книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

A WQ

(ХѴ-3)

At

В уравнении (ХѴ-2) — объем стока в логах к концу интер­ вала времени t; WCK— то же, на склонах и WQ— объем, прошед­ ший за пределы створа, тоже к концу интервала t. Наибольшая ордината из серии гидрографов показывает максимальный расход за время от начала стока. Такое решение предложил H. Н. Чегодаев в 1948 г.

Была разработана схематизация процессов: бассейн рассмат­ ривался как ряд раскрытых книг, потери на впитывание определя­ лись с учетом времени и ряда других обобщений.

Оба института решили задачу расчета стока в 1948— 1950 гг. з двух вариантах:

1) путем обобщения гидрографов стока с построением номо­ грамм для нахождения максимальной ординаты; 2) путем непо­ средственного решения уравнения баланса объемов стока и.по­ строения гидрографа.

Вопрос транспортирования объемов стока был решен методом изохрон в 1948— 1949 гг. [20]. Метод начал применяться в 1950 г.

Первоначально при решении уравнения баланса возникло за­ труднение. Из четырех его членов были известны два: W и WCK. Объем стока на склонах Wcк был определен H. Н. Чегодаевым на основе своих разработок и исследований А. Н. Бефани. Остальные два объема не были определены на любой отрезок времени t. Пе­

Оба неизвестных члена зависят от общего фактора — живого сече­ ния лога на створе перехода. Составляя график зависимости W3т от Q на требуемые отрезки времени t в соответствии с уровнем во­ ды в потоке, можно получить необходимое для решения задачи второе уравнение.

Первое решение уравнения баланса было разработано при де­ лении объема стока на четыре части, что дало построение гидро­ графа по четырем интервалам. Затем (1954 г.) был разработан метод построения гидрографа по шести точкам.

Ввиду сложности расчетов была предложена упрощенная фор­ мула Союздорнии 1953— 1954 гг., уточненная в 1963 г., в которой значения W, h и z определили так же, как и при уравнении балан­ са. По упрощенной формуле рассчитано в основном на автомо­ бильных дорогах большое число сооружений.

В действующих нормах учитывается (по П. Ф. Горбачеву), что при одинаковых ВП может быть любое количество равновозмож­ ных соотношений: 1) интенсивностей — а, мм/мин; 2) продолжи­ тельности дождя Т, мин. Наиневыгоднейшее сочетание этих эле-

ментов на каждом бассейне, определяемое построением серии гидрографов при разных слоях водоотдачи h, соответствует слу­ чаю, когда ВП осадков идентична ВП объемов и расходов стока.

Обработка материалов метеорологических наблюдений об осад­ ках выполняется в ЦНИИСе периодически по мере их опубликова­ ния. В связи с этим детализируется климатическое районирование территории СССР. В ВСН 63-67 выделено 57 районов вместо 15 в инструкции 1956 г. Для горных районов из-за влияния вертикаль­ ной зональности осадков определение метеорологических характе­

ций с многолетним периодом наблюдений. Однако иногда прихо­ дится обрабатывать данные об осадках, полученные непосредствен­ но на метеостанциях. При этом должны учитываться отдельные редкие дожди по литературным данным и следам разрушений (рис. ХѴ-1). Получая материалы на метеостанции, следует иметь в виду, что при очень больших осадках плювиографы часто выхо­ дят из строя, и, определяя время дождя, надо базироваться на дождемеры. Некоторые станции давали сведения только по началь­ ной стадии дождя, так как из-за неудачного местоположения были полуразрушены.

Техника расчетов стока многократно публиковалась и поэтому здесь не приводится. В 1964 г. А. А. Курганович (КАДИ) програм­ мировал уравнение баланса на ЭВМ «Минск-11» и исследовал деле­ ние объема стока до 12 частей. Оказалось, что можно остановить­ ся на 6 частях. Программы для расчета стока составлены на ряд типов ЭВМ Н. Н. Чегодаевым (ЦНИИС).

Если пользоваться ЭВМ затруднительно или число расчетов не­ значительно, можно находить расходы по таблицам, которые в 1969 г. составлены в КАДИ В. А. Большаковым и А. А. Кургановичем. Аналогичные расчеты выполняют по ВСН 63-67.

Техника транспортирования объемов стока проверяется по плювиограммам на стоковых площадках при любых значительных дождях вне зависимости от их ВП, где есть пара: осадки — сток. Сравнительные построения показали разницу теоретических гидро­ графов с натурными на ±25% .

Предложенная методика может применяться в любых климати­ ческих условиях при наличии данных о потерях на впитывание (при этом будут меняться значения h и z); она перспективна как по принципиально правильной постановке вопроса, так и на каж­ дом этапе возможного усовершенствования отдельных параметров и теории стока в целом. В частности, возможно соединение метода изохрон с уравнением баланса.

Уравнение баланса объемов снегового стока в настоящее время не решено. Недостаточно исследован процесс склонового стекания. В эмпирических методах определения снегового максимума выяви­ лись два направления: 1) использование расходов со средних водо­ сборов, где имеются ряды наибольших, расходов за время поло-

~4,5(4 + т )’

где /гсн— слой стока от снеготаяния с 10 до 20 ч, т. е. за 10 ч с ВП, определенной по данным метеостанции; ус— коэффициент

Расчеты стока от снеготаяния также могут производиться в соответствии с Указаниями по определению расчетных гидрологи­ ческих характеристик (СН 435-72), а также по рекомендациям ВСН 63-67 для районов, которые охвачены нормами СН 435-72 [142].

§ 67. СЕЛЕВОЙ СТОК

Селевые паводки или сели наблюдаются в горных районах, где склоны водосборных бассейнов лишены растительности и покрыты рыхлыми продуктами разрушения горных пород. Термин сель, про­ исходящий от арабского слова сейл (горный поток), хотя и обще­ принят, но не имеет одинакового толкования у различных иссле­ дователей (М. Ф. Срибный, Д. Л. Соколовский, И. И. Херхеулидзе, И. С. Гогошидзе, С. М. Флейшман и др.).

Некоторые исследователи под селем 'понимают густые грязека­ менные потоки, двигающиеся сплошной массой, другие же считают селевым любой водный поток, в котором содержание наносов пре­ вышает определенную норму. Последнее определение селя наибо­ лее распространено.

Определение селя, содержащее необходимые для практических целей количественные характеристики, дал Д. Л. Соколовский:

«Сель — это паводок, насыщенный большим количеством на­ носов, свыше 100 кг на 1 ж3 воды, и имеющий турбулентный ха­ рактер движения и пульсационный заторный режим. При содержа­ нии наносов свыше 500 кг на 1 ж3 воды сели приобретают характер связных или структурных потоков, движущихся как одно сплошное тело с ламинарным характером режима».

Селевые потоки характерны внезапностью своего возникнове­ ния, стремительностью и прерывностью движения — паводок идет несколькими волнами.

Так, на ір. Малой Алмаатинке 8—9 июля 1921 г. прошло после­ довательно около 80 валов селя. Эти валы — результат временных заторов, создаваемых крупными камнями на поворотах русла, и их прорывов накопившейся массой селя.

В СССР сели распространены главным образом на Кавказе (бассейны рек Терека, Алазани, Аракса и др.) и в Средней Азии (бассейны рек Сырдарьи, Чирчика, Или и др.), вызываемые ливня­ ми, а иногда и таянием ледников.

Сели ливневого происхождения встречаются также на малых речках, текущих с хребта Хамар-Дабан в о. Байкал, и в горных районах Забайкалья.

Сели в период снеготаяния наблюдаются в районах Полярного Урала от прорывов снежных запруд на малых реках. Это явление еще недостаточно изучено.

Наблюдались случаи прохода катастрофических селей в ре­ зультате прорыва озер, образовавшихся в верховьях горных речек вследствие завалов их русел после землетрясений, выноса селей из боковых притоков, оползания ледников и по другим причинам.

Образование таких озер и их прорывы, вызывавшие мощные селевые валы, по данным, собранным Е. В. Болдаковым, наблю­ дались в бассейнах р. Терек (1910 г., 1934 г. и 1967 г.), в долинах рек Гунт и Ванч на Памире (1962 г.), на р. Иссык в Заилийском Алатау (1963 г.) и других местах. Такие селевые потоки произво­ дят особенно большие разрушения.

Сели не могут образоваться на очень малых и очень больших бассейнах, так как в первом случае на малом бассейне не может образоваться достаточно больших запасов рыхлообломочного ма­ териала, а во втором случае этот материал не может транспорти­ роваться потоком на значительные расстояния и откладывается в верховьях большого бассейна. Наиболее часто селевые паводки об­

разуются на горных бассейнах с площадями примерно от 5 до 250 км2.

Для образования селя необходимо скопление на эродированных горных склонах бассейна достаточных запасов рыхлообломочного материала, который может быть смыт в результате интенсивного поверхностного стока. При этом осадки исключительной силы мо­ гут не вызвать исключительной силы селя, если в момент их вы­ падения запасов рыхлообломочного материала мало. Поэтому в зависимости от интенсивности денудационных процессов на неко­ торых селеносных бассейнах наблюдается определенная периодич­ ность селей. Например, если на данном бассейне образование за­ пасов рыхлообломочного материала происходит примерно за 10 лет, то и средняя повторяемость селей близка к указанной циф­ ре. Но величина каждого данного селя зависит от сочетания обоих факторов — запасов рыхлообломочного материала и силы стока. Такая периодичность была установлена нами па р. Либраждит в бассейне р. Шкумбини в Албании.

Селеносные бассейны обычно имеют три участка: селеобразующий цирк горных склонов (рис. ХѴ-3), транзитное русло перед вы-

иногда не образуется конусов выноса, так как отложенный селем материал уносится быстрым течением реки. Установить селепосность таких логов можно только, поднявшись по транзитному руслу до селеобразующего цирка.

Селевые выносы поступают в русло потока с активной селепосной части бассейна. Эти выносы могут достигать очень большой величины — от 50000 до 80 000 м3с 1км2 активной площади. Однако в расчет объема селевых выносов обычно вводят всю водосборную площадь бассейна F.

Д. Л. Соколовский предлагает объем WHвыносов за один наво­ док вычислять по формуле

30—40 мм для высогорных селеносных бассейнов (типа р. Ма­ лой Алмаатинки).

В зависимости от насыщения водного потока наносами осуще­ ствляется переход его в селевой; провести определенную границу между ними затруднительно. Условно ее принимают при объемном

весе потока ус — 1,05.

Максимальный расход селевого паводка Qmax.c. определяют по уточненной формуле М. Ф. Срибного [125, 127]

Qmai.c — Qmax.B(l H- ф н )К зат , (Х Ѵ -8 )

где Qш ах.в 'Максимальный расход воды заданной вероятности превышения, мг/сек\ фн — объемное содержание наносов в 1 мг воды (табл. ХѴ-1); /Сзат — коэффициент заторности; наибольшее значение его может быть равно ~ 4 —5.

Иногда турбулентные сели называют водно-каменными потока­ ми в отличие от грязе-каменных связных селей, но такое название не отражает специфики турбулентных селей, которые могут быть насыщены и мелкоземом вместе с камнями.

Отношение срн можно приближенно определить, пользуясь фор­ мулой (ХѴ-7) и зная объем водной части стока Wc. Объемный вес смеси ус можно определить по формуле

Для турбулентных жидких селей H. Н. Чегодаев [140] предло­ жил определять весовое содержание наносов рн% в водном потоке по эмпирической формуле

ности селеносных склонов: 0,6 — для слабо размываемых (час­

уклон селеносных склонов, %о.

Для максимального расхода селевого паводка H. Н. Чегодаев предложил формулу, по структуре близкую к формуле (ХѴ-8), но без учета заторности. Заменяя в этой формуле объемный вес на­ носов в воздушно сухом состоянии и пористость наносов на объем­ ный вес материала наносов ун~2,65, получим

через максимальный расход воды, умноженный на коэффициент селеносности <2с= фж<2в, учитывая коэффициентом фжнаносно-вод­ ное отношение на пике паводка при поступлении в поток дополни­ тельного объема воды из смываемого водонасыщенного грунта. Значение фжопределяется по специальной таблице и для турбу­ лентных селей не превышает 1,5— 1,7.

Е. В. Болдаков [21] предложил увеличивать расчетный слой лив­ невого стока на коэффициент в зависимости от содержания твер­ дого материала в селевом потоке, различая водокаменные и гря­ зекаменные турбулентные потоки. Считая, как и многие исследова­ тели, что в водно-каменном потоке содержание твердой фазы 15— 20%, а в грязекаменном — 40—45%, он предложил соответственно увеличивающие коэффициенты 1,2 и 1,7, а при отсутствии данных о типе селя — один обобщенный коэффициент 1,5. Последний может уточняться при наличии натурных данных.

Принимая для расчета водной части селевого стока упрощенную формулу Союздорнии, полагая слой потерь на смачивание расти­ тельности 2 = 0, Е. В. Болдаков получил для средних условий фор­

где ф — морфологический параметр, зависящий от среднего укло­ на лога; hc — слой стока при почвах II категории за 30 мин, мм\ Кт — параметр, зависящий от шероховатости водосбора; F — площадь водосбора, км2\ уос— коэффициент неравномерности осадков.

Эти параметры так же, как и величины степеней т и н , прини­ мают по таблицам [21], которые здесь не приводятся.

Как видим, рассмотренные формулы расчета селевого стока имеют одну структуру: все они рассматривают расход селевой'мас­ сы как расход воды заданной вероятности превышения, умножен­ ный на некоторый коэффициент, больший единицы. !

В формуле (ХѴ-8) этот коэффициент равен (1 + фн)Кзат, в фор­

муле (ХѴ-11) равен ; _і___а в формуле (ХѴ-12) — 1,5™. 100- p u

Каждый коэффициент носит эмпирический характер, и если в одном случае для его определения нужно задаваться слоем смыва грунта или визуальной характеристикой склонов, то в другом слу­ чае— не более точным процентом содержания твердой фазы в по­ токе

Рис. ХѴ-6. Запруды на селеносном водотоке

За отсутствием натурных данных сопоставить результаты и оценить точность той или другой формулы в настоящее время нельзя. В проектных организациях железнодорожного транспорта более распространена формула (ХѴ-11), а в автодорожных— фор­ мула (ХѴ-12) и метод И. И. Херхеулидзе.

Расчет связных (структурных) селевых потоков не относится к расчетам водного стока, так как здесь движется не вода, насыщен­ ная наносами, а грунт, насыщенный водой, потерявший свою устой­ чивость на крутых горных склонах. Структурный сель движется как одно целое, не растекаясь, взвешивая крупные глыбы камней, и, останавливаясь, застывает как грязе-каменная лава. Вследствие огромной разрушительной силы таких селей стеснение их опорами мостов и тем более подходами к ним невозможно; они должны пе-. ресекаться в наиболее узком месте и полностью перекрываться одним пролетом моста.

Для проектирования моста на местности необходимо установить наличие такого типа селя, его вертикальные и горизонтальные раз­ меры, а не объем и расход выносов грунта. Поэтому эти вопросы здесь не рассматриваются.

Стеснение жидких турбулентных селей сооружениями мостово­ го перехода возможно при условии пропуска селевого потока только мостом с наименьшим количеством массивных опор; приме­ нение свайно-эстакадных мостов не допускается.

Как указывает Е. В. Болдаков, стеснение бытовой ширины се­ левого потока допустимо не более 30% для водно-каменных селей и 20% для грязе-каменных при обязательном устройстве направ­ ляющих дамб.

При переходах на конусе выноса отметку низа пролетного строе­ ния моста назначают с учетом возможного наращивания конуса по высоте 1—3 см в год.

Для задержки наносов на селевом логу выше створа дорож­ ных сооружений устраивают системы запруд (рис. ХѴ-6). Эти ме­ роприятия, несмотря на капитальность запруд (мощные подпор­ ные стенки высотой 10 ж и более), носят временный характер, так