книги из ГПНТБ / Климов О.Д. Основы инженерных изысканий учеб. пособие

Р аз де л третий

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

Г л а в а VI

СВЕДЕНИЯ ИЗ ГИДРОЛОГИИ СУШИ

§31. РОЛЬ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫ СКАНИЙ

Воснове гидрологических изысканий лежит наука, занимаю­ щаяся изучением водного режима рек и водоемов и именуемая гидро­

логией суши.

Гидрология суши тесно связана с климатологией, метеорологией, почвоведением, гидрогеологией, гидравликой, геодезией, матема­ тикой и другими науками. В настоящее время нет ни одной отрасли народного хозяйства, которая в той или иной степени не была бы связана с гидрологией. Без наличия необходимых сведений из гидрологии невозможно проектировать инженерные сооружения. Расчет запасов водных ресурсов для снабжения городов и промыш­ ленных объектов, для орошения сельскохозяйственных угодий, выявление режима временных и постоянных водотоков для строи­ тельства мостов, плотин и гидростанций — все это требует специаль­ ных многолетних наблюдений за уровнями воды, скоростью тече­ ния, расходами воды, определения направления струй и уклонов потока, учета наносов, химизма воды и многого другого. Для получе­ ния этих данных устраивают специальные водомерные посты и гидро­ метрические станции.

В системе Главного управления гидрометеорологической службы (ГУГМС) СССР, ведущей регулярные наблюдения на реках и озе­ рах, насчитывается несколько тысяч водомерных постов и гидро­ метрических станций, которые более или менее равномерно рас­ положены на территории нашей страны. Кроме того, отдельные ве­ домства устраивают сеть своих временных ведомственных постов, предназначенных для решения задач проектирования и строитель­ ства инженерных сооружений.

Таким образом, можно заключить, что ГУГМС занимается общим комплексным изучением гидрологических процессов и их законо­ мерностей на всей территории страны с целью удовлетворения разнообразных нужд различных отраслей хозяйства. Ведомствен­

92

ные станции и посты решают более узкие и конкретные задачи, связанные со строительством определенных видов сооружений.

Гидрологические изыскания необходимы при строительстве мно­ гих сооружений, и особенно при проектировании мостовых переходов и гидротехнических сооружений. Из большого и разнообразного комплекса гидрологических исследований на долю геодезиста обычно приходится производство крупномасштабных съемочных и нивелир­ ных работ на территориях водомерных постов и гидрометрических станций, на створах плотин и участках переходов через реки, опре­ деление водосборных площадей, производство русловых съемок, устройство водомерных постов и организация наблюдений за уров­ нями; определение уклонов реки; измерение скоростей течения и направления струй потока. Перечисленные работы не отличаются какой-либо сложностью, однако сознательное, технически грамот­ ное выполнение их требует от исполнителя знания некоторых тео­ ретических вопросов из курса гидрологии.

Близкими для инженера-геодезиста являются вопросы, связан­ ные с определением некоторых главнейших параметров сооружений, например проектной отметки моста, высоты плотины и др.

Движущаяся вода обычно перемещает какое-то количество частиц грунта — наносов. Учет наносов важен при назначении проектных уклонов оросительных и водопроводных каналов, которые в ходе эксплуатации должны обеспечивать неразмываемость и незаиляемость каналов, а также при определении так называемого мертвого объема водохранилища.

§ 32. КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ. ВОДНЫЙ БАЛАНС

Под действием солнечной радиации с поверхности океанов и морей, занимающих 71% площади земного шара, испаряется громадное количество воды. Попав в атмосферу, пары воды при определенных условиях конденсируются и в виде осадков (дождя или снега) выпа­ дают на поверхность океанов, морей и суши. Часть воды, выпавшей на сушу, по пониженным частям рельефа стекает в реки, образуя так называемый п о в е р х н о с т н ы й с т о к . Другая часть осадков просачивается в грунт и, формируя подземный сток с под­ земными водами, также возвращается в реки. Часть подземного стока расходуется на питание растений. Благодаря такому непре­ рывному круговороту воды уровень воды в морях и океанах дли­

на поверхность суши Zc, сток воды через реки У (рис. 48). Тогда можно записать:

93

т. е. испарение с поверхности океанов, морей и суши равно сумме осадков на эти же поверхности, если рассматривать их за длитель­

ный период времени.

В атмосфере земли постоянно находится около 12 300 км3 воды; суммарное годовое количество осадков на океан и сушу составляет (Х0 + Х с) я« 519 000 км3. Значительное преобладание осадков над содержанием воды в атмосфере может быть объяснено только тем, что происходит непрерывный процесс влагообмена (круговорот) между океаном, атмосферой и сушей. Разделив 519 000 на 12 300, получим 42, т. е. в год вода совершает 42 круговорота, а один круго­

ворот совершается за — ^ 9 сут. Конечно, найденная величина

весьма приближенная, так как продолжительность круговорота зависит от удаленности бассейнов от океана, а часть осадков испа­ ряется и выпадает в виде осадков над самими океанами.

На территорию СССР в среднем за многолетний период выпа­ дает 500 мм осадков в год, на испарение расходуется около 60%, остальная часть воды стекает в океан через реки или просачивается

94

Поскольку с, q, г — малы, ими можно пренебречь, тогда урав­ нение водного баланса бассейна примет вид

(рис. 51), проведенной через середины хорд, стягивающих про­ тивоположные стороны бассейна, и равномерно расположенных по

длине главной реки.

Средняя ширина В бассейна находится из отношения

В--

Lfta

95

а асимметрия бассейна — по формуле

Здесь: F, F„B, Fnp — соответственно площади всего бассейна, левобережной и правобережной частей.

Характер нарастания площади бассейна обычно представляется в виде графика, на котором показывается постепенное увеличение площади бассейна за счет участков, непосредственно прилегающих

Разграничение реки на три участка (верховье, среднее течение, низовье) несколько условно и имеет смысл лишь для рек значитель­ ного протяжения.

Место, где река впадает в море, озеро или другую реку, назы­

96

малого (1—2 мм) раствора измерителя. Для этого всю длину реки делят на небольшие участки (между устьями впадающих притоков) и измеряют их в прямом и обратном направлениях, не допуская

Рис. 52. Коэффициенты извилистости рек

расхождений между результатами более 2%. Если река имеет много мелких извилин, не доступных для измерений на карте, то необхо­ димо среднее значение длины (из прямого и обратного ходов) умно­ жить на коэффициент извилистости к, который определяют на основе сравнения характера реки на карте и в таблице (рис. 52), составлен­ ной Ю. М. Шокальским. За начало счета длины реки (километража)

тогда у к л о н і водной поверхности этого участка реки будет

#2- g l І2-1

Здесь L2- 1 — длина участка.

Уклоны рек изменяются в довольно широких пределах; они больше на горных реках и меньше на равнинных.

Продольный уклон непрерывно изменяется и в пределах одной реки: в верховье он обычно больше, а по мере продвижения к устью убывает. При изучении продольного профиля реки можно выделить в ней отдельные участки, характеризующиеся сравнительно боль­ шими глубинами и спокойным течением — это плёсы и участки с малыми глубинами и более быстрым течением — перекаты. Уклоны водотоков изменяются во времени, а также при проходе паводков.

Линия, соединяющая точки русла с наибольшими глубинами,

называют полосу водной поверхности (отмеченную специальными знаками — бакенами), в пределах которой гарантированы опре­ деленные глубины.

Уклоны рек выражаются десятичными дробями. Например, р. Ока в среднем течении имеет уклон і = 0,00011. Для упрощения записи, а следовательно для уменьшения возможности ошибок, уклоны записывают в тысячных (промилле) и сопровождают знач­ ком °/00, тогда уклон Оки следует записать так: і = 0,11 °/00, что на 1 км длины реки соответствует падению 0,11 м, или 11 см.

Уклоны могут быть найдены по карте, по имеющимся на ней отметкам урезов воды или, что точнее, непосредственно на местности путем нивелирования урезов воды. Точность нивелирования зависит от величины уклона реки: чем больше уклон, тем ниже должен быть класс нивелирования. Обычно для этой цели применяется нивелирование IV или III класса, иногда II класса [24, с. 10—28].

Наряду с продольным уклоном может быть и поперечный уклон реки, т. е. такой случай, когда уровень воды у одного берега выше, чем у другого. Причин для такого перекоса водной поверхности несколько: вращение Земли (Кориолисово ускорение), кривизна русла (центробежная сила), влияние ветра.

Знать величину перекоса водной поверхности под действием названных причин для геодезиста существенно, так как при трас­ сировании линейных сооружений довольно часто уровнем воды в реке пользуются для передачи отметки с одного берега на другой.

Влияние вращения Земли выражается формулой

Влияние центробежной силы на поворотах реки выражается зависимостью

h’ r B -

98

В приведенных формулах приняты обозначения:

Пользуясь приведенными формулами, подсчитаем, каких зна­ чений могут достигать величины AhKи Ah , если ѵ = 0,5 м/с, В =

= 300 м, R = 500 м, ф = 60°

Как видим, Кориолисово уско­ рение обусловливает такое нера­ венство уровней воды, что с ними при решении большинства практи­ ческих задач можно не считаться. На поворотах реки превышение одного уреза воды над другим ста­ новится ощутимым, и его следует учитывать.

Поперечный уклон реки может быть вызван также ветром, дую­ щим в перпендикулярном к реке направлении. Величина перекоса в таком случае может достигать нескольких дециметров; она зависит от ширины реки и силы ветра.

Зеркало воды в поперечном сечении реки может иметь выпук­ лую и вогнутую поверхность в связи с быстрым подъемом воды в реке в периоды половодий и паводков и быстрым спадом после прохождения высоких уровней.

Следующие характеристики реки относятся к ее живому се­

и заполненная текущей водой (рис. 53). Живое сечение характери­ зуется площадью со, шириной В, средней глубиной hcp, гидравли­ ческим радиусом R, средней скоростью уср, расходом Q.

Среднюю глубину hcp в живом сечении подсчитывают по формуле

(О h,ср т

Гидравлический радиус R находят из отношения

(О

R-

р

Б приведенных формулах приняты обозначения: со — площадь живого сечения,

В — ширина реки (AF),

р — смоченный периметр (длина ломаной А, В, С, D, Е, F, по которой вода соприкасается с ложем реки; зимой к этой длине нужно прибавить расстояние от берега до берега по нижней кромке льда).

Для естественных русел равнинных рек величины В и hcp ока­ зываются очень близкими, так как при сравнительно большой ширине реки имеют небольшую глубину и р = В. Близость зна-

а

чений hcp и В позволяет в ряде формул заменять строгое выражение для В, подсчет которого более трудоемок, его приближенным зна­

Вживом сечении скорость меняется в зависимости от глубины

иширины реки.

При измерении скоростей течения на разных глубинах одной вертикали обнаруживается, что максимумы скоростей располагаются близ поверхности, по мере приближения ко дну скорости падают. Характер изменения скорости с глубиной для периода открытого русла (ледяного покрова нет) показан на рис. 54.

Скорость в каждой точке вертикали то возрастает, то уменьша­ ется, т. е. пульсирует вблизи какого-то среднего значения. В связи с этим различают «мгновенную» и «осредненную» скорость. Явление пульсации должно учитываться при измерении скоростей течения.

Распределение скоростей в живом сечении для периода открытого русла показано на рис. 55, а, при ледяном покрове — на рис. 55, б. Изотахи — линии равных скоростей — показывают, что макси­ мумы скоростей в летний период располагаются у поверхности, а зимой, в силу дополнительного трения воды о нижнюю кромку льда, максимум несколько смещается вглубь.

100

Для определения скорости течения существует много различных средств и приборов. Для определения скорости без измерений поль­ зуются ф о р м у л о й Ш е з и для равномерного движения откры­ того потока

vcp = C Y R - i ,

где R — гидравлический радиус;

і — продольный уклон водной поверхности участка реки; С — коэффициент Шези.

Для нахождения коэффициента С существует несколько формул. Наиболее употребительна формула Н. Н. Павловского

здесь: п — коэффициент шероховатости (табл. 5);*

у— показатель степени, зависящий от гидравлического ра­ диуса R и п.

*Строительные нормы и правила. Глава 3. Сооружения мелиоративных систем. СНиП. П—И. 3—62. М., Госстройиздат, 1962.

101