книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

где а с индексами «0,2», «0,6» и др. обозначают величину единич­

ного расхода наносов в точках 0,2; 0,6 рабочей глубины и т. д. Расход взвешенных наносов в кг/с вычисляется по формуле

где ось а.2, ■■■, осп — средние единичные расходы взвешенных нано­

сов на скоростных вертикалях в г/(м2-с); /о— площадь водного сечения между урезом воды и первой скоростной вертикалью в м2; f 1, /г, .... fn-\ — площади водного сечения между скоростными вер­ тикалями; fn — площадь водного сечения между последней ско­ ростной вертикалью и урезом воды; k — коэффициент, зависящий

от характера распределения скоростей в прибрежной зоне потока и назначаемый согласно § 54.

При измерении расхода взвешенных наносов интеграционным или суммарным способом мутности проб воды, взятых на отдель­ ных вертикалях, соответствуют средним мутностям, значения кото­

Qn — частичный расход воды между последней вертикалью и уре­

зом.

Если пробы, взятые на отдельных вертикалях, были объединены в одну суммарную пробу, характеризующую среднюю мутность

с очень большим (до 75% общей массы потока) содержанием ми­ неральных частиц и обломков горных пород, возникающий в ре­ зультате интенсивных ливней или бурного снеготаяния.

О р г а н и з а ц и я н а б л ю д е н и й . Изучение селей произво­ дится путем стационарных наблюдений и экспедиционных исследо­ ваний.

Стационарные наблюдения выполняются на селевых створах. Для их устройства выбирается прямолинейный участок протяжен­ ностью 10— 15 В (где В — ширина реки) с устойчивыми берегами

и руслом, с наличием достаточного количества камней различного диаметра (10—20 см и более). На выбранном участке перпендику­ лярно основному направлению русла разбивается 5—6 поперечни­ ков (селевые створы).

Для косвенного определения скоростей течения после прохож­ дения селей на участке, селевых створов производится клеймение камней различной крупности. При этом масляной краской на кам­ не ставится номер, измеряется диаметр камня и определяется его местоположение (расстояние от репера и расстояние вверх или вниз по течению от поперечника).

Для регистрации максимального уровня воды на основном по­ сту и на одном из селевых створов устанавливаются максималь­ ные и дополнительные (гарантийные) рейки. В качестве макси­ мальных реек могут применяться максимальная рейка на свае и рейка Проскова (см. рис. 14). При наличии крутого скального бе­ рега максимальные рейки могут быть изготовлены на месте из же­ сти или тонкого листового железа. Такая рейка прикрепляется вплотную к откосу берега и рядом с ней совмещается дополнитель­ ная рейка. Для ее устройства белой масляной краской окрашива­ ется полоса откоса шириной 25—30 см и на ней через 10 см по вертикали наносятся оцифрованные деления. После установки реек нивелированием от ближайшего репера определяют отметки их нулей.

Одной из важных характеристик селевого потока является ско­ рость течения. Для определения скорости на расстоянии не менее 30—40 м выше и ниже основного поста устанавливаются створные знаки, которыми могут служить ярко окрашенные столбы.

В большинстве случаев селевые потоки проходят в ночное вре­ мя, поэтому участок селевых створов должен быть освещен. Осве­ щением прежде всего необходимо оборудовать рейку на основном посту и одну из дополнительных реек.

По окончании работ по устройству селевых створов произво­ дится планово-высотная съемка участка и фотографирование. По результатам съемки составляется план участка, вычерчива­ ются продольный и поперечные профили.

П р о и з в о д с т в о н а б л ю д е н и й . В течение всего периода прохождения селевого паводка ведутся наблюдения за уровнем во­ ды, скоростью течения, насыщенностью потока наносами, деформа­ цией русла, а также производится фотографирование отдельных участков реки и характерных явлений.

Уровень воды измеряется в зависимости от характера и про­ должительности паводочной волны через 5—10 мин. Наблюдения производятся на основном посту, а в случае разрушения постовых устройств — по дополнительной рейке.

Скорость течения измеряется с помощью поверхностных поплав­ ков путем определения времени прохождения ими расстояния ме­

242

жду створными знаками. Поплавками могут служить плывущие в потоке обломки деревьев, корни, ветки и т. п. Наблюдения за скоростью течения производятся на подъеме, пике и спаде каждой паводочной волны.

Во время прохождения селевого потока обычно происходит быстрая деформация русла. Наблюдение за деформацией произво­ дится визуально, при этом отмечают место и характер деформа­ ции— размыв, намыв, обрушение склонов и берегов, образование заторов, изменение направления русла и другие явления.

Наблюдения за насыщенностью потока наносами производятся визуально и путем взятия проб селевой массы. Визуальные наблю­ дения ведутся в сроки измерения высоты уровня, при этом отме­ чается цвет и состав селевой массы или тип потока (грязевый, гря- зе-каменный, водно-каменный), наибольшая крупность камней, пе­ ремещаемых потоком. Пробы селевой массы берутся в разные фа­ зы 'паводка (на подъеме, пике и спаде) и служат для определения основных характеристик насыщенности потока наносами и их гра­ нулометрического состава.

После прохождения селя для выяснения происшедших измене­ ний на участке селевых створов, а также для определения макси­ мальных расходов, уклонов и наибольшей крупности камней, пе­ ремещенных потоком, выполняются следующие работы.

1.Путем общего осмотра участка и повторного фотографиро­ вания устанавливаются общее состояние участка и изменения на нем за время прохождения селевого паводка.

2.Устанавливаются наивысшие уровни по максимальным рей­ кам и по меткам УВВ.

3.Повторно нивелируются поперечники и метки максимального уровня.

4.Определяется гранулометрический состав отложившихся на­

носов.

5.Ведутся наблюдения за перемещением занумерованных кам­ ней. Для этого, начиная с первого поперечника, отыскиваются на нем камни согласно ведомости. Если какой-либо камень не обнаружен на месте, то в соответствующей графе ведомости отмечается: «не обнаружен». Для камней, местоположение которых не изменилось,

введомости записывается: «остался на месте». При переходе к сле­ дующим поперечникам тщательно осматривается дно с целью об­ наружения тех камней, которых не оказалось на предыдущих по­ перечниках. Если отыскив'аемый камень будет найден, то опреде­ ляются его координаты.

ляются значения уровней над нулем графика, отметки высшего уровня, полученные по максимальным рейкам и нивелированием меток УВВ, продольный уклон водной поверхности при максималь­ ном уровне. По значениям уровней над нулем графика строится

график колебаний уровня селевого паводка с пометкой на нем точек измерения скоростей и взятия проб мутности.

2. Вычисление основных характеристик насыщенности потока наносами.

Насыщенность (мутность) вычисляется по формуле

<106)

где р — мутность в г/мл (т/м3) ; Р — вес воздушно-сухого наноса в граммах; W — объем пробы в миллилитрах.

Если в селевом потоке находились крупные камни, не захвачен­ ные пробами, то мутность вычисляется по формуле

где р — мутность пробы без учета крупных фракций; а — процент содержания крупных фракций, не захваченных пробами (определя­ ется визуально).

Объемный вес селевой массы определяется путем непосредст­ венного взвешивания пробы и по формуле

где ус— объемный вес селевой массы в т/м3; у — удельный вес воды; ун — удельный вес наносов; р — насыщенность потока нано­ сами.

Коэффициент насыщенности <р селевой массы (отношение объ­ ема наносов в плотном теле к объему воды в пробе) вычисляется по формуле

левого паводка вычисляется для всех переломных точек графика хода уровня по формуле Q = F vcр.

Площадь живого сечения F определяется планиметрированием

профиля. Средняя скорость иСр вычисляется по наибольшей поверх­ ностной скорости, измеренной поплавками, с учетом переходного коэффициента К, определяемого по формуле

здесь hcp — средняя глубина потока; / — продольный уклон водной

поверхности; ср — коэффициент насыщенности; у„ — удельный вес наносов.

244

Приближенно значение С может быть вычислено по формуле

Определив значение К, среднюю скорость вычисляют из соот­

ношения г>ср = /(Онаиб.пов.

По вычисленным расходам воды строится гидрограф селя и планиметрированием определяется его объем.

5. Вычисление максимального расхода воды по результатам наблюдений, 'полученным после прохождения селя. Максимальный

уклон; ун — удельный вес камня (принимается равным 2,60 т/м3); ус — объемный вес селевой массы; ф — коэффициент насыщенности селевой массы.

Радиооповеститель селя (РОС). Сели обладают большой раз­ рушительной силой и наносят огромный ущерб народному хозяй­ ству и населению: разрушают мосты, водозаборные сооружения, покрывают наносами ценные земельные угодья.

В целях своевременного оповещения о возникновении селя и принятия необходимых мер в селеопасных районах устанавлива­ ется автоматическая радиоизмерительная система РОС.

РОС также дает возможность дистанционно осуществлять конт­ роль за состоянием водности реки, резкие колебания которой в большинстве случаев предшествуют образованию селя.

РОС состоит из передающего и приемного пунктов. Передаю­ щий пункт размещается в бассейне реки в таком месте, чтобы время добегания потока до информируемого объекта было доста­ точно большим. Приемный пункт, куда поступает информация, располагается в населенном месте. На рис. 120 представлена блоксхема радиооповестителя селя.

В состав передающего пункта входит: створное оборудование, предназначенное для установки датчиков и размещения электри­ ческой аппаратуры с источником питания; датчики уровня 1 и 2\ датчик селя 3; местная (проводная) линия связи 4, соединяющая

датчики уровня и селя с блоком автоматики; блок автоматики 5, служащий для преобразования сигналов от датчиков уровня и селя в сигналы звуковых частот, которыми модулируется передатчик, и для периодического включения радиопередающего устройства

245

б режим передачи; радиопередающее устройство 6 с антенной;

блок питания 7.

Датчик уровня состоит из поплавка и рычажно-гиревого устрой­ ства (рис. 121). На один конец рычага 1 на тросе крепится попла­ вок 2, на другой конец— груз 3. Поплавок помещается в защитную

трубу и устанавливается на определенную, заранее рассчитанную отметку уровня. Для характеристики водности реки устанавлива­ ются два датчика на двух отметках: первый на отметке опасного

Рис. 120. Блок-схема радиооповестителя селя (РОС).

уровня — при этом датчик подает первый предупредительный сиг­ нал о значительном увеличении расхода воды; второй на отметке критического уровня — датчик подает сигнал об увеличении вод­ ности, которая является непосредственной угрозой появления селя. Работа датчика заключается в следующем. Рычажно-гиревое уст­ ройство может поворачиваться около оси 4. При подъеме уровня

до заданной отметки, где уста­ новлен поплавок, последний те­ ряет в весе, вследствие чего ры­ чаг 1 перевешивается в сторону груза 3 и нажимает при этом на шток 5 переключателя; происхо­

электрической цепи. Электроим­ пульсы поступают в блок авто­ матики, где преобразуются в сиг­ налы звуковых частот и пере­

даются в эфир. Сигналы поступают с заранее установленной цик­ личностью: для первого уровня — через 50 мин, для второго — через 25 мин. Продолжительность сигналов 1 мин.

Датчик селя предназначен для сигнализации о прохождении че­ рез створ передающего пункта селевого потока. Чувствительной частью датчика является стальной трос в защитной трубе, натя­ нутый поперек русла реки. Один конец троса заякорен, а другой его конец соединен с контактной системой датчика. При прохож­ дении селя трос может быть натянут или разорван. В обоих слу­ чаях срабатывает контактная система и блок автоматики включает

246

сигналов о повышении уровня воды и прохождении селевого по­ тока и для включения световой и звуковой сигнализации. В состав аппаратуры приемного пункта входят: радиоприемное устройство с антенной 8; блок звуковых генераторов 9, обеспечивающих зву­

ковую сигнализацию об уровнях и селе; блок приемных фильтров 10, предназначенных для выделения сигналов уровней и селя и включения световой и звуковой сигнализации; блок питания И ,

состоящий из двух групп аккумуляторов, выпрямителей и щита питания; блок световой и звуковой сигнализации 12.

Перед установкой систем РОС в бассейне селеопасной реки про­ водятся специальные изыскания по радиосвязи, гидрологические, топографические работы. На основании обобщения и анализа ма­ териалов устанавливаются отметки опасного, критического и селе­ вого уровня воды.

§ 70. Наблюдения за донными наносами

Донными наносами называются твердые частицы, перемещае­ мые потоком путем влечения, перекатывания или скачкообразно.

Выделение донных наносов из общей массы твердого стока яв­ ляется условным, так как с изменением гидравлических характери­ стик потока (скорости течения, глубины, уклона) некоторая часть донных наносов может переходить во взвешенные и обратно. При известных условиях, когда прекращается движение донных нано­ сов, последние входят в состав донных отложений и, таким обра­ зом, участвуют в формировании речного русла.

Причиной перемещения донных наносов являются придонные скорости течения. Процесс перемещения донных наносов зависит от гидравлических условий потока, размера частиц и действия сил сцепления между ними. При увеличении скорости течения сначала начинают двигаться самые мелкие частицы, а затем все более крупные. Движение донных наносов может происходить не по всей ширине русла; обычно у берегов, где скорости течения небольшие, движение наносов не наблюдается. Предельные скорости, при кото­ рых начинается движение наносов .определенной крупности, зави­ сят от глубины потока: чем больше глубина, тем при больших ско­ ростях начинают двигаться частицы одних и тех же размеров.

Вследствие пульсации придонных скоростей течения, неправиль­ ной формы частиц и неровностей дна перемещение наносов носит скачкообразный характер. Частицы могут скользить по дну, замед­ ляться, останавливаться, передвигаться скачками, снова скользить и т. д. Помимо скачкообразного движения донных наносов, наблю­ дается перемещение их грядами, высота которых зависит от ско­ рости и глубины потока. Грядовое движение характерно для-песча­ ных наносов. В продольном разрезе гряды имеют пологий верховой откос (взбег гряды), переходящий к гребню, и крутой низовой от­ кос, переходящий к подвалью. Движение частиц в пределах гряды

247.

происходит путем перекатывания их по пологому верховому от­ косу, переваливания их через гребень и выпадения в подвалье.

Приборы для измерения расходов донных наносов. Наблюдения за донными наносами представляют одну из трудных задач в изу­ чении твердого стока рек. Существующая методика измерения рас­ ходов донных наносов и применяемые для этой цели приборы не удовлетворяют необходимым требованиям, вследствие чего донные наносы учитываются весьма приближенно. Трудности в создании прибора, который обеспечивал бы достаточную точность измерений, в основном заключаются в том, что всякий прибор, опущенный на дао реки, нарушает естественный режим движения наносов и

вследствие неровностей дна надлежащая установка прибора не обеспечивается: или часть наносов уходит под прибор, или он за­ черпывает русловые отложения.

Все существующие приборы для измерения расходов донных наносов по области их применения делятся па две группы: 1) ба­ тометры для равнинных рек (для песчаных и гравелистых наносов) и 2) батометры для горных рек (для гравелистых и галечных на­ носов).

Приборами первой группы являются батометр Полякова и ба­ тометр «Дон». К приборам второй группы относятся сетчатые ба­ тометры: батометр Шамова и батометр-сетка.

Б а т о м е т р П о л я к о в а (рис. 122) применяется при скоро­ стях течения не более 0,70 м/с. Прибор состоит из трех основных частей, шарнирно соединенных между собой: трамплина, корпуса с ловушкой и хвоста.

248

части 10 см и ширина 10 см, в задней части — высота 15 см и ши­ рина 25 см. Задняя стенка кожуха имеет в верхней части выходное отверстие в форме раструба 6, перекрывающееся створкой. Вход­ ное отверстие прибора закрывается створкой 7, которая при опус­

кании прибора на дно откидывается на верхнюю стенку кожуха. Обе створки приводятся в действие одновременно при помощи об­ щего тросика. На верху кожуха имеется подвес 8, состоящий из

втулки и подвижного стержня с кольцом для крепления несущего троса. На нижней части стержня находится ролик, через который пропущен трос, открывающий и закрывающий створки батометра. При опускании прибора на дно створки удерживаются открытыми при помощи штифта на стержне втулки. При касании прибором дна тросик соскальзывает со штифта, а крышки остаются откры­ тыми. При подъеме батометра со дна створки закрываются натя­ жением троса, что предохраняет наносы от вымывания. Руль 4

Рис. 124. Батометр Г. И. Шамова (а ) н батометр-сетка (б).

служит для установки прибора по направлению течения и пред­ ставляет собой пластинку, вставленную вертикально в прорезь ко­ жуха. Балластный груз 5 накладывается на верхнюю стенку ко­

жуха и укрепляется на ней тремя болтами.

Помимо общих недостатков, свойственных донным батометрам, недостатком батометра Полякова является значительный его от­

тый ящик, вставленный в металлический кожух. Для уменьшения скоростей течения в приборе, способствующих отложению наносов, кожух постепенно расширяется от 20 см во входном отверстии до

рамы шириной 20—40 см и прикрепленной к ней сетки, изготовля­ емой из проволоки или капроновых ниток. Размер ячеек сетки оп­ ределяется наименьшим диаметром частиц, улавливаемых батомет­ ром. Батометр опускается на штанге и при значительной скорости течения удерживается на месте оттяжками.

250