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

Для приближенных расчетов принимают

(?=(!)• иСр м3/с.

§ 35. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В РУСЛЕ

Сила тяжести — первопричина движения воды в реке. До неко­ торой степени это движение подобно движению тела по наклонной плоскости, хотя здесь имеются некоторые особенности, в частности

Рис. 56. Поперечная циркуляция воды в реке

скорость течения воды обусловливается не частными уклонами дна, которые могут быть обратными, а уклоном поверхности воды.

Ложе реки и воздух оказывают различное сопротивление движе­ нию частиц воды и это, вместе с поперечным уклоном поверхности, способствует возникновению в речном потоке п о п е р е ч н о й

ным закономерностям, достаточно четко проявляющимся на пово­ ротах реки и более сложно — в пределах прямых участков.

102

Характер циркуляции воды на прямых участках показан на рис. 56, а, а на поворотах — на рис. 56, б.

Циркуляционное движение воды в реке обычно вихревое, пуль­ сирующее, иначе, т у р б у л е н т н о е д в и ж е н и е . В проти­ воположность турбулентному, в потоках может наблюдаться спо­ койное — л а м и н а р н о е д в и ж е н и е ; при этом предпо­ лагается, что все частицы воды движутся в одном направлении, параллельном направлению движения всего потока, и скорость такого потока имеет максимум в средней части, а к берегам она постепенно падает до нуля.

Ламинарное движение возможно лишь при небольших скоростях, не превышающих критической. Такой критической скорости при глубинах 10, 100, 200 см соответ­ ствуют скорости 0,3,0,03,0,02 см/с.

Очевидно, что в естественных по­ токах такие скорости встречаются крайне редко.

Ламинарное движение воды практически встречается лишь в во­ доносных грунтовых потоках, в мелкозернистых грунтах или в тон­ ких слоях вблизи дна и стенок русел.

Циркуляционное движение об­ условливает определенный ха­

рактер размыва русла реки и отложения наносов. Так, в частности, участки с большими глубинами располагаются ближе к вогнутому берегу, а мели — к выпуклому, причем и те, и другие оказываются несколько смещенными вниз по течению.

На характер размыва русла влияет также высота уровня воды в реке. Известно, что при низких уровнях размываются в основном перекаты, а при высоком — плёсы. Это легко объясняется изме­ нением уклонов, а соответственно и скоростей течения на указан­ ных участках.

Так, при низких меженных уровнях воды (рис. 57) уклоны на плёсах іпл заметно меньше, чем уклоны на перекатах гпк, и, следо­ вательно, в этот период интенсивней размываются перекаты. В пе­ риоды горизонтов высоких вод (ГВВ) уклоны на плёсах ста­ новятся больше, и тогда начинается размыв плёсов.

Зная закономерности русловых процессов, гидротехники могут управлять циркуляционными процессами и тем самым способство­ вать уменьшению размыва берегов и дна рек и каналов и препятство­ вать заилению последних.

Знание закономерностей формирования русла реки позволяет правильней вести съемочные промерные работы, т. е. сгущать про­ мерные вертикали на более сложных участках живого сечения и умень­ шать их число против рекомендуемой нормы на плоских однород­ ных участках дна.

103

§ 36. РЕЖИМ УРОВНЕЙ II РАСХОДОВ ВОДЫ

У р о в н е м , или г о р и з о н т о м воды в реке называют высоту стояния поверхности воды над некоторой условной точкой, именуемой н у л е м г р а ф и к а . Нуль графика назначают так, чтобы он был ниже самого низкого уровня в данном месте реки; при этом условии значения уровней всегда положительные.

Наблюдения за колебаниями уровней воды в реке ведут на водо­ мерных постах и гидрометрических станциях.

Колебания уровней в реке обусловливаются различными при­ чинами, но главная — изменение метеорологических условий, в свою

50—80% годового стока; их считают реками снегового питания. Реки Южного Кавказа и Дальнего Востока получают в основном дожде­

Наблюдением за характером колебаний уровней в реке в течение года можно заметить периодичность (фазы) как в смене уровней, так и в чередовании определенных явлений. Так, на реках ледни­ кового питания довольно четко прослеживается суточный цикл колебаний уровней: днем в результате интенсивного таяния в горах льда и снега уровни воды повышаются; с наступлением ночи уровни падают. При значительном расстоянии створа от зоны таяния лед­ ников может происходить смещение колебаний уровня во времени. Сезонные колебания уровней естественны для всех рек поверхност­ ного питания. Например, на реках снегового питания (рис. 58) вслед за зимним периодом наступает весеннее половодье, отличаю­ щееся значительной высотой уровней Н и большими колебаниями их от года к году.

104

Высота уровня в е с е н н е г о п о л о в о д ь я зависит от запаса воды в снеге, от интенсивности таяния, состояния почвы, от наличия осадков в период снеготаяния и др. Прохождение поло­ водья характеризуется быстрым подъемом уровня воды и более продолжительным спадом; дату конца весеннего половодья обычно трудно установить; на малых реках за период половодья проходит до 90—95% стока.

Весеннее половодье сменяется летне-осенней меженью — перио­ дом, когда река имеет преимущественно грунтовое питание. Этот период отличается большим постоянством стояния низких уровней, что позволяет использовать их для решения ряда специальных задач (нивелирование уровней воды, составление продольного про­ филя реки и др.). Меженный уровень иногда называют б ы т о в ы м . На крупных реках сток за период летней межени составляет около 30%. Некоторые реки, особенно среднеазиатские, в межень пере­ сыхают.

Для осеннего периода характерно преобладание дождей — облож­ ных и ливней, что ведет к паводкам. Этот период для равнинных рек наступает в августе—октябре и на графике ежедневных уровней отмечается в виде отдельных пиков, возвышающихся над меженным уровнем. Границы дождливого периода, как правило, трудно уста­ навливаются.

В местности, где уклоны рельефа превышают 0,1 (6°) и грунты представлены разновидностями глинистых пород, в дождливые периоды могут быть явления, весьма опасные для целостности соору­

вода, перемешанная с грунтом, имеет большую разрушительную силу и сносит на своем пути мосты, дорожные насыпи, жилые и дру­ гие строения. Сели наиболее распространены в Закавказье и Сред­ ней Азии (район г. Алма-Аты).

З и м н и й п е р и о д на реке характеризуется довольно низ­ кими уровнями, обусловленными преимущественно грунтовым пита­ нием. В зимнем режиме рек различают три периода: замерзание, ледостав и вскрытие. Каждому из названных периодов свойственны различные виды ледовых явлений: забереги, сало, внутриводный лед, ледостав, ледоход, заторы и т. и.

Реки умеренного пояса и северные реки Союза ССР покрыты льдом 7—9 мес. Суточное увеличение толщины льда зависит в основ­ ном от величины отрицательных температур воздуха и на реках Европейской части СССР оно составляет 2—3 см, а на реках Сибири —

5—7 см.

Лед оказывается серьезной помехой при эксплуатации гидро­ технических сооружений; он нарастает на сороудерживающих ре­ шетках, препятствует входу воды в турбинные водоводы и разрушает водосбросные сооружения.

105

Для характеристики режима уровней составляют ведомости (табл. 6) и строят график (рис. 59) повторяемости (частоты) и про­

более часто повторяющиеся уровни за тот или иной отрезок времени.

( с *) Высший, уродемь 805

Рис. 59. Кривые по­ вторяемости и про­ должительности уровней:

1 — кривая повторяемо­ сти уровней; 2 — кри­

вая продолжительности; 3 — низший уровень

Эта кривая является типичной асимметричной кривой, наиболее характерной для большинства гидрологических явлений.

Наблюдения показывают, что режимы уровней и расходов воды совпадают. Действительно, чем больше высота уровня в реке, тем больше живое сечение, больше скорость течения и, следовательно, больше расход воды. В связи с этим появляется естественное жела­ ние установить связь Q — f (Я) между расходом воды Q и высотой уровня Я , так как это дало бы возможность освободиться от трудо­ емких работ по измерению скорости течения и площади живого сечения и по одним лишь отсчетам уровня на водомерном посту устанавливать расход воды в любой момент времени. Имеется много причин, нарушающих связь между уровнями и расходами, т. е. при равных уровнях воды расходы оказываются разными. Так, при одинаковых уровнях: зимой и летом, в начале и в конце лета, при подъеме уровней и спаде, расходы разные, так как при равных площадях живых сечений скорости течения в названные моменты различные. Поэтому зависимость Q — / (Я) распространяет только на период, когда река свободна от льда или на период открытого русла, связывая обычно наиболее высокие уровни с наибольшими расходами в периоды паводков и половодий.

106

107

Для установления более или менее надежной связи между Q и Н требуется около 70 определений расходов в год при разных уров­ нях и нужно располагать этими величинами за 5—10-летний период.

контроля основной кривой, помогают точнее экстраполировать

т. е. то количество воды, которое протекает через данное живое сечение в год.

Для характеристики режима расходов строят (аналогично уров­ ням рис. 59) кривые повторяемости и обеспеченности расходов.

При проектировании гидротехнических сооружений и, в част­ ности, при проектировании водосбросных сооружений (водосливы нлотин, каналы, гидротоннели) важно знать величины некоторых так называемых х а р а к т е р н ы х р а с х о д о в . К ним отно­

108

сятся: наивысший годовой, наивысший осеннего ледостава, наивыс­ ший расход летних и осенних паводков. Для водоснабжения и мелио­ рации существенно знание наинизшего летнего и наинизшего зим­ него расходов.

§ 37. ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОКА. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТОК

Основные характеристики речного стока: расход воды, объем стока, модуль, слой и коэффициент стока.

Расход воды обычно получают на основе измерений. Так как расход воды подвержен изменениям, особенно существенным в пе­ риоды половодий и паводков, то для подсчетов стока за какой-то период (сутки, месяц, фазу, год) пользуются средним значением расхода за это время. Так, для получения суточного объема Wcr стока нужно среднесуточный секундный расход QCT умножить на число секунд в сутках

где 31,5-ІО6-— число секунд в году.

Модуль стока М находят как отношение расхода к площади

Наряду с абсолютными характеристиками стока, приведенными выше, в ряде случаев удобно иметь относительные характеристики. Например, коэффициент ц стока равен отношению слоя h к слою х

Коэффициент К показывает отношение характеристики за конкрет­ ный период (год, месяц) к норме или среднему значению.

При оценке водности реки интересно знать причины, которые влияют на величину и характер стока. Рассмотрим несколько таких причин.

109

Основные показатели, определяющие величину стока: климати­ ческие условия, в которых расположен бассейн, растительный и почвенный покров, заболоченность, озерность, размеры и форма

бассейна и др.

Главнейшие показатели климата — количество осадков и испа­ ряемость с поверхности бассейна — во многом предопределяют вели­ чину стока. Это следует из уравнения (2), если его записать так:

^ср = X cp —Zcp.

Это уравнение позволяет предопределить общий характер распре­ деления стока на территории нашей страны. В западных и северозападных областях, где выпадает больше осадков и ниже испаряе­ мость, сток больше, а по мере продвижения на юго-восток сток уменьшается. Эта закономерность нарушается в горных областях, где в силу более низких температур испаряемость меньше, а осад­ ков выпадает больше. На местности, где уклоны рельефа больше, потери влаги в результате более быстрого добегания ее до реки также уменьшаются; уменьшаются потери и на впитывание влаги

вгрунт. Все это способствует увеличению стока. Характеристика рельефа бассейна реки — его уклон. Средний

уклон поверхности бассейна і можно подсчитать по приближенной формуле

на сток — сложно. Растительность замедляет движение воды к реке, часть влаги расходуется на питание растений, в итоге происходит снижение стока. Известно, однако, что над лесными массивами осадки выпадают чаще и, следовательно, сток увеличивается.

Воздействие грунтов и почвенного покрова на сток зависит не только от их состава, но и от состояния. Сток с промерзшего грунта больше, чем с рыхлого, талого.

Степень заболоченности или озерности площади бассейна опре­ деляется процентным отношением площади болот (озер) ко всей площади бассейна. Озера и болота обычно выполняют аккумулятив­ ную роль и тем уменьшают и выравнивают сток.

Размеры бассейна — важная гидрологическая характеристика реки, но воздействие площади бассейна состоит в том, что на боль­ шой площади более разнообразные климатические условия. Именно поэтому у рек, текущих на север, сток обычо растет, так как с ростом площади бассейна при продвижении на север уменьшается испаряе­ мость; у рек, текущих на юг, сток уменьшается. Если сравнить два бассейна с разной площадью, но примерно одинаковыми физикогеографическими условиями, то сток с них будет практически равным.

110

Влияние формы бассейна на сток примерно таково: сток с бас­ сейнов вытянутой формы меньше и он равномерней, чем с бассейнов округлой формы.

Существенно влияет на речной сток деятельность человека. Усилия человека направлены на максимально комплексное исполь­ зование водных источников для энергетики, водного транспорта, мелиорации, водоснабжения и т. д. При решении этих задач встает необходимость в перераспределении или в регулировании стока.

Мероприятия по р е г у л и р о в а н и ю с т о к а могут вестись

вактивной форме — путем строительства плотин, переброски вод одних рек в другие, проведением мелиоративных мероприятий, а также

впассивной форме: проведением агротехнических мероприятий на территории бассейна, как, например, снегозадержание, вспашка

полей поперек склонов, укрепление оврагов, лесонасаждения.

§ 38. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМЫ СТОКА

Норма стока, выраженная через М 0, Q0, W 0 или h0, — наиболее объемлющая характеристика водности реки и потому она широко используется при проектировании гидротехнических сооружений, мостов, водоснабжения, орошения.

Какими способами можно получить норму стока?

Решение зависит от того, какие данные имеются для нахождения

ченный ряд фактических измерений, в) отсутствуют наблюдения. При наличии продолжительных — многолетних наблюдений нор­ му стока находят как среднее арифметическое из результатов изме­

рений за п лет по формулам

Этими формулами можно пользоваться для расчетов годового стока, но они с равным правом пригодны и для подсчетов стока за какую-то фазу (половодье, паводок, межень).

При отыскании нормы стока важно уточнить вопрос о продолжи­ тельности наблюдений. Требуемое число лет наблюдений зависит от степени изменчивости ряда наблюдений, от заданной точности определения нормы и от площади бассейна.

Согласно «Указаниям по определению расчетных величин годо­ вого стока рек и его внутригодового распределения» (СН 371—67), нормой стока считается средняя арифметическая величина стока, полученная из наблюдений такой продолжительности, при которой средняя квадратическая ошибка стока не превышает 5 %.

Изменчивость ряда наблюдений характеризуется коэффициентом вариации Сѵ, который находят по формуле

111