книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

Расход воды от прорыва плотины для мостового перехода, рас­ положенного в верхнем бьефе водохранилища, определяется по формуле (ѴІ-40):

створе перехода; Ня — напор, определяемый как разность наинизших отметок дна водохранилища в створах перехода и пло­ тины; b — ширина водохранилища в створе плотины при напо­ ре h.

§ 28. ЗАРУБЕЖНЫЕ МЕТОДЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Развитие инженерной гидрологии в зарубежных странах сопро­ вождается резкими контрастами. Новые прогрессивные методы рас­ чета паводков теряются в эмпирических часто грубейших зависи­ мостях, многие из которых имеют столетнюю давность. Этому спо­ собствует отсутствие каких-либо общегосударственных нормативов по методикам оценки стока и запасам для проектирования водо­ пропускных сооружений Б

Ведущее место в зарубежной гидрологии принадлежит США, что объясняется как климатическими особенностями этой страны (формирование стока от ураганных ливней исключительной силы), так и наибольшим по сравнению с другими странами Запада раз­ махом гидротехнического строительства. Довольно обширные раз­ работки по инженерной гидрологии имеются и в таких странах, как Франция, Англия, Индия, Италия, Австрия, а в последнее 20-летие

иАвстралия.

Вразвитии инженерной гидрологии в СССР можно провести четкую границу между старыми, вышедшими из употребления, и новыми методами расчета стока. В странах Запада, где и в настоя­ щее время широко используются старые методики, такой границы провести нельзя.

Более чем за ПО лет зарубежная гидрология накопила свыше 200 эмпирических и полуэмпирических формул для расчета непо­ средственно отверстия водопропускного сооружения или макси­ мального расхода воды. Из этого количества формул около поло­ вины используются и в настоящее время [157]. По своему построе­ нию и полноте охвата влияющих факторов используемые за рубежом формулы можно объединить в шесть групп (табл. VI-14). Исторически каждая из групп формул появлялась параллельно с другими, но в целом можно видеть, что прогрессивные методы на­ ходят применение все чаще.1

1 Это не относится j< малым сооружениям, для которых нормируются расчет­ ные ВП паводков (например, нормативы некоторых штатов США; нормативы Австралии).

Вид формулы Авторы

1. Т р е б у е м а я р а б о ч а я п л о щ а д ь с о о р у ж е н и я в з а в и с и м о с т и от п л о щ а д и б а с с е й н а :

2. Р а с х о д в з а в и с и м о с т и от п л о щ а д и б а с с е й н а :

3. Р а с х о д в з а в и с и м о с т и от и н т е н с и в н о с т и о с а д к о в и п л о щ а д и б а с с е й н а :

a — коэффициент стока; a — интенсивность осадков; t — продолжительность дождя; /; L; H — уклон, длина и средняя высота водосбора; г — коэффициент, учитывающий озерность; К, Кі — постоянные числа

Вид формулы Авторы

5. С о о т н о ш е н и е в е р о я т н о с т н о г о и с р е д н е г о р а с х о д о в :

€ . В е р о я т н о с т н ы й р а с х о д в з а в и с и м о с т и от и н т е н с и в н о с т и о с а д к о в , г е о м е т р и ч е с к и х и ф и з и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к

В табл. V I-14 не включены два из наиболее прогрессивных мето­ да расчета максимального стока (метод единичного гидрографа и метод вероятного максимального количества осадков), появившихся в США в 1932— 1936 гг. Эти методики заслуживают более подроб­ ного рассмотрения, приводимого ниже.

Из рассмотрения табл. VI-14 можно сделать следующие вы­ воды.

1. Зарубежные гидрологи не пренебрегают и самыми грубыми эмпирическими зависимостями (например, требуемая рабочая пло­ щадь сооружения в зависимости от площади водосбора, связь рас­ хода лишь с географическим параметром и площадью водосбора

ные на такой паводочный сток, являются «абсолютно и полностью» безопасными {78] *.

Метод ВМКО построен на решении двух задач: 1) определение верхнего предела осадков при наиболее невыгодных, но вероятных синоптических условиях и 2) трансформация осадков в сток. Пер­ вая из задач решается на основе достаточно правдоподобных физи­ ческих схем, построенных с учетом таких данных, как многолетние величины максимальных осадков и распределение их по площади, перемещение воздушных масс, максимальная насыщенность атмос­ феры, орографические данные и т. п. В результате получают макси­ мально возможный ливень.

Для решения второй задачи привлекается метод единичного гидрографа. Наибольший возможный паводок (maximum possible Flood), соответствующий верхнему, теоретически возможному пре­ делу расхода, получают при наиболее благоприятных стокообра­ зующих факторах. Однако полученный таким образом расход, как считают американские гидрологи, определен с чрезмерным запасом

ипрактически невероятен. Поэтому при трансформации осадков в сток производят снижение расхода за счет приближения стокообра­ зующих факторов к реальным (например, повышением инфильтра­ ции почв, что снижает коэффициент стока), получая наибольший вероятный паводок (maximum probable’ Flood).

Расходы, полученные методом ВМКО, имеют весьма редкую ВП

иприближаются к предельным максимумам. Если сравнивать рас­ ходы maximum probable Flood (MPROF) с расходами, полученны­ ми по биноминальной кривой Пирсона III типа, то ВП их лежит в

пределах 0,01—0,001 (1 : ІО4— 1 : 105). Так, В. Майерс ([78], дискус­ сия) считает, что расходы «стандартного паводка», т. е. паводка ВП 1%, составляют 50—60% от расходов MPROF. Примерно та­ кую же оценку ВП расходов MPROF дает Я. Немец (Чехослова­ кия), который сделал ряд сопоставительных расчетов для р. Тигр и его притоков.

Метод ВМКО имеет еще много недостатков. В частности, не по­ лучили окончательного решения вопросы максимизации ливня и его трансформации в сток, несколько произвольно выбирается расчетная ВП паводка. Но, несмотря на недостатки, этот ориги­ нальный вариант композиционного метода определения экстрему­ мов, безусловно, перспективен. Его можно рассматривать как один из возможных путей получения верхнего предела генетических кри­ вых распределения максимумов. Что касается вопроса о выборе расчетной ВП паводка, то здесь, по-видимому, единственно пра­ вильным критерием является технико-экономическая оценка проек­ тируемого сооружения, что показано в § 74 гл. XVI.

Наряду с методом ВМКО в ряде зарубежных стран применяет­ ся и статистический метод, причем в последние годы для оценки ВП максимумов широко используется распределение Гамбела.

* Все крупные плотины в США и некоторые плотины в других странах за последние 30 лет запроектированы на максимумы, рассчитанные методом ВМКО.

Распределение крайних (наибольших) членов выборки, предло­ женное Е. Дж. Гамбелом в 1945 г., для оценки вероятности экстре­ мальных расходов основано на двойном показательном законе. Это распределение более приспособлено для расчета экстремумов эле­ ментов гидрометеорологических явлений. Прогрессивным в методе Гамбела является замена непрерывно возрастающей теоретической кривой распределения ступенчатой функцией, которая учитывает несовпадение эмпирических и теоретических значений статистичес­ ких моментов, а также введение доверительных интервалов. По­ следнее позволяет условно оценивать точность статистического метода.

На фоне отмеченного выше кризиса, который переживает ста­ тистический метод, многие зарубежные гидрологи принимают ма­ тематическую обоснованность распределения Гамбела чуть ли не за соответствие натурным данным, о чем для зоны весьма редких экстремумов не может быть и речи. В действительности распреде­ ление Гамбела гипотетично, как и известные распределения Пир­ сона, Гудрича, Шарлье, Фишера — Слейда, Жибра и т. п. Даль­ нейшее применение гипотетичных схем распределения бесперспек­ тивно; единственно правильный путь — это создание генетически обоснованных схем.

Остается, наконец, добавить, что в ряде наших и зарубежных работ (Г. А. Алексеева, 1961; Д. Л. Соколовского, 1967; Е. Глос — Р. Краузе, 1967; Ж. Жаке — Ж. Бернье, 1967) показывается малая гибкость кривой Гамбела (в ней параметр Cs= l,139 = const) по сравнению с распределением Пирсона III типа, вследствие чего по сравнению с последним она имеет еще большие отклонения от край­ них наблюденных точек. По сравнению с графо-аналитическим способом построения кривой ВП (проведение сглаживающей кри­ вой по эмпирическим точкам) оно также не имеет преимуществ.

Заканчивая обзор зарубежных методов гидрологических расче­ тов, нельзя не упомянуть об интересных американских и англий­ ских работах, посвященных геоморфологическим методам иссле­ дования рек, которые позволяют существенно расширить инфор­ мацию о редких паводках.

Первая из этих работ относится к 1929 г., когда английский ар­ хеолог Леонард Вулли при исследовании древней культуры шуме­ ров (остатки г. Ур на Евфрате) датировал 20-метровый слой нано­ сов реки. Оказалось, что эти наносы появились в результате ката­ строфического паводка, который охватил страну шумеров в 2957 г . 1 до нашей эры [10]. Паводок залил большую часть территории древ­ ней Мессопотамии к северо-западу от Персидского залива. Воз­ можно, что этот паводок весьма редкой ВП, оказавшийся для шу­ меров всенародным бедствием (в шумерских записях обнаружено его описание), спустя 2500 лет вошел в Книгу Бытия Библии ів виде легенды о всемирном потопе.

1 Дата 2957 г. приведена по данным проф. У. Хойт и проф. В. Лангбейн (США).

Из летописных источников известно и о другом величайшем на­ воднении древности, происшедшем в Китае (~ 2 7 0 0 лет до нашей эры). Наводнение было настолько сильным, что реки Янцзы и Хуан­ хе слились в один поток, причинивший громадные разрушения гус­ тонаселенным долинам рек и вызвавший гибель миллионов людей.

Из других работ в этой области следует отметить исследования 1948 г. американского гидролога И. Г. Дженс [160] по реке Коннек­ тикут. На основании исследования наносов реки с закладкой боль­ шого количества шурфов и производством двухсот лабораторных анализов он установил, что катастрофический паводок 1936 г. был беспрецедентным на реке со времени многих веков, предшество­ вавших заселению белыми людьми долины этой реки.

Гл а в а VII. РУСЛОВОЙ ПРОЦЕСС

ИЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

§29. ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА

ИЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

Дождевые и талые воды смывают с поверхности бассейнов в речную сеть продукты разрушения горных пород, которые вместе с продуктами размыва русла в виде сыпучих минеральных частиц образуют речные наносы. Наносы перемещаются водным потоком от истоков к устьям рек, откладываются и вновь размываются, по­ полняются наносами притоков, меняют крупность и заканчивают свой путь в водоемах-— базисах эрозии речной системы. Поэтому в естественных руслах сток имеет две фазы — жидкую (воду) и твердую (наносы). Речные наносы в зависимости от характера их движения в потоке можно разделить на донные и взвешенные. Од­ нако такое деление условно, поскольку частица данной крупности при различных гидравлических характеристиках потока будет на­ ходиться во взвешенном состоянии или будет перекатываться по дну. В. Н. Гончаров [35] рассматривает движение твердой фазы по­ тока в виде некоторой эпюры мутности,' характеризуемой весовым содержанием твердой фазы в потоке. Наибольшая концентрация наносов соответствует придонному слою, а наименьшая — некото­ рой высоте от дна, называемой «потолком взвешивания». Механизм взвешивания твердых частиц потока связан с его турбулентностью: когда донная скорость превысит скорость, не сдвигающую для дан­ ной крупности наносов, на частицу, выведенную из состояния по­ коя, начинают действовать подъемные пульсационные силы, с уве­ личением которых все большее количество частиц проникает в тол­ щу потока.

Сизменениями -скоростного поля потока меняется его мутность

ипроисходит взаимообмен между взвешенными и влекомыми по

дну наносами.