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

В этом отношении более перспективным считается стереоскопический метод определения скорости течения, подробно рассмотренный

вработе [34].

Вэтом методе плывущие по реке поплавки снимают на плановые перекрывающиеся между собой снимки; на снимках обязательно должны быть сфотографированы оба берега реки. После обработки снимков на простейших фотограмметрических приборах (параллак­ тические линейки, топографические стереометры) скорость вычи­ сляют по формуле

вал At, аналогичная смещению точек на снимках под влиянием рельефа местности (разности продольных па­ раллаксов).

Из анализа формулы (15) и на основе опытных работ установлено,

•что погрешность поверхностной скорости, определяемой стереоскопи­ ческим методом, не превышает 2 %.

§ 48 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ

Для определения расходов во ды в і ірометрии имеется несколько методов, например метод смешения, гидравлический, объемный. Однако чаще расходы воды вычисляют на основе измеренных в живом сечении глубин и скоростей. При наличии таких данных расход воды можно вычислить аналитическим, графоаналитическим или графомеханическим способами. Рассмотрим один из наиболее употре­ бительных — г р а ф о а н а л и т и ч е с к и й с п о с о б .

1. Графоаналитический способ вычисления расходов воды

Вычисления производят на графике (рис. 91), в такой последо­

вательности.

Сначала (с учетом избранного для построения горизонтального масштаба) заполняют находящиеся под профилем графы, т. е. указы­ вают номера промерных и скоростных вертикалей, выписывают глубины, измеренные скорости, расстояния от постоянного начала до скоростных и промерных вертикалей. Если по результатам на­ блюдений на водомерном посту оказывается, что уровень воды во время измерений глубин отличался от уровня в период измерения скоростей более чем на 2 см, то до начала вычисления расхода в из­ меренные глубины на промерных вертикалях должна быть введена поправка-срезка.

‘162

На основании записанных значений глубин в подходящем верти­ кальном масштабе строится профиль живого сечения. Последующие

Рис. 91. Вычисление расхода воды графоаналитическим способом

вычисления расхода основываются на введении понятия элементар­ ного расхода q, который находят как произведение глубины на среднюю скорость ѵср, т. е.

Элементарный расход можно понимать как расход воды через единичную меру ширины реки, например через 1 м. Однако прежде чем воспользоваться приведенной формулой, необходимо проделать подготовительные построения, так как значения скоростей пока еще имеются только на ограниченном числе вертикалей — на скоростных вертикалях; на промерных вертикалях скорости неизвестны. Чтобы их определить, на вертикальной оси выше уровня воды строят масштаб средних скоростей (он должен быть по возможности круп­ ным) и, пользуясь им, наносят на график положение всех известных скоростных вертикалей; все точки соединяют между собой плавной

кривой, а крайние точки соединяют с урезами воды, в итоге получают кривую средних скоростей, отражающую распределение скорости по ширине реки. Далее, по этим кривым находят скорости на верти­ калях, где таковые не определялись, т. е. скорости для всех про­ мерных вертикалей; значения этих скоростей на рис. 91 записаны в скобках.

Найдя скорости, вычисляют элементарные расходы по формуле (16) и записывают их в соответствующую графу под профилем.

Общий расход воды Q через живое сечение находят как сумму частичных расходов, используя формулу

где q-y, q2, q3, qn — элементарные расходы в квадратных метрах

Найденное значение расхода воды выписывают на график, учиты­ вая, что скорости, определяемые гидрометрической вертушкой, содержат погрешность около 3—5%; расход воды округляют до трех значащих цифр, например: 3,52; 35,2; 352 м3/с.

Заключительная часть вычислений расхода графоаналитическим способом может быть несколько изменена. Можно, например, на основании найденных значений элементарных расходов построить кривую элементарных расходов. Если затем площадь, ограниченную кривой элементарных расходов и уровнем воды, обвести планиметром с известной ценой деления, то можно сразу получить общий расход воды, протекающей через живое сечение. Такой порядок определения расхода называется г р а ф о м е х а н и ч е с к и м с п о с о б о м .

Расход воды, вычисленный на основе средних скоростей, назы­ вают действительным ()д, в отличие от расхода @ф, полученного по поверхностным скоростям, который называют ф и к т и в н ы м .

при одинаковых уровнях воды в реке есть не что иное как отношение скоростей: средней к поверхностной. Поэтому чтобы надежно опре­ делить К, лучше одновременно, в один день, определить средние (вертушкой) и поверхностные (поплавками) скорости и на их основе вычислить Qa и 0ф. Их отношение дает значение искомого коэф­ фициента К , величина которого, как упоминалось ранее, для есте­ ственных водотоков обычно находится в пределах 0,7—0,9.

164

2'. П р и м ен ен и е а эр о м ет о д о в

При изысканиях мостовых переходов и гидротехнических соору­ жений, особенно когда нужно знать расходы воды в период поло­ водья или паводка, т. е. при высоких уровнях, могут успешно применяться аэрометоды. Рассмотрим один из возможных методов определения расхода воды с использованием материалов аэрофото­ съемки, подробно описанный в работе [34].

Рпс. 92. Сосуды с жидкостью-индикатором

Метод основан на применении поплавков-интеграторов. Обра­ тимся снова к формуле (13) и перепишем ее в виде

уср •& = £• ко­

произведение скорости на глубину есть элементарный расход, поэтому можно записать

q = L-v о,

т. е. элементарный расход может быть найден как произведение расстояния до места всплытия поплавка на поверхность на скорость всплытия. Если по всей ширине исследуемого створа на реке пущено какое-то количество поплавков-интеграторов и для каждого из них определено q, то далее с известными расстояниями между местами пуска поплавков общий расход воды может быть легко подсчитан графоаналитическим или графомеханическим способом.

В рассматриваемом методе в качестве поплавков-интеграторов используется жидкость-индикатор, удельный вес которой меньше единицы. Жидкость-индикатор помещается в закрытый цилиндри­ ческий сосуд 1 (рис. 92), у верхнего основания которого сделано три симметрично расположенных отверстия 2 диаметром 5 мм, предназ­ наченных для выхода индикатора и входа в сосуд воды. Приваренные с боков цилиндра штыри обеспечивают более высокое расположение отверстий, когда сосуд опускается на дно, и тем самым беспрепят­ ственный выход индикатора в воду в течение 6—8 мин.

165-

Жидкость-индикатор представляет собой смесь 50% машинного масла и 50% керосина; она не только выполняет функции поплавков, но и является хорошим маркирующим средством. В местах выхода капель жидкости на поверхность быстро образуется контрастное пятно достаточных размеров, хорошо опознаваемое на аэроснимках.

Порядок работ по определению расходов воды аэрометодом

установлен следующий.

Над заранее намеченным створом, на заданной высоте, пролетает самолет (вертолет) и сбрасывает сосуды с жидкостью, одновременно при помощи АФА фотографируют места падения сосудов в воду (рис. 93). Сбрасываемых сосудов должно быть не менее требуемого

_______________— —-------------------------- Г«Ci

которого производится плановая аэрофотосъемка участка створа, необходимая для фиксации мест выхода индикатора на поверхность воды. Эту съемку ведут с 60%-ным перекрытием снимков и повторяют два-три раза для уточнения окончательных результатов, причем масштаб съемки должен быть таким, чтобы на нем получались оба берега реки.

В итоге проведенных работ получают аэроснимки (рис. 94): а) по вспомогательному маршруту с изображением на них мест падения сосудов 1, 2, 3, 4, 5; б) основного маршрута, на котором видны места выхода индикатора I, I I , III, IV, V на поверхность воды.

Обработка полученных материалов сводится к следующему: определяют L, вычисляют q, строят эпюры элементарных расходов

иопределяют общий расход воды. Величину L находят как сумму

L — Ü ± ДА,

366

где L — расстояние от условного створа до места выхода инди­ катора на поверхность;

AL — поправка за приведение места падения сосуда на условный створ.

Для получения L' на основных снимках вблизи линии падения сосудов выбирают (прочерчивают) условный створ между четкими контурами левого и правого берегов и затем на всех основных сним­ ках измеряют расстояния от условного створа до места выхода индикатора с точностью 0,1—0,2 мм. Если расхождения между L'

не превышают 10 % , находят сред­ нее LCp.

Далее по тем же контѵнам ѵс-

вспомогательного маршрута и от этого створа измеряют расстоя­ ния АL до мест падения сосудов в воду. Величина АL считается положительной, если сосуд упал выше створа, и отрицательной, если место падения находится ниже створа. Измерения производят с точностью 0,2—0,3 мм.

Как указывалось ранее, элементарный расход q подсчитывают как произведение L на скорость ѵ0 всплытия жидкости-индикатора. Скорость всплытия ѵ0 обычно заранее определяют экспериментально; в итоге получают зависимость вида q — / (L), которая обычно имеет вид, близкий к линейному.

После этого на основных снимках измеряют (по линии створа) расстояния Sn s2, s3, s4. . . от уреза берега до соответствующих мест выхода индикатора и, пересчитав их в расстояния на местности, строят по всей ширине реки эпюру элементарных расходов (рис. 95), на основе которой находят расход воды.

Рассмотренный способ весьма перспективный; он позволяет получить действительный расход с точностью 4—5%, причем почти не требует вспомогательных наземных работ. Пользуясь этим мето­ дом, можно определять расход в условиях, когда другие методы нельзя применять.

16Т

§ 49. ИЗУЧЕНИЕ ТВЕРДОГО СТОКА

Изучение твердого стока включает: определение расхода взве­ шенных, донных и растворенных наносов, вычисление суммарного стока наносов и определение их механического состава.

Из § 43 известно, что расход взвешенных наносов г = p-Q. Сле­ довательно, чтобы найти г необходимо определить относительную мутность и знать расход воды. Как определяется последний, рас­ смотрено выше. Для определения относительной мутности приме­ няют специальные приборы-батометры.

Батометры бывают мгновенного и длительного наполнения. В на стоящее время преимущественно используются батометры длитель­ ного наполнения, поскольку они дают возможность получить осредненные значения мутности; в противоположность им батометры

Рис. 96. Батометр-бутылка Рис. 97. Сетчатый батометр

мгновенного наполнения не в состоянии учесть пульсации в отно­ сительной мутности, в связи с чем они дают искаженные результаты и потому имеют ограниченное применение.

Среди батометров длительного наполнения наибольшее исполь­ зование получили батометры-бутылки. Как видно из рис. 96, этот батометр состоит из бутылки 1, в горловину которой вставлены две трубки: водозаборная 2 и трубка 3, отводящая воздух; к бутылке для утяжеления крепятся грузы 4, а если батометр опускается на тросе, то к нему укрепляется еще и хвост 5. Диаметр трубок, вставляемых в бутылку, сменный: он зависит от скорости течения.

Исследования, проведенные с батометрами-бутылками, показали, что они не отличаются высокой точностью, так как какая-то часть наносов обходит входное отверстие водозаборной трубки. Более совершенным прибором для определения мутности является ва­ куумный батометр, но устройство его значительно сложней.

зируют для каждой точки отдельно. Заметим, однако, что какой-то

168

типовой эпюры распределения мутности по глубине и в живом сече­ нии, как это имеет место с эпюрой скоростей, не существует. Можно построить лишь эпюру, присущую только данному живому сечению и данной вертикали. Среднее значение мутности приближенно считают на глубине 0,5/г—0,6/г.

При с у м м а р н о м способе анализы проб воды также берут с разных глубин, чаще на 0,2h и 0,8/і, но сливают воду в одну посуду и в итоге определяют осредненное значение мутности. Если мутность оказывается менее 20 г/м3, то также поступают с пробами, отобран­ ными в отдельных точках живого сечения, в итоге находят суммарную мутность для всего изучаемого створа.

Число вертикалей в живом сечении назначают равным числу скоростных, но если последних больше шести, то наблюдения ведут через одну вертикаль. Впрочем, допускается не только иное распо­ ложение вертикалей для взятия проб, но и наблюдения на другом створе, в некотором удалении от створа, где определялись расходы. Требуется лишь, чтобы скорости течения на створе обеспечивали хорошее перемешивание воды и наносов.

Для определения расхода взвешенных наносов рекомендуется вести измерения в следующие сроки: летом — 2 раза в месяц, зимой 1 раз в месяц. В период половодий и паводков число ежемесячных измерений должно увеличиваться.

Выделение наносов из воды осуществляется фильтрованием через специальный беззольный фильтр или отстаиванием. Последующие вычисления расхода взвешенных наносов производят графоанали­ тическим или аналитическим способом. Эти вычисления весьма схожи с описанным ранее графоаналитическим способом вычисления расходов воды.

Для вычисления стока взвешенных наносов необходимо регулярно определять расходы наносов при разных уровнях; на их основе следует построить кривую г = f (Q) связи расходов Q воды и рас­ хода г наносов; по этой кривой, имеющей достаточно сложный вид, зная среднесуточные расходы воды, определяют среднесуточные расходы взвешенных наносов. Сток взвешенных наносов подсчи­ тывают по формуле, приведенной в § 43.

В те же сроки, когда ведут измерения взвешенных наносов, определяют и расход донных наносов.

Для улавливания донных наносов применяются различные по конструкции батометры, из которых наиболее употребительные батометр «Дон» для улавливания мелких влекомых песчаных наносов и батометр ГГИ (Государственного гидрологического института) для крупных гравелистых и галечных фракций (рис. 97).

Батометр при измерении донных наносов опускают на дно на каждой скоростной вертикали и производят серию из 3—5 последо­ вательных наблюдений, изменяя продолжительность пребывания батометра у дна от 10—20 с до нескольких минут.

Задержанные батометром наносы помещают в мерный сосуд для определения их объема. Последующая обработка наносов сводится

169

к их высушиванию, взвешиванию, подсчету объемного веса и опре­ делению механического состава.

По измеренным значениям расходов донных наносов определяют для каждой вертикали элементарный расход, т. е. расход наносов в 1 с, приходящийся на 1 ног. м ширины реки. По элементарным расходам Apg с известными расстояниями между вертикалями вы­ числяют полный расход g донных наносов

g = 2 Apg 'Ъ г/с = 0,001 • 2 Арё • Ь кг/с.

Подсчет стока донных наносов ведется на основе кривой связи = / (Q), по которой, зная среднесуточные расходы воды, можно найти и среднесуточные расходы донных наносов, а уже по ниді

и сток G (годовой) наносов

G = 31,5.10».£.

Учет донных наносов производят с невысокой точностью вслед­ ствие несовершенства применяедшх приборов, изменения расхода донных наносов по ширине реки и ненадежности связи G = /(<?). Однако большого практического значения это обстоятельство не имеет, так как донные наносы составляют около 5% от стока взве­ шенных наносов.

Если требуется учесть сток растворенных наносов, то поступают следующим образом.

Осветленную после отстоя или профильтрованную воду (при выделении взвешенных наносов) выпаривают, остается при этом остаток — растворенные наносы. Дальнейшая обработка раство­ ренных наносов ведется аналогично взвешенным.

§ 50. ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ

При выполнении гидрометрических работ приходится длитель­ ное время находиться на акваториях рек, водохранилищ, водоемов, озер, использовать различные плавательные средства. При этом работающие могут оказаться под воздействием таких опасных внеш­ них факторов, как шторм, волнение, большие скорости течения, ливни, туманы, пребывание на льду и т. д. В необжитых и горных районах изыскатели связаны с опасностью горных обвалов, камне­ падов, лавин, необходимостью преодоления болот, топей, встречей с хищными зверями, вредными насекомыми, змеями. Ряд дополни­ тельных трудностей возникает в зимних условиях.

Для предотвращения травм и несчастных случаев при полевых гидрометрических работах важно строго соблюдать правила по тех­ нике безопасности, использовать только исправное оборудование, инструменты, быть дисциплинированным. Эти нормы изложены в «Правилах по технике безопасности при производстве гидрометео­ рологических работ» и в ряде других специальных документов.

170