3. Задачи и виды инженерно – гидрологических работ

Инженерно – гидрологические работы состоят из гидрометрических и морфометрических работ.

Гидрометрические работы предусматривают измерение водного потока для определения его гидрологических характеристик и осуществляется в период половодья или паводка. Морфометрические работы заключаются в определении количественных соотношений между морфометрическими и гидравлическими характеристиками русла и поймы реки.

1. Морфометрические работы

Морфометрические работы включают установление уровней воды в реке, коэффициент шероховатости русла и пойм, данных о ледовом режиме реки характере руслового процесса.

При морфометрических обследованиях топогорофо – геодезические работы включают съемку планов мостовых переходов, съемку продольного профиля реки, разбивку и съемку морфометрических створов.

Морфостворы – сечения поперек реки в пределах разлива высоких вод.

Для определения расхода водотока профиль морфоствора разделяют на участки с разнообразными условиями по глубине воды и характеру растительности, при этом главное русло выделяют в самостоятельный участок.

Расход воды Q (м³/с) при различных уровнях может быть подсчитан путем суммирования расходов по отдельным участкам морфоствора.

ω – площадь живого сечения реки, м²;

υ – средняя скорость течения реки м/с, на каждом участке морфоствора вычисляют на основе формулы Шези

С – коэффициент Шези по формуле Н.Н. Павловского

С=1/пR^y

R – гидравлический радиус – можно заменить средней глубиной h_ср для рек у которых глубина намного больше глубины, тогда формулу Шези можно записать в виде:

где поправка cos α – учитывает косину потока, если угол отклонения струй от нормали к створу α ≥ 6⁰.

n – коэффициент шероховатости – характеризует сопротивление движению воды, которое зависит для главного русла от формы, извилистости, растительности на берегах и слагающего грунта, а для пойм – от характера. Высоты и густоты растительности.

у – показатель степени, зависит от п и гидравлического радиуса R (средней глубины h_cp).

Следовательно, для определения расходов воды в реке в процессе морфометрических работ необходимо: снять поперечное сечение реки по морфоствору; установить отметки УВВ; определить уклоны поверхности воды; установить характеристики главного русла и пойм в районе морфоствора, необходимое для определения коэффициента шероховатости.

Уклон водной поверхности реки в паводок в первом приближении можно установить по формуле:

I=I_м(α∙0.5B/B_p+0.95)

I_м – уклон реки в межень;

В – ширина речной долины;

В_р – ширина русла.

По значениям расхода Q = ωυ для различных уровней строят зависимость Q (H) по которой для расходов воды заданных вероятностей превышения Q_p %, находят соответствующие им уровней воды УВВ_р %.

В изучение ледового режима входит установление наиболее ранних и наиболее поздних сроков начала ледостава, первой подвижки льда и ледохода, выявление участков образования зажоров и заторов.

2. Гидрометрические работы

Гидрометрические работы выполняют в два этапа.

На первом этапе разбивают и закрепляют гидростворы, устраивают тросовые перетяжки для измерения скоростей течения вертушками, устраивают гидрологические посты, вышки для засечки поплавков, оборудуют суда для работы с вертушками, производят подводную съемку русла.

На втором этапе во время половодья выполняют измерения уровней воды и скоростей, наблюдения направлений течения, судовых ходов, сплава и ледохода.

Для производства измерений разбивают створы поперек реки, называемые гидростворами. Помимо главного гидроствора, который совмещают с осью мостового перехода, разбивают еще два вспомогательных выше и ниже по течению на расстоянии, примерно равном ширине разлива.

Глубины измеряют наметкой, лотом на лотлине и эхолотом.

Расстояние между промерными вертикалями (отвесными линиями на створе) принимают от 1/10 до 1/15 ширины реки.

Для удобства ведения работ устраивают мостики или люльки, подвешенные на несущем тросе и опорах на берегах реки. На реках более 600 м положение вертикалей фиксируют засечками теодолитом. В зимнее время глубины измеряют со льда.

Для наблюдений за уровнями воды на каждом гидростворе у берегов главного русла устраивают временные водомерные посты в виде водомерных реек или ряда свай, на которые ставят переносную рейку. Нули водомерных реек (головки свай) связывают нивелированием с реперами. Наблюдение производят не менее двух раз в сутки в одни и те же часы. В результате составляют график колебания уровней воды за время работы гидрометрической партии. Зависимость продольного уклона водной поверхности на отдельных участках реки от уровня воды устанавливают двойным нивелированием по кольям, забитым одновременно вровень с поверхностью воды при различных уровнях Н.

Скорость течения измеряют с помощью поверхностных поплавков, при этом определяют и направление течения. Переход от поверхностной скорости к средней на вертикали осуществляют посредством коэффициентов полученных профессором Г.В. Железняковым.

Скорость течения в реках измеряют также гидрометрическими вертушками, глубинными поплавками – интеграторами.

Вертушки отпускают в воду с установленных на гидростворе мостиков, лодок.

Вертикали закрепляют на пойме вехами или поплавками, привязанными к якорям, а в главном русле – размеченными марками на тросе. Одновременно с измерением скоростей с помощью поплавка измеряют угол α отклонение струй от нормали к створу.

С помощью всплывающих поплавков интегралов измеряют средние скорости на вертикалях. Эти поплавки целесообразно использовать в процессе аэрогидрометрических работ для вычисления расхода водотока предварительно определяют расходы на вертикалях. Расходы на вертикалях называют расход воды, проходящей через элементарную площадь живого сечения гидроствора, высота которой это глубина воды h на данной вертикали. При средней скорости на вертикали U_в (м/с) расход на вертикали (м²/с)

q=U_в∙hcosα

α – угол отклонения струй от нормали, учитываемой при α ≥ 6⁰.

Во ВНИИ транспортного строительства создана автоматизированная гидрометрическая измерительная система, состоящая из ультразвукового профилографа язь и электромагнитного скоростемера зонд, размещенных на самодвижущемся плав средстве, управляемом по радио. При перемещении плав средства по гидроствору самописцы приборов фиксируют глубины и скорости течения. Путем пересчета поверхностных скоростей в средние определяют расходы на вертикалях в общий расход.

На основании расходов водотока и скоростей при различных наблюдавшихся уровнях воды строят сводные графики Q(H) и υ_ср (Н) в виде кривых.

После установления для проектируемого мостового перехода максимального расхода определенной вероятности превышения Q_р % можно по графику Q(Н) определить и уровень высоких вод той же вероятности превышения УВВ_р %.