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

подсчетов. Особенно ненадежные результаты получаются при под­ счете максимальных ливневых расходов, что вызвано недостаточной их изученностью. Ливневые максимальные расходы формируются на ограниченных территориях, внезапно, на них влияют местные условия, что затрудняет их изучение, мешает накоплению и обобще­ нию фактических материалов.

Лучшие результаты при определении максимальных расходов получают при наличии хотя бы небольших рядов фактических наблюдений. В этом случае применяют метод аналогии.

Наиболее точно максимальные расходы получаются при исполь­ зовании большого количества наблюдений за осадками и использо­ вании уравнений водного баланса.

Для успешных расчетов максимальных расходов талых вод нужно располагать определенным минимумом сведений: о размерах бассейна, средней его ширине и уклоне, о его высоте над уровнем моря, о степени залесенности, заболоченности, озерности; необхо­ димо знать состав почв и грунтов, длину и уклон главного водотока, зарегулированность реки. Некоторые из приведенных сведений непосредственно учитываются формулами, о других необходимо помнить при подборе реки-аналога.

Величину максимального расхода иногда определяют по призна­ кам, остающимся на местности после прохождения половодья. Для этого производят полевые обследования, в ходе которых оты­ скивают на местности следы паводков, а именно: скопление сучьев деревьев и травы, отложения песка, смыв «загара» с почвы берегов или мохового покрова и т. п. В ходе полевого обследования ведется опрос местных жителей (старожил), живущих непосредственно вблизи водотоков, о границах максимальных разливов реки в по­ ловодье и во время паводков. На основании установленной отметки уровня воды (что делается проложением нивелирного хода к бли­ жайшему реперу государственной нивелирной сети) можно опре­ делить площадь живого сечения на искомом створе, а макси­ мальный расход найти умножением площади живого сечения на

данные об исторических максимальных расходах по специальным формулам. Максимальные расходы при таких данных находят анало­ гично только что описанному порядку по известному высшему истори­ ческому горизонту воды (ВИГ).

Наиболее достоверны расчеты максимальных расходов, выпол­ няемые на основе продолжительных наблюдений. Обработка мате­ риалов многолетних наблюдений ведется на основе применения методов математической статистики.

Ранее отмечено, что формулы математической статистики при­ менимы не только к расчетам годового стока, но и к расчетам от­ дельных фаз. Это дает право использовать их и при расчетах макси­ мальных расходов.

122

Расчет максимального расхода заданной обеспеченности сво­ дится в конечном счете к построению теоретической кривой обес­ печенности и проверке правильности ее построения на основе факти­ ческих результатов измерений.

Для построения теоретической кривой обеспеченности макси­ мального расхода при наличии наблюдений в течение 20—30 лет

иболее необходимо прежде всего определить параметры кривой: среднюю арифметическую величину Qcp, коэффициент вариации Сѵ,

икоэффициент асимметрии Сѣ.

Та б л и ц а ! !

123.

Порядок расчета рассмотрим на примере максимальных расходов р. Нярж у г. Вильнюса за период с 1936 по 1966 г. (площадь бас­ сейна F — 15 200 км2).

В графах 1 и 2 табл. И в хронологическом порядке приведены значения измеренных максимальных расходов.

Вычисления начинают с того, что записанные в графе 2 расходы переносят в графу 5, располагая их в порядке убывания; из всех значений находят Qcp. Далее, переходя к графе 9 и по приведенной в ней формуле, вычисляют обеспеченность р% за каждый год. На­ помним, что в указанной формуле т — порядковый номер расхода (графа 3), а п — общее число членов ряда.

В столбцах 6, 7, 8 находят модульные коэффициенты А, откло­ нения К от среднего (К — 1) и (А — I)2, необходимые для подсчета коэффициента вариации Сѵ. Коэффициент асимметрии принят рав­

Непосредственное интегрирование асимметричной биноминальной кривой затруднено, поэтому последующее построение ее ведется

обеспеченности максимального расхода (рис. 67). Построение кривой целесообразно вести не на миллиметровке, а на бумаге, где горизон­ тальная ось имеет логарифмическую шкалу, а вертикальная — рав-

124

125

Т а б л и ц а 13

Ч

номерную. При использовании такой бумаги теоретическая кривая обеспеченности на участке малых обеспеченностей (0,01—1%) рас­ полагается более полого и пользоваться ею более удобно и надежно.

Строить кривую для обеспеченности максимальных расходов ниже 50% практически нет необходимости. Правая ветвь обеспечен­ ности необходима лишь при изучении годового или минимального стока.

Правильность построения теоретической кривой проверяется путем нанесения на клетчатку вероятностей значений расходов, полученных на основе фактических измерений, т. е. по данным граф 5 и 9 табл.И. Если при этом окажется, что вся система точек более или менее симметрично расположена относительно теорети­ ческой кривой, то это говорит о правильности выбора соотношения между С0 и Cs. Если же обнаруживается систематическая разность, то вычисления и построения кривой должны быть повторены с иным значением Cs.

При проектировании ответственных сооружений, для которых отыскивается расход малой обеспеченности (0,01, 0,1%), к найден­

•126

По величине гарантийной поправки можно решить вопрос о достаточности принятых в обработку значений расходов (длине

вергнуться опасности разрушения, наступит ли это через пять или пятьдесят лет. Это один из недостатков статистического метода расчета.

127

2 . М и н и м ал ьн ы й р а сх о д

Минимальные расходы определяют для решения таких важных вопросов, как водоснабжение, орошение, судоходство, строительство гидроэлектростанций и др.

Минимальные расходы на реках наступают в период, когда отсутствует поверхностный сток и реки имеют преимущественно грунтовое питание. Для большинства рек снегового питания это периоды межени — летней или зимней.

В соответствии с характером питания минимальный сток рек находится в зависимости от гидрогеологических и геологических условий, от размеров бассейна и его залесенности, заболоченности и озерности. Важную роль в формировании минимального стока играет климат. Влияние климата существенно для рек с большими площадями бассейнов. Это дает возможность составления специаль­ ных карт, на которых в виде изолиний показывают средние месячные минимальные модули стока (л/с-км2), и использования этих карт для расчетов минимального стока.

На Европейской части Союза ССР модули минимального стока медленно убывают от 3—4 л/с-км2 на северо-западе, до нуля на юго-востоке. Средняя величина модуля для названной территории равна 1,5—2 л/с-км2.

Минимальный сток малых рек не поддается картированию, так как он в сильной степени зависит от местных геологических и гид­ рогеологических условий.

Методика расчета минимального стока и достоверность полу­ чаемых данных зависят от наличного материала. Если имеются длинные ряды наблюдений за минимальным стоком, то применяется статистический метод, аналогично рассмотренному в § 40. Если ряды наблюдений ограничены, применяется метод аналогии; при этом для бассейна-аналога, имеющего длинный ряд наблюдений, строят кривую обеспеченности минимального стока, по ней находят расход заданной обеспеченности для реки-аналога, а на основании этого расхода, по графику связи, — минимальный расход на изу­ чаемом створе. Если наблюдения минимальных расходов отсут­ ствуют, то используют карты изолиний среднемесячного минималь­ ного стока, помещенные в строительных нормах. Погрешность определения минимального стока по картам составляет 10—20%. Более точные величины минимального стока определяют на основе специальных полевых изысканий.

§ 41. РАБОТА II ЭНЕРГИЯ РЕКИ

Выпавшие на территорию речного бассейна осадки (вода) обла­ дают запасом потенциальной энергии, поскольку они оказываются на более высоких уровнях, чем базис эрозии. При последующем движении по склонам рельефа, а затем по руслу к устью вода совер­ шает работу и постепенно растрачивает весь имевшийся у нее запас энергии. При этом энергия расходуется на трение частиц воды

128

о дно и о берега, на трение частиц воды между собой, на перемещение, перенос и перетирание наносов.

Определим, каким запасом энергии (какой мощностью) обладает река, имеющая падение h и средний расход Q м3/с.

Из курса физики известно, что работа А силы тяжести не зависит от длины и формы пути, проходимого телом (водой), и равна про­

N находят как отношение работы ко времени t, в течение которого работа совершена

= = (9)

Применительно к рассматриваемому случаю произведение массы т, умноженной на ускорение g силы тяжести и деленной на время t, можно приравнять

Тогда N = 1000-Q-h кгм/с. В лошадиных силах и ваттах мощ­ ность реки будет соответственно равна

в электрическую осуществляется при помощи турбин, то при под­ счетах должен быть еще учтен коэффициент полезного действия (к. п. д.) турбин. К. п. д. современных турбин достигает 92—94%, поэтому получающееся при этом снижение мощности незначительно.

Из формул (9) — (11) следует, что мощность реки зависит от расхода воды в реке и величины ее падения. И поскольку обе эти величины для конкретной реки имеют вполне определенные, конеч­ ные значения, то и энергия реки также является величиной конечной. Из этого следует более общий вывод о том, что гидроэнергетические ресурсы любой страны также ограниченны.

Для практического применения приведенных выше формул в избранном месте на реке необходимо создать напор, т. е. разность уровней перед плотиной (верхний бьеф) и ниже ее (нижний бьеф) и направить воду на лопасти турбин. Достигается это строительством плотин и гидроэлектростанций при них. При этом на горных реках, где расходы обычно не очень велики и река имеет узкую долину, строят высоконапорные плотины (высотой 100—300 м), на равнинных реках, при больших расходах, строят плотины небольшой высоты

(до 50 м).

На реках значительного протяжения обычно проектируют не одну, а целую систему следующих одна за другой плотин. Такая система плотин и ГЭС называется к а с к а д о м (рис. 69).

Каскад электростанций проектируется таким образом, чтобы поднятый у каждой плотины до проектной отметки (НПУ) уровень воды распространялся вверх по течению реки до соседней электро­ станции. В таком случае возможно получить от реки максимум электроэнергии и улучшить условия судоходства и лесосплава.

Рис. 69. Каскад электростанций на р. Енисей

Необходимость сопряжения бьефа между станциями на реке ставит перед энергетиками на начальных стадиях проектирования специфическую задачу составления «схемы использования реки», в которой, в частности, должны быть решены такие важные вопросы, как количество электростанций, которое будет запроектировано, где они будут размещены, какова должна быть величина проектного напора и мощность каждой станции. Без решения этой общей про­ блемы нельзя говорить о строительстве какой-то конкретной гидро­ станции.

§ 42. КРИВАЯ ПОДПОРА

После строительства на реке плотины естественный характер движения воды в русле нарушается, с верхней по течению стороны

плотины (в верхнем бьефе) образуется водохранилище (рис. 70) с характерным негоризонтальным продольным профилем, который называют к р и в о й п о д п о р а ZH.

130

Кривая подпора имеет сложный характер, зависящий от уровня воды в водохранилище, от площади поперечного сечения русла и долины реки, от скорости потока и коэффициента шероховатости русла и поймы. Кривая подпора на больших водохранилищах распро­ страняется на значительные от плотины расстояния. Место, где кривая подпора выходит на естественный уровень реки, называют в ы к л и н и в а н и е м подпора. В зависимости от степени напол­ нения водохранилища выклинивание кривой подпора меняет свое положение. Так, в периоды половодий и паводков выклинивание подпора происходит на более высоких отметках и на большем уда­ лении от плотины, при меженных уровнях — на более низких отмет­ ках и соответственно ближе к плотине.

Приближенное расстояние L от плотины до места выклинивания кривой подпора можно подсчитать по формуле

где h — созданный у плотины напор,

і— средний продольный уклон водной поверхности реки.

Внепосредственной близости к плотине, когда значительные массы воды поступают на лопасти турбин, уровни воды могут быть несколько ниже НПУ.

Необходимость знания кривой подпора диктуется важными

положениями. Отметки уровня воды в водохранилище на участке ZH — ZK оказываются выше отметки НПУ (см. рис. 70), поэтому при обозначении на местности (отбивке) контура водохранилища должна быть учтена эта величина возвышения уровня, так как в про­ тивном случае часть объектов после наполнения водохранилища может оказаться в зоне затопления или подтопления. Помимо этого, на указанном участке создается дополнительный (против НПУ) запас воды, который при сработке водохранилища дает дополнительно некоторое количество электроэнергии. В итоге знание положения кривой подпора дает возможность предрассчитать величину этого резервного источника.

Детальное изучение кривой подпора и характера ее изменения целесообразно только для больших водохранилищ. Как уже говори­ лось, расчет кривой подпора делается на основе гидравлической теории. Однако существующая теория пока еще не в состоянии учесть всю массу факторов, влияющих на характер кривой подпора на конкретном участке реки, поэтому для проверки теории необхо­ димо иметь материалы фактических наблюдений за кривой подпора. Для этой цели наиболее пригодны геодезические методы, в частности методы высокоточного геометрического нивелирования. Однако за­ дача определения фактической кривой подпора достаточно сложная, так как в связи с большими размерами водохранилищ необходимо длительное время прокладывать нивелирные ходы большой длины и высокого класса (второго и первого), во многих частях водохрани­ лища вести наблюдения за уровнями и учитывать другие факторы.