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

и на другом берегу должен быть проложен ннвелир-теодолитный ход (рис. 83), и оба эти хода должны быть взаимно увязаны, т. е. образовывать единую систему (полигон).

После завершения всех измерений производят плановую и высот­ ную увязку ходов и вычисляют координаты и высоты всех точек.

а одну из сторон хода или направление гидроствора (ось плотины или мостового перехода) принимают за исходное и присваивают «му определенный дирекционный угол (0°00,0').

нии 20, 25, 50 м, в зависимости от ширины реки, масштаба съемки и характера дна. Положение промерных вертикалей на поперечнике определяют с вершин теодолитного хода прямой угловой засечкой или по тросу. Расстояние между промерными вертикалями на попе­

152

Отметку дна Я г- на каждой вертикали вычисляют по формуле

Ні = Нуъ — hi,

где Н ув — отметка уреза воды на промерном поперечнике, hi — измеренная глубина.

Перед началом промеров на данном поперечнике у уреза воды забивают кол в уровень с водой. Его отметку определяют от бли­ жайшей высотной точки техническим нивелированием.

На реках с быстрым течением, когда удерживать лодку с мерщи­ ком глубин на поперечнике затруднительно, применяют метод, косых галсов или продольников.

катер также движется по створу, обозначенному вехами, но он располагается под углом к направлению течения реки. Плановое положение промерных вертикалей определяют прямой угловой

Если производятся съемки больших акваторий, то для промеров глубин целесообразно использовать небольшой катер, на котором установлен эхолот, а плановые определения положения катера вести радиогеодезическими методами, используя способы радиолага или фазового зонда.

При работе по способу радиолага используют три станции: одну ведущую, помещаемую на промерном судне (катере), и две ведомые (отражающие), располагаемые на берегах, в точках с из­ вестными координатами. Поскольку по системе радиолага можно определять только приращения расстояний до береговых станций, то исходные положения катера в начале и конце промерного профиля определяют геодезическими методами (прямой угловой засечкой), а все последующие положения судна находят по изменениям расстоя­ ний до береговых станций. Предельная погрешность в определении координат точек промерного профиля методом радиолага в настоящее время не превышает 3 м.

153

Работы по методу фазового зонда также ведутся при помощи одной ведущей и двух отражающих станций. Метод фазового зонда более трудоемок и менее точен, поэтому им пользуются редко.

Обработка данных промера сводится к нанесению на заранее составленный план участка реки характерных точек профиля дна с показом их отметок или глубин и к последующему изображению дна в горизонталях или изобатах — линиях равных глубин.

Если материалы съемки предназначены для проектирования сооружения, которое частично находится в воде, а частично распо­ ложено на берегах, то рельеф дна изображают в горизонталях; для целей судоходства на планах показывают изобаты.

Исходные точки профиля наносят на план по данным геодези­ ческих измерений; характерные точки дна переносят на план при помощи специальных стадиометрических сеток, представляющих собой систему концентрических окружностей с центрами в местах расположения отражающих станций.

47. ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ

Скорость течения на реках измеряют для изучения режима скоростей и расходов воды, для удовлетворения нужд судоходства и для изучения наносов. Измерения скоростей течения производят на однажды выбранном и закрепленном гидростворе.

Рассмотрим наиболее употребительные и представляющие про­ изводственный и научный интерес средства и методы измерения скоростей — поверхностные поплавки, поплавки-интеграторы, гид­ рометрические вертушки.

1. Определение скорости поверхностными поплавками

поплавки изготовляют из подручных материалов: досок, срезов толстых стволов деревьев; в качестве поплавков можно использовать бутылки, частично заполненные водой. При изготовлении поплавков желательно выдерживать определенные размеры, показанные на рис. 86.

Поплавковые измерения скоростей необходимо производить в без­ ветренную погоду (штиль), чаще всего в утренние или вечерние часы.

Для измерения скоростей поверхностными поплавками на реке разбивают три поперечника (створа) на равных расстояниях один от другого (рис. 87). Верхний В , главный Г и нижний Н створы закрепляют кольями и около каждого кола ставят вехи. Расстояние L между верхним и нижним створами назначают из расчета, чтобы поплавок на самом быстром участке реки (стрежне) проходил его за 30—40 с. Если расстояние L принять больше, то это, с одной стороны, вызовет неоправданную затяжку наблюдений и снизит их точность, так как путь поплавка в таком случае будет более L (по­

154

плавок может плыть не по кратчайшему расстоянию между створами), и, с другой стороны, вычисленное значение скорости будет относиться не к главному, а к какому-то другому неопределенному створу, Уменьшать расстояние между створами нежелательно, так как тогда на результатах измерений будут заметно сказываться ошибки фиксации моментов прохождений поплавков через

створ. Отрезок L на местности откладывают рулеткой.

Для фиксации места про­ хождения поплавка через глав­ ный створ на берегу разбивают базис, с конца которого засе­

кают поплавки, или для этой же цели через реку натягивают размечен­ ный трос. Поплавки пускают с лодки на 5—10 м выше верхнего створа, т. е. с так называемого пускового створа, который обычно на мест­ ности не обозначается. В момент, когда поплавок пересекает верхний

Рис. 87. Определение скоростей течения по­ верхностными поплав­ ками

створ, фиксируется время (пускают секундомер); при прохождении поплавком главного створа вновь отмечается время, и местоположе­ ние поплавка определяется засечкой теодолитом или мензулой; при прохождении нижнего створа производят заключительный отсчет, отмечают время до десятых долей секунды (секундомер останавливают). Поскольку скорость речного потока не остается постоянной во времени, для уточнения результатов, после пуска первого поплавка, примерно с того же места пускают еще мини­ мум два, засекают их положение и время прохождения через створы. Кроме того, при этом уменьшается влияние ошибки фиксации

155

времени при прохождении поплавка через створы. Результаты измерений скорости после пуска трех поплавков считают удовлетво­ рительными, если расхождения между результатами трех измерений времени не превышают 10 % от времени хода поплавка между верхним и нижним створами.

Закончив измерения на первой точке, переходят на новую, где пускают новую группу поплавков. Так последовательно определяют скорости по всей ширине реки.

Погрешность в определении скорости при помощи поверхностных поплавков зависит от величины самой скорости, от характера русла, состояния погоды и составляет около 8—15%.

Метод поверхностных поплавков может быть применен почти на всех реках достаточной глубины. Этот метод широко применяется для определения скорости течения во время ледохода.

Поплавковые определения скорости могут выполняться в соче­ тании с аэрофотосъемкой. В таком случае можно определять скорости на значительных пространствах реки, а не только на одном створе.

Описанный выше метод позволяет определить поверхностные скорости течения, однако для последующих вычислений или иссле­ дований часто требуется знать скорости с р е д н и е . Переход к средним скоростям, которые обычно меньше поверхностных, может быть совершен при помощи поправочного коэффициента К , который либо специально определяется для данного места на реке, либо принимается приближенно равным К = 0,80 ~ 0,85. В итоге среднюю скорость находят так

^ ср ^пов " К .

2. Определение скорости поплавками-интеграторами

П о п л а в к и - и н т е г р а т о р ы представляют собой простое и оригинальное устройство, позволяющее определять среднюю скорость течения. Это устройство состоит из штанги и рейки с деле­ ниями, из небольших шарообразных пустотелых поплавков из пластмассы и устройства (полусферы на шарнире) для удержания поплавка у основания штанги (рис. 88).

При определении скорости штангу вместе с одним поплавком устанавливают на дно реки, рейку, шарнирно соединенную со штантой, кладут на поверхность воды по направлению течения; при помощи тросика полусферу отводят в сторону и поплавок всплывает. В процессе всплывания поплавок проходит слои воды с разными скоростями и как бы интегрирует их, что в конечном счете дает возможность определить среднюю скорость.

В процессе наблюдений необходимо определить время ts всплы­ тия и место появления поплавка на поверхности воды, т. е. про­ извести отсчет L по рейке. Скорость находят по формуле

<12)

156

Описанный процесс измерений может быть несколько усовершен­ ствован за счет исключения регистрации времени. Для этого предва­ рительно, в стоячей воде, определяют скорость всплытия поплавка ѵ0, т. е. производят его тарирова­ ние. Из результатов тарирования,

пользуясь формулой ѵ0 =

h

можно наити ts = — ; подставив

ѵ0

его в приведенное выше выраже­ ние, окончательно получим

Поплавки-интеграторы дают хорошие результаты на реках с не­ большой скоростью течения (менее 0,5 м/с). Ошибка в определении

157

Принцип измерения скорости вертушкой основан на том, что между скоростью ѵ водного потока и скоростью вращения лопастного винта может быть установлена зависимость

v = f{n),

где п — число оборотов винта в единицу времени.

Эта зависимость устанавливается в лабораторных условиях и называется т а р и р о в а н и е м .

Тарирование выполняется в специальных бассейнах прямолиней­ ного или круглого очертания, в которых вертушка погружается в стоячую воду бассейна, перемещается на специальной тележке, приводимой в движение электромотором со строго определенной

Arc. 90. Тарировочное уравнение вертушки

скоростью. После многократных (25—30) прокатываний тележки (вертушки) и записи результатов на ленту хронографа можно уста­ новить зависимость ѵ = / (п). Эта зависимость может быть пред­ ставлена или графически — в виде тарировочной кривой, или анали­ тически — уравнением.

На рис. 90 показан общий характер тарировочной кривой 1,

у которой можно выделить два участка: верхний — прямолинейный

инижний — в виде кривой (нижний участок дополнительно показан кривой 2 в более крупном масштабе). Прямолинейному участку соответствует уравнение вида

и — ѵ0-j- к •п,

криволинейному — уравнение

V = а • п У b • н2 -ф- ѵ0.

В приведенных формулах а, Ъ, к — постоянные коэффициенты, свойственные конкретному образцу вертушки и определяемые в ходе тарирования; п — число оборотов винта в секунду; ѵ0 — начальная

158

скорость вертушки, т. е. это какая-то наименьшая скорость течения, при которой вертушка только начинает работать. Чем меньше на­ чальная скорость у вертушки, тем выше ее чувствительность и соответственно выше качество.

В ходе полевых работ за счет естественного износа и засорения наносами подшипников лопастного винта тарировочное уравнение вертушки постепенно претерпевает изменения. Поэтому тарирование вертушки нужно периодически повторять. Так как измерения скоростей вертушкой производят преимущественно для последующего вычисления расхода воды, то тарирование вертушки рекомендуется делать после определения 30—50 расходов, а если вода в реке содер­ жит много наносов, то чаще.

Методика измерения скоростей течения вертушкой строится таким образом, чтобы при минимальных затратах времени наиболее полно выявить характер распределения скоростей по глубине потока (§ 34). В связи с этим для летних определений скоростей рекомен­ дуется пятиточечный способ, а для зимних — шеститочечный. Летом гидрометрическая вертушка устанавливается на условных глу­ бинах h: у поверхности, 0,2; 0,6; 0,8h и у дна, а зимой в 15—20 см от нижней кромки льда, 0,2; 0,4; 0,6; 0,8/г у дна. Если требуется определить скорость в сжатые сроки или глубина потока меньше 0,5 м, то применяют сокращенные способы: летом двухточечный (0,2; 0,8h) или одноточечный (0,6/г); зимой трехточечный (0,15; 0,5; 0,85h).

Среднюю скорость для названных выше случаев вычисляют по одной из формул

В формулах (14) обращает на себя внимание то, что средняя скорость на вертикали в многоточечных способах выводится не как среднее арифметическое из измеренных скоростей, а как среднее весовое. Причина этого в различной степени доверия к отдельным результатам. Скорости, измеренные у дна и вблизи него, в сильной степени искажаются пульсацией скорости потока. Скорость течения у поверхности может быть искажена движением воздуха (ветра) и волнением воды, поэтому указанные скорости получают минималь­ ный вес.

Для ослабления влияния пульсации потока на результаты изме­ рений устанавливают минимальную продолжительность наблюдений в каждой точке вертикали. Так, для летних наблюдений минималь­ ная продолжительность приведена в табл. 15.

159

Если скорость потока меньше 0,2 м/с, наблюдения продолжают около 10 мин.

Гидрометрическая вертушка дает возможность определить ско­ рость с погрешностью 3—5 %.

Процесс измерений начинается с определения глубины потока и расчета глубин установки вертушки. Далее вертушка на штанге или тросе опускается в воду и начинаются собственно измерения скорости; они состоят в регулярной регистрации времени (по се­ кундомеру) после каждых 20 оборотов лопастного винта (табл. 16), когда происходит замыкание электрической цепи вертушки и заго­ рается контрольная лампочка (звонит звонок). Наблюдения прекра­ щаются на очередном четном контакте по прошествии 2, 3, 4 или 5 мин в зависимости от требуемой продолжительности наблюдений. Для сокращения записей время можно фиксировать не на каждом кон­ такте, а через контакт или через два контакта, но это уже соответ­ ствует 40 или 60 оборотам лопастного винта.

Наблюдения в данной точке скоростной вертикали считают удовлетворительными, если выполняется условие: разность во времени между продолжительностью первой и второй половин наблюдений не должна превышать 10 % от половины времени наблю­ дений. В табл. 16 эта разность составляет 95 — 88,4 = 6,6 сек, при допуске 9 с. Если контроль не соблюдается, наблюдения на

160

Выполнив измерения скоростей на всех глубинах в данной точке, переходят на новую скоростную вертикаль. Число скоростных вертикалей назначают в зависимости от ширины реки, пользуясь табл. 17.

При правильной — корытообразной форме русла реки скоростные вертикали располагают равномерно по всей ширине реки, при непра­ вильной форме русла чаще у берегов и стрежня, а также на резких перегибах дна.

Необходимость в ограничении числа вертикалей диктуется тем, что полагается измерять скорость в живом сечении в течение одного дня, а так как наблюдения на каждой скоростной вертикали за­ нимают около 20—30 мин, то при большой ширине реки на выполне­ ние работ требуется 8—10 ч.

4.Применение аэрометодов

Впоследнее время все чаще и чаще делают попытки использовать при изысканиях для определения скоростей течения и других харак­ теристик потока аэрометоды, которые можно по-разному использо­ вать при гидрологических исследованиях. Имеется, например, успешный опыт производственного применения аэросъемки для определения поверхностной скорости течения. Эти измерения были организованы следующим образом.

С пускового створа пускали поплавки — круглые щиты диаме­ тром около 2 м, которые многократно, с интервалом 4—5 мин, фото­ графировали с самолета одиночными снимками. Время между момен­ тами фотографирования определяли по показаниям часов, вмонти­ рованных в АФА; пройденный поплавками путь измеряли по спе­ циально созданному фотоплану участка реки, на который положение поплавков переносили со снимков. Этим методом можно определять поверхностные скорости с погрешностью 5—10% и одновременно получить направление течений на значительном по протяжению участке реки.

Недостаток этого способа заключается в необходимости наземной геодезической привязки аэроснимков для составления фотоплана.