4.4. Расчетные характеристики речных ледово-термических явлений и процессов

Ледово-термические явления и процессы на реках являются неотъемлемой частью речного гидрологического режима с его внутригодовыми и многолетними проявлениями. В той или иной мере они распространены почти на всей территории России.

Во внутригодовом режиме они проявляются в осенне-зимний и весенний периоды в виде шугохода, осеннего и весеннего ледохода, осенне-зимнего речного стока, ледостава, промерзания водной поверхности, внутриводного льда (донного, наледного и др.), зажоров и заторов льда, подвижек ледяного покрова, припаев льда, наледно-мерзлотных и других явлений.

Расчетные характеристики этих процессов и явлений предопределяют необходимость вариантных проработок основных вопросов по организации и производству строительных работ в части сроков и продолжительности их ведения в эти периоды года, а также сроков и продолжительности использования ледяного покрова для строительства русловых промежуточных опор, монтажа пролетных строений, функционирования ледовых и паромных переправ. Они предопределяют также необходимость проектно-строительных проработок и мероприятий по защите и обеспечению устойчивости временных и вспомогательных сооружений при подвижках ледяного покрова, проходе ледохода и других ледовых воздействиях весеннего периода.

При определении расчетных характеристик ледово-термических процессов и нормировании требований по их расчетам нельзя забывать о том, что эти явления и процессы осеннего-зимнего периода весьма часто бывают причиной осложнения строительных работ.

Анализ действующих нормативно-методических документов, направленных на проектирование и строительство мостов, организацию строительного производства,

проектирование временных и вспомогательных сооружений, учет нагрузок и воздействий [22, 139, 140, 144, 145, 151, 156, 160, 163, 175] показывает, что в них, кроме требований к учету ледовых нагрузок и воздействий и методов их расчета, отсутствуют какие-либо рекомендации по определению исходно-расчетных характеристик этих воздействий.

В строительных нормах и правилах, обуславливающих методы определения гидрологических характеристик [147], геофизику опасных природных воздействий [164], строительную климатологию [144], инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства [170], не рассматриваются состав и методы расчетов ледово-термических характеристик, а сами процессы и явления, предопределяющие эти характеристики, не соотнесены к нормируемым категориям и разновидностям опасных процессов.

В рекомендательных документах на инженерно-гидрометеорологические изыскания [170], изыскания и проектирование мостовых переходов [112] и на определение ледовых нагрузок на опоры мостов [82] отсутствует требуемый для разработки ПОС и ППР состав расчетных характеристик.

В них не рассматриваются целенаправленно и в должном объеме изыскательские работы по инженерному изучению условий формирования ледовых процессов, а содержатся методы расчета для определения лишь отдельных характеристик этих процессов и явлений.

Методы расчета и рекомендации [82] не соответствуют требованиям строительных норм [151] по критериям ВП и их обусловленности зонами водоопасности, а также характеру фактического распределения толщин льда в зависимости от ВП.

Подобное состояние нормативно-рекомендательной базы изысканий, проектирования и гидрологических расчетов обусловило необходимость проведения исследований по изучению и обобщению особенностей проявления расчетных характеристик ледово-термических процессов и явлений в осенне-зимний и весенний периоды, определению их требуемого состава для проектирования организации и производства строительных работ и разработке наиболее полных рекомендаций по расчету этих характеристик.

По результатам изучения особенностей формирования ледово-термических процессов и явлений и их пространственно-временного проявления в осенне-зимний и весенний периоды года, анализа результатов предшествующих исследований [1, 11, 12, 42, 66, 84, 91, 95, 108, 173] и научно-методических разработок [54, 55, 72, 75, 76, 82, 112, 156, 175],

а также обобщения многолетнего опыта проектирования ведущих проектных организаций (Гипротрансмоста, Союздорпроекта, Мосгипротранса и др.) представилось возможным определить общий состав и разновидности расчетных характеристик этих процессов и явлений, необходимых для полноценной разработки ПОС и ППР и конструктивно-технологических решений в их составе по устройству и внутригодовому функционированию временных и вспомогательных сооружений.

В этом составе требуемых расчетных ледово-термических характеристик, условий их формирования и проявления в осенне-зимний и весенний периоды в части сроков начала и окончания, продолжительности, уровенного и ледового режимов и других, сопряженных с ними гидрологических характеристик, подлежат расчетам и обоснованиям следующие из них:

• максимальные и минимальные годовые расходы и уровни воды этого периода требуемой нормативной ВП и соответствующие им глубины и скорости течения воды;

• продолжительность периода свободного ото льда, уровни и даты появления ледовых образований (начала осеннего ледохода, начала ледостава, начала весеннего ледохода, очищения ото льда);

• период возможного прохождения осеннего ледохода, образования шуги и заберегов; размеры и траектории плывущих льдин и их максимальная толщина, отметки уровней ледохода;

• даты начала и окончания ледостава, сведения о характере и уровне ледостава, максимальная и минимальная ежегодные за зимний период толщины льда нормативной ВП, относительная с учетом влияния снега и приведенная толщины ледяного покрова, количественные характеристики изменения во времени толщины льда и его структуры (игольчатой, рыхлой, раковистой, прозрачной, мутной); глубина промерзания воды в русле реки, возможность и условия проявления торосов, пропарин, полыньи и других явлений, препятствующих пропуску транспортных средств, механизмов и оборудования;

• места проявления пойменно-береговых и прирусловых наледей, их размеры и другие характеристики;

• оценка возможности проявления зимних половодий, расходы и уровни воды и соответствующие им глубины и скорости течения;

• уровни и даты проявления первой, высшей и низшей подвижек льда в весенний период (УППЛ);

• уровни высокого и низкого весеннего (зимнего) ледохода и карчехода, даты их начала и окончания, размеры льдин и карча, их траектории движения, продолжительность и интенсивность, скорости течения и глубины воды, влияние ветровых воздействий и нагонов;

• условия образования ледяного покрова на староречьях, озерах, ручьях, расположенных на поймах, расчетные характеристики ледяного покрова, возможность всплытия льда и его движения к возводимым сооружениям;

• возможность появления в районе строительства зажоров и заторов льда и карча, места образования и уровни воды при этих явлениях, распространение этих уровней, льда и карча на временные и вспомогательные сооружения;

• максимальные годовые уровни и расходы воды весенне-летних половодий требуемой ВП и соответствующие им скорости течения и глубины воды, продолжительность стояния пика половодья, уровни и расходы воды при отметке выхода ее на поймы, длительность стояния высоких вод над отметкой рабочего уровня воды, частота затопления пойменно-прибрежных массивов и другие характеристики, более подробно рассматриваемые далее в подгл. 5.1 и 5.2;

• возможность остаточного влияния внутриводного льда (донного, прибрежного, наледного, озерного и других разновидностей) на увеличение уровней весеннего (зимнего) половодья, толщина, степень стеснения живого сечения и другие характеристики этого льда применительно к рекам, промерзающим в зимний период до дна русла.

Особенности организации и производства строительных работ обуславливают необходимость определения всех этих ледово-термических характеристик, а также условий их формирования и проявления применительно к участку предполагаемого размещения всех шести групп временных и вспомогательных сооружений, чтобы обеспечить вариантную проработку по выбору наиболее целесообразных мест устройства этих сооружений и конструктивно-технологических решений по восприятию опасных воздействий ледово-термических процессов и явлений и своевременной защите от них этих сооружений.

Основные характеристики этих процессов и явлений, а также меры защиты временных и вспомогательных сооружений от их воздействий рассмотрены автором данной монографии в работе [106]. Одним из основных требований по определению расчетных ледово-термических характеристик следует считать обоснование выбора и назначения критериев ВП по заблаговременному учету степени опасности проявления этих характеристик в период строительства. Основные положения и результаты исследования по обоснованию этих критериев ВП будут рассмотрены в подгл. 5.1.

Наиболее репрезентативные расчетные ледово-термические характеристики могут быть получены на водомерных постах и метеостанциях, расположенных в непосредственной близости от створа строящегося объекта.

При этом к анализу должны привлекаться все исходные данные независимо от продолжительности наблюдений.

Особое значение для определения расчетных ледово-термических характеристик имеют результаты краткосрочных полевых обследований и опросы местных жителей, которые позволяют получать важную исходную информацию, трансформируемую вероятностными и интерполируемыми методами в расчетные характеристики.

Наблюдения на отдаленных водпостах отражают менее репрезентативные данные, которые подлежат тщательному анализу их возможностей по отражению пространственно-временных изменений расчетных ледово-термических характеристик вдоль реки.

Они могут быть использованы для установления года проявления особо редких явлений и процессов и их ВП, высоких уровней и расходов воды весенних половодий, но не таких характеристик, как толщина льда, уровень весеннего ледохода (УВЛ), размеры льдин, условия заторообразования и некоторых других, имеющих особенности специфических местных проявлений.

Данные отдаленных водпостов и водпостов, расположенных на смежных реках, целесообразно использовать для определения дат начала и окончания проявления расчетных характеристик на основе обработки данных их многолетних наблюдений и использования метода географической интерполяции. Эти данные, как и данные близлежащих водпостов, рекомендуется корректировать официальными прогнозами Роскомгидромета, местных его управлений и прогнозами МЧС.

Анализ многолетней практики проектирования позволяет установить, что вероятностные методы определения РУВВ, УППЛ, УВЛ, толщин льда, заторных уровней воды должны основываться на построении и анализе эмпирических кривых распределения ВП этих характеристик с использованием формулы [147]:

(19)

где m - порядковый номер исследуемой характеристики;

п - общее количество членов ряда этих характеристик.

Использование этой формулы, в отличие от всех других известных формул, не вызывает искусственного приближения первых точек исследуемого ряда наблюдений к редким ВП.

С ее помощью может быть также определена ВП исследуемой гидрологической характеристики, установленной по опросам местных жителей или следам (меткам) от прошедших в прежние годы карчехода, ледохода или их заторов.

Признаки и методы определения этих характеристик более подробно рассматриваются в работах ряда авторов [12,74,79,93].

В этих целях использования формулы (18) она может быть представлена в следующем виде:

(20)

где n_п - период (число лет), в течение которого исследуемая характеристика не была превышена.

Величины гидрологических характеристик требуемой ВП (X_р), исследуемых такими способами, могут быть получены с применением формулы:

Х_р = Х_н О_р/О_н, (21)

где X_р - расчетная величина, в качестве которой могут рассматриваться h_л, УВЛ, УППЛ и другие ледово-термические характеристики;

О_н - ордината кривой распределения ВП, соответствующая ВП наблюденной (зафиксированной) величины характеристики (Х_н);

О_р - ордината той же кривой требуемой ВП.

При определении О_н и О_р рекомендуется использование диапазона ординат индивидуальных или нормативных кривых, аппроксимируемых эмпирические распределения ВП исследуемых характеристик Х_н с учетом признаков, характера и параметров асимметричности этих распределений.

При наличии на реках водомерных постов с длительными рядами измерений годовых максимумов гидрологических характеристик их расчетные величины принято определять по графическим или аналитическим кривым распределения вероятностей превышения этих характеристик, основанным на анализе характера асимметричности и параметров соответствующих эмпирических распределений.

Следует отметить, что методы определения максимальных расходов и уровней воды по многолетним рядам наблюдений получили свое достаточно полное освещение в трудах ряда ученых (Д.Л. Соколовского, С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, Е.В. Болдакова, Е.Г. Блохи-нова, Б.Ф. Перевозникова, Л.Ф. Сотниковой и др.) и регламентированы СП 33-101-2003 [147].

Применительно к расчетным гидрологическим характеристикам ледового режима рек такие исследования ранее не проводились, а методы определения этих характеристик по многолетним рядам их наблюдений не нормированы. Именно это обстоятельство и потребность более обстоятельного обоснования выбора расчетных кривых распределения ВП требуемых характеристик ледового режима рек обусловили необходимость постановки и проведения соответствующих исследований.

В рамках этого исследования для обоснования выбора расчетно-прогнозных кривых распределения вероятностей превышения основных гидрологических характеристик осенне-зимнего и весеннего периодов был выполнен анализ особенностей характера эмпирических кривых распределения вероятностей превышения этих характеристик по 30 рекам с различными условиями формирования и проявления их внутригодового речного стока (p. p. Дону, Костроме, Вятке, Суре, Сакмаре, Мологе, Хопру, Бурее, Кубани, Оке, Белой, Уфе, Ветлуге, Шексне, Тверце, Унже, Бузулуку, Туре, Нице, Тоболу, Ковже, Осуге, Иртышу, Хору, Амуру, Зее, Онону, Шилке, Аргуни и Уссури).

Этому анализу подлежали наибольшие годовые уровни начала весеннего ледохода (УНВЛ), уровни весеннего ледохода (УВЛ), уровни очищения рек ото льда (УООЛ), уровни начала осеннего ледохода (УНОЛ), уровни начала ледостава (УНЛ), продолжительность периода свободного ото льда, максимальная в зимний период толщина льда (h_л).

Наиболее характерные эмпирические кривые распределения вероятностей превышения этих исследуемых гидрологических характеристик отражены на рис. 8-14.

В основу сопоставительного анализа были положены 99 эмпирических кривых распределения вероятностей превышения вышеуказанных гидрологических характеристик, построенных с использованием формулы (19) и ранжированно-вероятностной обработки 4029 годовых максимумов этих исследуемых характеристик (табл. 7).

Таблица 7

Исследуемые характеристики	Количество кривых распределения ВП	Общее количество годовых максимумов
hл	11	268
УВЛ	16	838
УООЛ	15	646
УНЛ	15	583
УНОЛ	15	557
УНВЛ	15	655
Продолжительность периода свободного ото льда	12	482

В результате этого анализа было установлено, что эмпирические кривые ВП исследуемых гидрологических характеристик осенне-зимнего и весеннего периодов по характерным признакам асимметричности подразделяются на три типа кривых:

первый тип - со слабо выраженной асимметрией;

второй тип - нормального распределения или близкого к нему;

третий тип - с положительной асимметрией.

Из 99 исследуемых кривых 22 соотносятся к первому типу, 29 - ко второму типу и 48 - к третьему типу (табл. 8).

Эти особенности характера исследуемых эмпирических кривых распределения ВП обуславливают необходимость индивидуального подхода к их аппроксимации в виде расчетно-прогнозных аналитических, графоаналитических или графических зависимостей.

Рис. 8. Наиболее характерные кривые распределения

ВП уровней начала весеннего ледохода

Рис. 9. Наиболее характерные кривые распределения

ВП уровней высокого весеннего ледохода

Рис. 10. Наиболее характерные кривые распределения

ВП уровней очищения рек ото льда

Рис. 11. Наиболее характерные кривые распределения

ВП уровней начала осеннего ледохода

Рис. 12. Наиболее характерные кривые распределения

ВП уровней начала ледостава

Рис. 13. Наиболее характерные кривые распределения

ВП продолжительности периода свободного ото льда

Рис. 14. Наиболее характерные кривые распределения

ВП максимальных за зиму толщин льда

Таблица 8

Особенности характера исследуемых кривых распределения ВП гидрологических характеристик осенне-зимнего и весеннего периодов
Распределения с признаками отрицательной асимметрии	Распределения нормальные или близкие к нормальным	Распределения с признаками положительной асимметрии
Количество кривых распределения
УНВЛ
1	5	9
УВЛ
6	4	6
УООЛ
7	5	3
УНОЛ
1	3	11
УНЛ
3	4	8
Продолжительность периода свободного ото льда
3	3	6
Толщина льда hл
1	5	5

В качестве таких зависимостей автором была исследована возможность применения параболических кривых и кривых нормального распределения ВП изучаемых гидрологических характеристик (см. рис. 8-14).

Эти кривые достаточно полно соответствуют эмпирическим точкам годовых максимумов и характеру асимметричности всех трех типов исследуемых эмпирических распределений. Они восполняют пробел в нормативных рекомендациях СП 33-101-2003 [147], не предусматривающих расчеты исследуемых гидрологических характеристик, и не исключают дальнейших исследований по анализу эмпирических кривых распределения ВП этих и других гидрологических характеристик внутригодового режима рек и по обоснованию соответствующих расчетных кривых.

При изучении особенностей уровенного режима весеннего половодья и ледохода был выполнен анализ возможных соотношений максимальных годовых уровней воды этих половодий (УВВ) и ледохода (УВЛ). Анализу подлежали УВВ и УВЛ по 26 створам 25 рек, расположенных в различных районах и имеющих достаточно надежные данные многолетних наблюдений. Общее количество членов рядов УВВ и УВЛ по этим створам составило 2248 годовых максимумов.

По результатам этого анализа установлено, что на большинстве створов исследуемых рек соотношения УВВ и УВЛ (рис. 15) характеризуются весьма большими коэффициентами корреляции (табл. 9), изменяющимися в диапазоне от 0,956 (р. Тобол, с. Звериноголовское) до 0,645 (р. Ветлуга, г. Ветлуга). На 9 створах из 26 коэффициенты корреляции имеют меньшие величины, изменяющиеся в диапазоне от 0,560 (р. Ока, г. Муром) до 0,240 (р. Хопер, ст. Поворино).

Выявлено, что основной причиной проявления низких коэффициентов корреляции являются растянутые по времени гидрографы половодий при несовпадении по ряду лет УВЛ и УВВ на 5-8 дней и более. Так, на р. Хопре, ст. Поворино из 38 лет непрерывных наблюдений в 34 годах разница в датах проявления УВЛ и УВВ составила более 7 дней. На р. Шилке, г. Сретенск из 39 лет таких наблюдений эта разница в более 7 дней имела место в 29 годах.

Результаты выполненного анализа подтверждают возможность поиска и аналитического выражения линейных зависимостей УВЛ = f (УВВ) годовых максимумов для их использования на неизученных и малоизученных реках с учетом рассмотренных выше временных особенностей формирования и проявления весенних половодий.

Следует отметить, что, несмотря на проявление по ряду створов исследуемых рек тесной связи между годовыми максимумами УВЛ и УВВ с весьма большими коэффициентами корреляции, соотношения между УВЛ и УВВ, выражаемые линейными зависимостями, не могут в прямом их использовании отражать вероятностный диапазон изменений соотношений этих максимумов.

Для установления таких соотношений в требуемом вероятностном диапазоне критериев ВП нужен другой методический подход.

Рис. 15. Соотношения максимальных годовых уровней воды (УВВ) и