8905
.pdf
21
Топографический план дна русла реки.
Составляется в горизонталях (линии равных высот берега) и изобатах (линии равных глубин русла), см. рис.
Рис. 3.6 - План участка реки:
1 – изобаты; 2 – горизонтали (линии равных высот берега); 3 – ось судового хода; 4 - магистраль
Продольный профиль реки.
Составляется для того, чтобы знать уклоны водной поверхности,
|
|
судить о характере изменения вдоль |
|
|
Dh |
русла глубин, уклонов дна и проч. |
|
|
|
h |
|
i |
|
i = |
|
|
l |
||
|
|
||
|
|
|
|
l
поверхности воды на участке реки. Рис. 3.7 – Продольный профиль
реки
Замеряют h путем нивелирования урезных кольев, которые забивают в характерных местах реки (перекат, плес, порог, остров, мост) вровень с уровнем воды. Урезные колья связываются с реперами опорной сети, отметки которых известны. В результате получают профиль свободной
22
3.2 Измерение скоростей течения
Скоростью течения называется путь, который частица воды проходит в единицу времени. Течение в реке вызывается силой тяжести воды, которая движется по руслу под уклон с высоких мест (от истока) на низкие (к устью реки). Ее скорость возрастает с увеличением продольного уклона реки и снижается на участках с более шероховатым руслом. Ввиду подтормаживающего действия поверхности русла скорости течения вблизи дна и берегов меньше, чем у поверхности или на середине реки.
Движение воды в реках почти всегда турбулентное. Неровности дна русла (выступы, камни, гряды) вызывают завихрения (вращение) масс жидкости, которые, отрываясь от дна, перемещаются во всей толще потока и создают пульсации скорости около некоторого осредненного значения с относительно большим периодом времени. Поэтому для более точного определения осредненной во времени скорости при гидрометрических работах ее фиксируют в каждой точке не менее, чем 100 с.
Распределение скоростей в потоке
- по вертикали
0.6h
Эпюра равномерного |
|
|
потока |
Uпов=max |
|
Vср |
h |
Vдно |
|
Постепенное уменьшение скорости от поверхности к дну происходит из-за шероховатости ложа потока. Придонная скорость равна нулю, затем происходит скачек скоростей от нуля до значительной величины VДН (см. рис.) в непосредственной близости от дна – в пограничном слое. Этот слой чрезвычайно мал, доли миллиметра, меньше диаметра песчинок.
Vветра |
При действии |
|
ветра против |
Vmax |
течения |
|
0,4h
При ледяном покрове 
лед
Vmax
h
Рис. 3.8 - Эпюры скоростей по вертикали
23
- по ширине русла
Обрыв (крутой берег)
Х
Х
Х
Х
Рис. 3.9 - Эпюры скоростей в плане
- по живому сечению
Представление об этом распределении дают изотахи - линии равных скоростей.
Отрытое русло
Русло подо льдом
0,5 
0,4 0,3 0,2 0,1
|
|
лед |
|
|
0,2 |
0,3 |
|
0,3 |
0,2 |
|
0,4 |
0,5 |
0,4 |
|
|
|
|
|
Рис. 3.10 - Эпюры скоростей по живому сечению
При турбулентном режиме в каждой точке потока вектор скорости непрерывно меняет свою величину и направления, происходит пульсация скорости. В связи с этим различают мгновенную скорость и осредненную во времени скорость:
U, м/ с |
|
|
|
|
|
|
|
|
U=f(t) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
Vср |
0 |
dt |
t, с |
|
Рис. 3.11 - Пульсация скорости |
|
Приборы для измерения скоростей течения воды Основными приборами для измерения скоростей течения воды в реках
и каналах являются гидрометрические поплавки и вертушки.
24
Поплавком называют тело, свободно перемещаемое потоком. В речной гидрометрии чаще всего применяют поверхностные поплавки, реже глубинные и поплавки-интеграторы. Поверхностные поплавки применяются для измерения скоростей и направлений течения на свободной поверхности водотока. Они чаще изготавливаются в виде деревянных кружков диаметром 10-30 см, толщиной 3-5 см или крест-накрест небольшими досками и снабжаются флажком для улучшения их видимости (рис. 3.12). Более точно отражают движение поверхностного слоя воды поплавки в виде крестовин из поставленных на ребро досок. В качестве поверхностных поплавков могут использоваться частично наполненные водой бутылки, отдельные куски древесины и другие предметы, плывущие по реке.
Рис. 3.12 - Поплавок
Гидрометрическая вертушка является наиболее распространенным и надежным прибором для измерения скорости течения воды в реках. Метод измерения вертушкой основан на зависимости частоты вращения лопастного винта от скорости набегающего на него потока. Наиболее распространенные конструкции гидрометрических вертушек содержат лопастной винт 1 с контактным механизмом, корпус 2 с электрическими клеммами, стабилизатор (хвост) 3, регистратор частоты вращения (лампочка 4, электрический звонок или электромеханический счетчик) и источник питания 5 (рис. 3.13). Вертушка крепится к штанге 6 или тросу и опускается в заданную точку вертикали. Благодаря стабилизатору вертушка устанавливается навстречу потоку и винт начинает вращаться, вызывая через определенное количество оборотов (обычно через 1 или 20 оборотов) кратковременное замыкание контактов и срабатывание регистратора (мигание лампочки). Наблюдатель подсчитывает количество сигналов (миганий), а затем число оборотов винта N за заданный промежуток времени t (обычно 100с), вычисляет частоту вращения винта n = N/t и через нее по градуированному графику вертушки определяет скорость течения U в точке установки вертушки. На графике показана наименьшая скорость U0 набегающего потока, при которой винт начинает вращаться. Градуировка вертушки представляет собой процесс обратный процессу измерения
25
скоростей течения. При этом определяются частоты вращения винта при разных известных скоростях перемещения вертушки в стоячей воде и по ним строится градуировочная зависимость. В этом случае движение воды заменяется на движение самой вертушки.
Рис. 3.13 - Гидрометрическая вертушка Н. Е. Жестовского
1 - корпус- 2 – ось, 3 — подшипники; 4 — внутренняя упорная втулка; 5- наружная упорная втулка; 6- осевая гайка; 7 - червячная втулка; 8 - лопастной винт; 9 - зажимная муфта, 10 - червячная шестерня; 11 - контактный штифт; 12 — контактная пружина,13 - контактный винт; 14 - токопроводяший стержень; 15 -массовая клемма, 16изолированная клемма; 17 - штепсельное гнездо; 18 - хвостовое оперение; 19 — винт; 20 — зажимные винты; 21 — указатель
Различают два способа измерения скоростей течения воды вертушками: точечный и интеграционный. Точечный способ заключается в измерении скоростей U в фиксированных точках. Эти точки и вертикали, на которых измеряют скорости называют скоростными. При пятиточечном способе скорости измеряют на вертикали: у поверхности, на глубине 0,2h; 0,6h; 0,8h (считая от поверхности воды) и у дна. Среднюю скорость на промерной вертикали равна
U = 0,1(U |
ПОВ |
+ 3U |
0.2 H |
+ 3U |
0.6 H |
+ 2U |
0.8H |
|
|
|
|
+U
ДНО
)
.
Пятиточечный способ (рис. 3.14) обычно применяют при глубине h 1м, трехточечный – при 0,6-1,0 м, двухточечный – при 0,35-0,6 м, одноточечный
– при глубине менее 0,35 м.
26 Uпов
H 0.6H
U0.2H U0.6H U0.8H
Uдно
0,2H
0.8H
Рис. 3.14 – Пятиточечный способ измерений скорости течения воды
Интеграционный способ позволяет измерить сразу среднюю скорость по вертикали, горизонтали (по ширине потока) или по всему живому сечению.
3.3 Измерение расходов
Расход определяется как объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (обычно за одну секунду). С геометрической точки зрения расход можно представить объемом воды, который ограничен свободной поверхностью, плоскостью живого сечения и поверхностью, проходящей через концы векторов скоростей течения. Это водяное тело называется гидрометрической моделью расхода.
Рис. 3.15 – Модель и схема для вычисления расходов
3.4 Измерение твердого стока
Твердым стоком называют переносимый рекой материал или масса взвешенных тонко и мелкозернистых влекомых (перекатываемых) по дну и растворенных химических и биогенных веществ, которые сносятся поверхностным стоком в реки, а также породы, отторгнутые водой от русла и берегов. Наибольший твердый сток среди рек России имеет Терек – до 26 млн. т в год. Твердый сток Волги – 22÷23 млн. т в год, Лены – около 12 млн. т в год.
27
При различных скоростях движения наносы одинаковой крупности могут быть как во взвешенном состоянии, так и во влекомом. Количественное содержание взвешенных твёрдых частиц, которые перемещаются в толще потока, определяется мутностью.
Измерение твердого стока проводят:
-донными батометрами (взвешенные и влекомые наносы);
-пробы донных наносов берут специальными приборами – щупами. Батометры бывают мгновенного и длительного наполнения. В
настоящее время преимущественно используются батометры длительного наполнения, поскольку они дают возможность получить осредненные значения мутности; в противоположность им батометры мгновенного наполнения не в состоянии учесть пульсации в относительной мутности, в связи с чем, они дают искаженные результаты и поэтому имеют ограниченное применение.
Среди батометров длительного наполнения наибольшее использование получили батометры-бутылки. Как видно из рис. 3.16, этот батометр состоит из бутылки, в горловину которой вставлены две трубки: водозаборная и трубка, отводящая воздух; к бутылке для утяжеления крепятся грузы, а если батометр опускается на тросе, то к нему укрепляется еще и хвост. Диаметр трубок, вставляемых в бутылку, сменный: он зависит от скорости течения.
Рис. 3.16 – Батометр-бутылка
Для улавливания донных наносов применяются различные по конструкции батометры, из которых наиболее употребительные батометр «Дон» для улавливания мелких влекомых песчаных наносов и батометр ГГИ (Государственного гидрологического института) для крупных гравелистых и галечных фракций.
28
4 Камеральная обработка
Заключительным этапом инженерно-гидрологических изысканий является камеральная обработка - обработка материалов съемки, их графическая интерпретация и анализ.
Предварительная камеральная обработка всех полевых материалов, а также предварительный анализ всех материалов, выполняются в полевых условиях. В случае, если выявлены неувязки, сомнительные материалы и выбраковки части материалов, назначаются повторные измерения.
На завершающей стадии камерального этапа студенту необходимо представить следующие материалы:
-план поверхностных скоростей течения на участке реки;
-измерить скорости течений поплавками и гидрометрической вертушкой;
-измерить глубины и построить топографический план участка реки;
-измерить твердый сток на участке реки.
5 Требования по составлению отчета
Отчетный материал представляется на белой бумаге формата А4÷А3. Оформление выполняется в рукописном или компьютерном виде. Отчет состоит из следующих разделов:
-задание к обработке гидрометрических данных;
-цель работы;
-обработка промерных наблюдений (построение топографического плана участка реки и поперечных профилей реки);
-разбивка гидрометрического створа
-определение расходов воды методом поверхностных поплавков;
-определение расходов воды с помощью гидрометрической вертушки (построение эпюр распределения скоростей по глубине, определение средних скоростей по вертикали, определение расходов воды в реке);
-определение расходов взвешенных и донных наносов (определение единичных расходов мутности по вертикали; определение элементарных расходов взвешенных наносов; определение расходов взвешенных наносов; определение средней мутности воды в реке; определение элементарных расходов донных наносов; определение полного расхода донных наносов);
-построение графиков величин единичного расхода мутности; элементарного расхода взвешенных частиц, элементарного расхода донных наносов, веса пробы донных наносов;
-отчет об экскурсиях (на ГТС Щелковского хутора; на ГТС Автозаводской водопроводной станции; на берегоукрепление и водомерный пост в месте слияния рек Волги и Оки);
-заключение.
Пример отчета представлен в приложении.
29
Заключение
Учебная практика, изыскательская (гидрометеорологические изыскания) является важнейшей формой обучения студентов, в процессе ее они впервые проводят полевые гидрометрические исследования и знакомятся с объектами в природных условиях. Из большого и разнообразного комплекса гидрологических исследований на долю студента-практиканта приходится производство гидрометрических наблюдений на участке реки.
Студентами на гидрометрическом створе выполняются измерения уровней глубины, скоростей течения воды на поверхности и в глубине. Эти работы не отличаются какой-либо сложностью, однако сознательное, технически грамотное выполнение их требует от исполнителя знаний некоторых теоретических вопросов из курса инженерной гидрологии.
В целом гидрометрические исследования позволяют студентам закрепить на практике теоретические положения курса «Инженерная гидрология. Гидрологические изыскания».
30
Литература
1Федеральный закон от 21.07.1997 N 117-ФЗ "О безопасности гидротехнических сооружений".
2Федеральный закон от 10.01.2002 N 7-ФЗ "Об охране окружающей среды" (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2015).
3Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики. Т. 10. Верхне-Волжский район. – Л. : Гидрометеоиздат.
4СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. (СНиП 2.01.01.-82. Строительная климатология и геофизика).
5СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Актуализированная редакция СНиП 2.01.14-83.
6СП 58.13330.2012 Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003.
7Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. – М.: Колос, 1984. – 432 с.
8Битюрин, А.К. Расчет максимальных расходов воды. Справочные материалы для выполнения курсовых работ и проведения практических занятий по дисциплине «Инженерная гидрология» для студентов специальности 290400 «Гидротехническое строительство» и 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы». – Н. Новгород: ННГАСУ, 2011 – 27 с.
9Гидрология и гидроэкология [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пособие по подгот. к лекциям (включая рекомендации по орг. самостоят. работы), выполнению лаб. работ и курсовой работы, прохождению гидрол. практики по дисциплине "Гидрология и гидроэкология" для обучающихся по спец. 08.05.01 Стр-во уникал. зданий и сооружений, специализация Стр-во гидротех. сооружений повыш. Ответственности / В.В. Агеева, А.К. Битюрин, М.А. Янченко; Нижегор. гос. архит.-строит. ун-т. – Н.Новгород: ННГАСУ,
2016. – 1 CD ROM. Загл. с экрана. – http://сatalog.nngasu.ru/MarcWeb2/.