участках пой­ мы можно судить по оставшимся после половодья корягам и от­ дельным поваленным деревьям; по крупности аллювия, отложен­ ного в виде вытянутых по течению песчано-галечных кос; по во­ ронкообразным размывам грунта, образующимся у основания круп­ ных деревьев.

По рельефу и ситуации местности, а также по опросам старо­ жилов изыскатель должен восстановить картину прохода павод­ ков в районе перехода при разных уровнях, так как иногда нерас­ четные по высоте паводки могут создать неблагоприятные условия для отдельных сооружений мостового перехода вследствие образо­ вания водоворотов и местных сосредоточенных течений.

71

Рис. IV-5. Пример оформления чертежа к морфометрическому расчету: а — зависимости:

'-Срусла“/<Яу>; 2-C s=/(tfy>: 3 - ^ усла-/(Я у ); 4 i= /(Яу );

б — профиль морфоствора

На крупных реках со значительным меженным расходом при морфометрическом обследовании желательно произвести два-три измерения скоростей течения в русле поплавками или вертушкой, сопровождая их измерениями уклонов по урезным кольям

(см. гл. III).

Такие измерения дают возможность установить начальную точ­ ку для построения кривой расходов, а также значения коэффициен­ тов шероховатости при межени. На всех морфостворах должны быть взяты пробы для гранулометрического анализа руслового ал­ лювия.

72

Кроме того, в поле необходимо определить размеры наиболее крупных камней и среднюю крупность русловых отложений (ви­ зуально). При этом необходимо отличать русловые отложения, транспортируемые потоком, от местных отложений боковых при­ токов и оврагов или отдельных камней, скатившихся в русло со склонов.

Русловые отложения, как правило, отличаются большей окатанностью и разнообразием петрографического состава.

Крупность аллювия, отложенного на повороте русла, может не соответствовать действительной крупности влекомых в паводок на­ носов, так как на плесах при спаде воды откладываются мелкие фракции, покрывающие более крупные, которые двигаются при УВВ.

При пересечении конусов выноса селевых водотоков необходи­ мо собрать сведения о повышении отметок конуса выноса за счет отложения наносов, а также о дроблении и разработке отдельных разветвлений русла в пределах конуса выноса.

Свидетельством наращиваний конуса выноса являются занесенныеяаллювием существующие искусственные сооружения, а так­ же деревья с занесенной нижней частью ствола.

§ 15. ОСОБЕННОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ПО МО'РФОСТВОРАМ

Для определения скоростей течения и расходов воды, кроме продольного профиля реки и профиля морфоствора, необходим си­ туационный план участка реки с характерными отметками рельефа пойм (гребней современных и старых прирусловых валов, дна староречий и крупных ложбин между прирусловыми валами). По такому плану устанавливают ход наполнения и опорожнения пой­ менного массива при подъеме и спаде паводка. Очень часто пойма начинает затопляться паводочной водой с низовой стороны в за­ висимости от лимитирующей высоты прирусловых валов, и до опре­ деленного уровня в заполненных водой пониженных местах мор­ фоствора течения нет.

Течения возникают сначала на отдельных участках поймы при переливах воды через пониженные места современного прирусло­ вого вала, а затем с повышением уровня воды и затоплением как верхового, так и низового прирусловых валов, а также внутрипойменных водоразделов начинает работать вся пойма; уровень воды, соответствующий этому началу, называют обычнотранзитным уровнем.

Однако при транзитном и более высоких уровнях воды в замк­ нутых глубоких старицах или ложбинах между гривами, направ­ ление которых не совпадает с направлением транзитного течения, остаются неработающие «мертвые» площади, которые исключают из расчета. Исходя из условия гидродинамического затенения [35] максимальную глубину воды от расчетного уровня, при которой

73

может происходить течение в замкнутых старицах и ложбинах, определяют приближенно по формуле

бина старицы или ложбины в бровках, то гидродинамическое за­ тенение отсутствует и мертвой зоны в данном месте морфоствора нет.

На том же плане, руководствуясь рельефом поймы и направле­ нием основных проток, вычерчивают линии основных пойменных течений, образующихся после достижения транзитного уровня во­ ды. Пересечение этих линий с морфоствором определяет углы ко­ сины струй ак; косинус этого угла является поправкой к величине расхода воды в данном отсеке створа или на данной вертикали.

Построением линий пойменных течений решается также вопрос о продольном уклоне свободной поверхности потока на пойме. Этот уклон для меандрирующих рек может быть значительно боль­ шим, чем уклон, определенный по продольному профилю русла, так как расстояние, измеренное между двумя створами по линии пойменного течения, будет короче расстояния по руслу.

После того как будут установлены неработающие участки пло­ щади живого сечения морфоствора и углы подхода струй к нему, производят разбивку морфоствора на расчетные отсеки, каждый из которых отражает более или менее однообразные условия про­ текания воды.

Местная ситуационная характеристика не всегда определяет сопротивление движению воды на данном пойменном отсеке мор­ фоствора.

Наличие выше или ниже по течению от морфоствора участков с большей шероховатостью, чем принятая для данного отсека, не

где /ф — среднее расстояние по направлению течения от морфо­ створа до границы участка с повышенной шероховатостью, м\ hu— средняя глубина воды на границе участка с повышенной шероховатостью, м\ 11 — коэффициент, учитывающий гидро­

динамическое затенение.

Если участки с повышенной шероховатостью расположены с обеих сторон от морфоствора, то при соблюдении в каждую сторону условия (IV-13), среднее расстояние /ф' между границами верхо­

74

вого и низового участков с повышенной шероховатостью должно быть округлено

/ф^ЗОЛп. (IV-14)

Наличие выше или ниже морфоствора участков с меньшей ше­ роховатостью, чем принятая для данного отсека, на условия проте­

кания воды не влияет.

Если условия (IV-13) или (IV-14) не соблюдены, то расчетное значение шероховатости яр принимают равным:

где rii — коэффициент шероховатости, принятый для данного от­ сека; п2— коэффициент для участка с большей шероховатостью; 1фи Ап — имеют прежние значения;

б) при несоблюдении условия (IV-14)

(п2'— ni) (30АП— /ф)

(IV-16)

30АП

где /ф', п\ и Ап — имеют прежние значения; п2 — среднее значение

шероховатости для участков с повышенной шероховатостью вы­ ше и ниже морфоствора.

При выходе потока из русла на пойму происходит взаимодей­ ствие руслового и пойменного потоков, сопровождающееся умень­ шением скоростей течения в русле и увеличением их на участках поймы, примыкающих к руслу.

Это явление, вызываемое передачей части энергии руслового потока пойменному и потерями ее на образование вихрей по линии раздела обоих потоков, было впервые установлено Г. В. Железняковым [42] и получило название кинематического эффекта безна­ порного потока.

Г. В. Железняковым было установлено также, что уменьшение скорости течения в русле происходит до некоторого уровня затоп­ ления поймы, выше которого скорость снова возрастает и зависи­ мость vv — /(Я у) имеет вид, изображенный на рис. IV-6, а.

Начало уменьшения скоростей в русле соответствует некоторой глубине затопления пойм; по исследованиям В. Н. Гончарова [35], влияние кинематического эффекта ощущается при затоплении пойм на глубину, превышающую на ~20% среднюю глубину русла в бровках.

Влияние кинематического эффекта на скорости течения в есте­ ственных руслах очень сложное; оно зависит от направления пой­ менного потока относительно руслового, от отношения расходов и глубин в русле и на пойме, высоты прируслового вала и других,

75

Рис. IV-6. Влияние кинема­ тического эффекта на изме­ нение скоростей течения в русле реки:

а — при наличии двух зон — уменьшения и увеличения

то же, в зоне уменьшения ско­ ростей; 3 — то же, в зоне уве­ личения

еще недостаточно исследованных причин. При мощном пойменном потоке, идущем под углом к русловому, восстановления скорости в русле после ее наибольшего уменьшения .может не произойти и зависимость ор = /(Я у) будет иметь вид, показанный на

рис. IV-б, б.

Изменение скорости течения в русле, не связанное с изменением уклона и не соответствующее изменению средней глубины, соглас­ но уравнению Шези, должно зависеть от изменения параметра С.

Обозначим для русла в бровках СбР и выше бровок Скэ, тогда Ска == |СбР, где коэффициент | должен учитывать влияние кине­

матического эффекта и по предыдущему быть переменным: для зо­

Таким образом, для морфометрических расчетов учет кинема­ тического эффекта может быть сведен к изменению коэффициента шероховатости русла.

Для коэффициента | предложено несколько зависимостей. Так, например, С. И. Агасиева и А. Ш. Барекян {1] дали для речных русел зависимость

Лпб ”Г ^*бр

где ЛПб— глубина воды над пойменной бровкой; #бр — средняя глубина русла в бровках.

76

Д. Е. Скородумов (120] предложил зависимость, учитывающую большее число факторов

щадь живого сечения русла.

Однако обе зависимости, учитывая лишь уменьшение скорости в русле, не отражают последующее восстановление ее, так как зна­ чение g по (IV-18) и (IV-19) получается всегда меньше единицы.

До настоящего времени нет уравнения, определяющего в явном виде влияние кинематического эффекта на изменение русловой ско­ рости в обеих зонах (рис. IV-6, а). Это влияние необходимо учи­ тывать при увязке расходов, полученных на морфостворах, для которых углы пересечения руслового и пойменного потоков, а так-

Апб же отношения *-------различны.

#бР Такой учет возможен путем назначения больших значений ко­

эффициентов шероховатости при больших углах пересечения и

Если в районе проектируемого перехода работает гидрометри­ ческая станция, хотя бы с коротким периодом наблюдений, то мож­ но использовать их для уточнения шероховатости русла. Так как данные об уклонах часто отсутствуют, то вместо величины яр мож­

= у (# у) и использовать ее для контроля расчета русловой скоро-

щ

сти на морфостворе.

Среднюю скорость течения воды на каждом пойменном отсеке морфоствора вычисляют по формуле (IV-9) с учетом зависимости /= /(Я у ), которую строят, используя уклон при межени и уклоны при УВВ, определенные по продольному профилю. Также опреде­ ляют среднюю скорость для руслового отсека и отсеков проток и

9 П

рукавов при w ^ 30,где ^ — ширина их русел в метрах при дан­

ном уровне; если для этих русел—— < 3 0 ,то' скорости вычисляют

по формуле (IV-2).

77

Для горных потоков различных типов [125] от водных потоков большой мутности с объемным весом > 1 до турбулентных селей применяют для расчета скорости течения формулу М. Ф. Срибного

где Я и i имеют прежние значения; ас— коэффициент внутреннего сопротивления в потоке; для воды ас=1, для селевого потока* коэффициент ас определяют по формуле

Удельный вес материала наносов определяют по образцам на­ носов, взятым в натуре; обычно он бывает в пределах: 2,65 т/ж3 (кварцит) — 2,75 т/м3 (гранит).

Объемный вес селевой массы [18, 148] может быть принят с уче­ том визуальной характеристики отложенной селевой массы и дан­ ных опроса местных жителей, наблюдавших прохождение селя:

Объемный вес массы потока зависит от весового содержания в ней взвешенных наносов. Связь объемного веса с содержанием наносов в потоке выражается следующей приближенной фор­ мулой:

где 5 П— мутность потока, т/м3.

По этой формуле для турбулентных селей предельное значение Sn~0,83 т/м3\ дальнейшее увеличение содержания наносов изме­

няет качество селя, делая его связным с ламинарным режимом дви­ жения. Расчеты связных .селей выполняют по специальным нормам.

Так как коэффициент яс> 1 , то по М. Ф. Срибному для селевых турбулентных потоков сопротивление всегда больше, чем для вод­ ных потоков. Однако по исследованиям Е. К. Рабковой, селевые потоки, насыщенные мелкоземом, имеют меньшее сопротивление, так как выступы дна кольматируются мелкими частицами и физи­ ческая шероховатость уменьшается. Этот вопрос еще недостаточно изучен. И. И. Херхеулидзе [149] предложил для максимальной ско­ рости движения турбулентных селей формулу

где Я — средняя глубина, м\ гд — уклон дна водотока.

78

Можно также приближенно определить эту скорость по форму­ ле Г. И. Шамова, преобразованной И. В. Боголюбовой [18],

Результат вычисления скоростей сечения в главном русле реки по формуле (IV-9) должен быть проверен но формуле (IV-8) при УВВро/0, если для морфоствора есть данные о гранулометрическом составе аллювия, слагающего русло реки. При расхождении ре­ зультатов обоих вычислений предпочтение отдают результату, по­ лученному по крупности аллювия.

По принятым значениям русловых скоростей течения строят за­ висимость Урусла=/(Яу). Расходы воды для каждого отсека мо*р-

Величины Qs вычисляют для нескольких уровней и строят мор­ фометрическую зависимость Qn=f(Hy). Пример оформления за­ висимостей v =■ f (Ну) , Q2 = /(Я у) и др. приведен на рис. IV-5, а.

Наибольшую трудность составляет определение скоростей те­ чения на обширных поймагх меандрирующих рек. Если известен суммарный расчетный расход воды Qs и соответствующий ему уро­ вень (например, поданным ближайшего к морфоствору водомерно­ го поста), пойменный расход на морфосгворе может быть опреде­ лен как разность Qn = — Qp , где Qp— расчетный расход глав­ ного русла по морфометрическому расчету.

Расчеты скоростей течения и расходов воды по отсекам морфо­ створа удобно выполнять на ЭВМ, вводя в машину информацию для нескольких вариантов коэффициентов шероховатости, что особенно целесообразно для морфостворов с большим числом отсеков и при распределении по морфоствору известной величины расхода для из­ вестного уровня воды.

79

§ 16. ОБСЛЕДОВАНИЕ РЕКИ ПРИ ТРАССИРОВАНИИ ДОЛИННЫХ ХОДОВ

Трассирование дороги в пределах долины реки вызывает необ­ ходимость определения отметок расчетных уровней воды УВВР% на всем протяжении долинного хода.

Определение УВВр /о следует делать сначала камерально до производства полевых работ по имеющимся картографическим и гидрологическим материалам, чтобы наметить положение трассы по возможности вне пределов разлива паводочных вод.

Продольный профиль реки в этом случае составляют по топо­ графическим картам крупных масштабов; отметки УВВр0/0 опреде­ ляют по данным наблюдений на водпостах, а за отсутствием их подбором расхода QP%по сечениям, снятым с карты в характерных местах долины реки. Величины Qp% определяют по генетическим

формулам.

Такое предварительное определение отметок УВВР%необходимо также для составления программы полевого морфометрического обследования реки на протяжении долинного хода. Продольный

земляное полотно, в поле выполняют дополнительное обследование для расчета скорости течения вдоль насыпи, высоты ветровой вол­ ны, ледохода на пойме, руслового процесса и выпуска воды из части пойменной акватории, отсеченной насыпью проектируемой дороги.

Особенностью съемки продольного профиля реки для долинного хода трассы является большая протяженность его (десятки, а иногда и сотни километров). Поэтому основой съемки служит тео­ долитный ход трассы, к которому привязывают нивелировку урезов ©оды, мбрфостворы и план русла реки.

Для правильного переноса отметок УВВР%от русла реки на трассу по картографическим материалам составляют ситуацион­ ную схему долины реки, на которой показывают: трассу дороги, рус­ ло реки с отметками УВВР%, устья притоков, все гидротехнические сооружения и мосты, положение населенных пунктов, водомерные посты, морфостворы, границы разлива, растительности и розу ветров.

Впиду сложности переноса отметок УВВр0// от свободно меандрирующего русла или русла с незавершенным меандрированием к трассе, проходящей вблизи границ обширной поймы, на ситуацион­ ной схеме долины реки показывают также линии переноса этих от­ меток.

В случаях перекоса водного зеркала на лолугорных блуждаю­ щих реках по отметкам УВВ, установленным на обоих берегах до­ лины, определяют величину перекоса и затем на ситуационной схе­ ме проводят горизонтали водной поверхности при расчетном УВВро^ Скорости течения на пойме вдоль речного откоса подтопляемого земляного полотна определяют по морфостворам, снимаемым на

участке подтопления.

80