1590

mhL ,mhl – ошибки определения превышений по магистральному и

рабочим ходам;

mф – ошибка фиксации уровня воды на ТОС;

mкмL , mкмl – ошибка превышений на километр магистрального и ра-

бочих ходов.

Формула (1.16) получена для условия одинаковой точности нивелирования магистральных и рабочих ходов. По формуле (1.16) предлагается устанавливать необходимуюточность магистральных ходов, выбирая расстояния S, L, l1, l2 для случая, требующего максимальной точности (этот случай будет соответствовать S min при

минимальной величине отноше-

ния S / (L + l2 + l2)).

Поскольку при выборе класса нивелирования берется значение mкм не более предвычисленного, а расчет ведется для неблагоприятного случая, как правило, создается запас точности. Поэтому рекомендуется уточнять необходимую точность рабочих ходов, применяя формулу (1.17). При этом точность многих рабочих ходов может оказаться на класс ниже точности магистральных.

Методика расчета с применением формул (1.16) и (1.17) направлена на максимальное снижение класса нивелирования магистральных ходов; она рациональна, особенно для равнинных рек, но требует детальных расчетов при

проектировании.

Формулы (1.18) и (1.19) предлагаются для установления необходимой точности соответственно магистральных и рабочих ходов исходя из принципа равного влияния ошибок mhL и mhl, mф на точность определяемого уклона, т.е. при условии

30

лиз распространенных схем однодневной связки уровней, не вызывает резкого повышения точности магистральных ходов по сравнению с точностью рабочих ходов и позволяет упростить расчеты, унифицируя допуски.

По формуле (1.18) составлен график (рис.1.3) для установления класса нивелирования магистральных ходов. При составлении графика принято mi 0,073i согласно [19].

Расхождения требований графика на рис.1.3 и табл.1 в работе [27] при S = 1 км показывают, что дает переход от принципа ничтожного влияния к принципу равного влияния, а изменения этих расхождений для расстояний S 1км указывают на погрешности, к которым приводит расчет на стандартный участок реки в 1 км.

Например, для рек с i = 0,00005, согласно табл. 1 [27], для магистральных и рабочих ходов требуется нивелирование II класса; по графику же на рис.1.3 при S = L = 2 – 3 км для магистральных ходов достаточно нивелирования III класса, а рабочие ходы при l1=l2=0,2 км с учетом формулы (1.19) можно нивелировать по программе IV класса [20].

Выводы

1.При расчете необходимой точности нивелирных работ для определения продольных уклонов на равнинных реках наиболее рационально применять принцип равной точности нивелирования магистральных и рабочих ходов или равного влияния на определяемый уклон ошибок нивелирования магистральных ходов, а также ошибок нивелирования рабочих ходов и фиксирования уровня воды на ТОС. Принцип ничтожного влияния ошибок магистральных ходов, резко повышая точность магистральных ходов, вызывает необходимость нивелирования I и II классов.

2.Необходимая точность нивелирных работ зависит как от величины уклона водотока, так и от расстояний между ТОС, поэтому точность, рассчитанную для стандартного участка реки в 1 км, нельзя принимать допуском для любых участков реки, как это сделано в

[19]; [23].

3.Необходимую точность нивелирных работ можно рассчитать по формулам (1.16), (1.17) и (1.18), (1.19).

31

4. Дальнейшие исследования рассматриваемого вопроса следует вести в направлении уточнения величины допустимой ошибки в продольном уклоне для гидрологических расчетов фактической ошибки фиксации уровня воды на ТОС.

1.6. Определение точности фиксирования уровня водной поверхности рек для изучения русловой деформации

При проведении изысканий на реках, когда определяется продольный уклон водотока, важно знать, с какой точностью фиксируется уровень воды урезными кольями, так как ошибка фиксирования, особенно на равнинных реках, значительно влияет на точность определения падения уровня между ТОС. Известно, что

где mh – средняя квадратическая ошибка определения падения уровня воды;

mL – ошибка нивелирования магистрального хода; m(l1 l2 ) – ошибка нивелирования рабочих ходов;

mф – ошибка фиксирования уровня урезными кольями.

В специальной литературе нет единого мнения о величине ошибки mф. В различных литературных источниках приводятся значения m ф от 2 до 10 мм.

Для равнинных рек с малыми уклонами ошибка фиксирования в 5–10 мм будет определять величину mh в формуле (1.20), и чтобы добиться заданной точности mh (обычно она принимается не более 10 % от h), необходимо высокоточное нивелирование магистральных и рабочих ходов и значительные расстояния между ТОС. Эти величины ошибки mф допустимы только при определении уклонов

между водомерными постами, расположенными в десятках километров друг от друга.

В тех случаях, когда определяются уклоны между точками однодневной связки, а расстояние между ними 2 – 6 км, повышение точности фиксирования необходимо.

32

Ошибку фиксирования уреза воды на ТОС с учетом влияния на точность различных факторов можно представить формулой

где mв – ошибка, вызванная волнением водной поверхности; mп – ошибка, обусловленная пульсацией воды;

mф – ошибка собственно фиксирования уреза кольями.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

Величина mв . Волнение водной поверхности значительно затрудняет фиксирование уровня, поэтому для однодневных связок выбирается безветренная погода, но и тогда на поверхности воды имеется рябь, мешающая фиксированию.

В литературе рекомендуется для исключения влияния воды применять траншеи или приямки. Нами были выполнены специальные исследования по выбору оптимальной формы приямка, которые показали, что даже при слабом ветре в направлении, перпендикулярном руслу реки, уровень быстро стабилизируется в приямках, имеющих форму Г – и П – образной канавки (рис.1.4, г, д), особенно, если в устье канавки установить «волнолом» из доски, палки или других подручных материалов.

Рис. 1.4. Оптимальные формы приямка для фиксации уровня воды

В этом случае спокойная водная поверхность позволит уверенно фиксировать уровень и величиной mвпрактически можно пренебречь.

Величина mп . Пульсация воды – также волновой процесс, обусловленный некоторыми гидравлическими свойствами потока, но это волны значительной длины, в несколько метров, и период их колебания более редкий, чем у обычных волн. Опыт волнения одно-

33

дневных связок показывает, что пульсация изменяет уровень в среднем в пределах 3 мм. Пульсация воды представлена графически на рис.1.5.

Рис.1.5. График пульсации воды

Из него видно, что для исключения влияния этого фактора необходимо фиксировать уровень воды при пульсации двумя кольями на экстремальных точках, тогда среднее положение уровня будет аппроксимироваться средней высотой кольев. Если не обращать внимания на данный фактор, то он вызовет ошибку, которая, почти подчиняясь закону равномерного распределения, приведет к mп 1 мм.

Величина mф . В литературе описывается несколько различных

средств и приспособлений для повышения точности фиксирования – это специальные рейки с успокоителями, различные механические фиксаторы и приспособления с самописцами, но они применяются обычно на стационарных водомерных постах. Наиболее просто фиксировать уровень на ТОС в полевых условиях с помощью деревянных кольев. Это – самый распространенный способ. Рекомендуется применять колья длиной 50 – 70 см. Но при забивке кольев в грунт фиксирующая поверхность их расщепляется, и это мешает фиксированию уреза. Поэтому некоторые авторы предлагают фиксировать урез шляпкой гвоздя, забиваемого в кол. Такая методика фиксирования проста и не требует больших затрат времени и средств. Нами на омском участке р. Иртыша было выполнено исследование по установлению точности фиксирования уровня по этой методике путем постановки специальных экспериментальных работ и с использованием производственных материалов однодневных связок [31].

34

Экспериментальные исследования проводились в специальных приямках, где было установлено влияние волнения водной поверхности. Они заключались в фиксировании уреза одновременно четырьмя кольями с гвоздями. Между каждым колом и репером, расположенным вблизи ТОС, определялись превышения одной станцией нивелирования III класса. Фиксирование и определение превышений по программе нивелирования III класса составляли одну серию наблюдений; таких серий было проведено 16. Оценка точности выполнялась по формулам:

где – разность между вероятнейшим и измеренным значениями высоты уровня воды, фиксируемого колом в серии;

n– число урезных кольев в серии. Полученные результаты сведены в табл. 1.1.

Средняя квадратическая ошибка фиксирования одним колом по результатам 16 серий получена равной 1,1 мм, а mm= 0,1 мм.

При исследовании по результатам производственных работ использованы материалы девяти однодневных связок, выполненных в течение пяти лет (уровень воды на ТОС фиксировался двумя урезными кольями в приямках). Для установления величины mф из всех 350 ТОС были отобраны 262, до которых рабочие нивелирные ходы состояли не более чем из трехстанций.

В этом случае превышение костыль № 1 – ТОС определялось дважды (рис. 1.6), причем в прямом ходе нивелирование производилось от первого урезного кола ТОС, а в обратном – до второго кола ТОС.

Результаты оценки точности выполнены по формулам

35

ных кольев гвоздями в приямках оптимальной формы, определенной тщательности работ в благоприятную погоду.

Учет значения mф = 2 мм в формуле (1.20), вместо обычно принимаемых 5 – 10 мм, заметно скажется на расчете необходимой точности нивелирных работ при производстве однодневных связок для изучения деформации берегов при проектировании и строительстве инженерных сооружений на реках.

1.7. Определение устойчивости реперов свайно-винтовой конструкции при наблюдениях за русловой деформацией

При проведении водных исследований в качестве постоянных грунтовых реперов в настоящее время часто используют винтовые сваи из стальных или чугунных толстостенных труб. Стандартный вид и размеры таких реперов конструкции ГР–43 (ТУ25-04-1631-72) приведены на рис. 1.7, длина сваи 220 см, диаметр 8 см. В нижней части сваи имеется винтовая нарезка длиной 35 см; а в верхней – головка диаметром 10 см.

37

Более надежную информацию о величине обрушения берега и движении оползней дают стационарные наблюдения. Для этого необходимо иметь опорные реперы. Чтобы их установить, выбирают места легко доступные, с хорошей видимостью, расположенные на устойчивых участках. При размещении опорных реперов следует также учитывать будущую схему наблюдений, в частности, предварительно назначить расположение створов, определить, где должны находиться оползневые знаки, чтобы обеспечить надлежащие условия видимости и т.д. При организации геодезических работ необходимо стремиться к минимальным затратам средств, сил и времени.

Применяемые на практике типы винтовых свай сходны между собой и различаются лишь длиной и характером лопастей. При за-

винчивании сваи в слабые грунты используют более широкие лопасти, в плотные грунты – наоборот. Завинчивание свай производится с помощью особого ключа и брусьев или посредством брусьев и троса. Винтовые сваи представляют собой надежный, быстро устанавливаемый репер; они особенно эффективны при наличии грунтовых вод вблизи поверхности земли. Недостатком их является сравнительно большая масса, поэтому при затруднениях в перевозке тяжелых реперов иногда уменьшают массу винтовой сваи за счёт уменьшения толщины стенок трубы и ее длины.

По исследованиям некоторых авторов, репер свайно-винтовой конструкции хорошо сохраняет свое положение по высоте даже при высоких уровнях грунтовых вод, в мощных торфяниках и подвижных песках. Это объясняется тем, что при завинчивании репера естественное состояние грунта почти не нарушается. Но такой тип репера в основном используется при техническом нивелировании и нивелировании IV класса.

При оценке устойчивости реперов иногда исходят из точности нивелирования в ходе I класса. Такой подход приводит к необоснованному высокому требованию: устойчивость реперов должна сохраняться в пределах долей миллиметра (0,4 – 0,5), что совершенно неоправданно, если учесть, что эндогенные процессы могут вызвать

38

смещение точек по высоте на 2 – 5 мм в год. Поэтому более обоснованно следует считать реперы устойчивыми, если их смещение не превышает 2, 4, 8, 14 мм соответственно для I, II, III, IV классов. Чтобы уверенно судить о пригодности реперов свайно-винтовой конструкции при закреплении магистральных ходов, нивелируемых по программе III класса для гидрологических изысканий, требуются специальные исследования их устойчивости в различных климатических и гидрологических условиях. Подобные исследования нами частично выполнены на омском участке р.Иртыша [30].

Исследование велось путем сравнивания высот и превышений, полученных в результате повторного проложения нивелирных магистральных ходов в разные годы и путем наблюдения в течение трех лет за изменением высот специально заложенных реперов.

Было выполнено повторное нивелирование III класса по магистральным ходам, которые образуют сеть из 10 полигонов общим периметром 55 км (рис.1.8).

На трассе магистральных ходов заложено 12 грунтовых реперов типа ГР– 43 стандартных размеров согласно рис.1.7. Реперы закручены на глубину 2,5 м так, что их винтовые лопасти находятся ниже глубины промерзания грунта на участке работ.

Об устойчивости реперов можно судить по разности измеренных превышений повторных нивелировок. Все разности превышений не больше допустимых расхождений, рассчитанных для нивелирования III класса по формуле fДОП 10мм Lкм. Следователь-

но, все смежные реперы сохранили взаимное расположение в пределах точности нивелирования III класса. Стабильность реперов была проанализирована способом, предложенным А.Г.Малковым [21]. Для этого величину смещения реперов вычисляли по формуле

39