книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

связи с водностями и другими пунктами гидрометеорологиче­ ских наблюдений за режимом рек:

Учитывая, что гидрометрические наблюдения на переходах от­ ражают ограниченные во времени условия прохождения паводков, для более уверенного использования полученных данных необходи­ мы методы их нормативной вероятностной оценки. Гидрометриче­ ские наблюдения дополняются материалами морфометрических об­ следований водотоков, учитывающих следы паводков прошлых лет.

Для проведения гидрометрических изысканий в требуемом объ­ еме составляют программу наблюдений с учетом данных прежних изысканий, многолетних наблюдений на водотоках и других пунк­ тах, а также материалов морфометрических обследований.

Гидрометрические изыскания на больших мостовых переходах предусматривают производство всего комплекса работ, как прави­ ло, в один лаводочный сезон. Продолжительность наблюдений за­ висит от сложности перехода и природных условий района изыс­ каний и в отдельных случаях может составлять несколько сезонов. При разработке программы гидрометрических наблюдений необ­ ходимо учитывать применение аэрометодов и эхолотов, что во мно­ гих случаях обеспечивает упрощение и удешевление работ.

На существующих или реконструируемых переходах необходи­ мо предусматривать гидрометрические работы с целью учета влия­ ния искусственного стеснения водотоков этими сооружениями на природные деформации русел, режим протекания и устойчивость сооружений. При составлении программы изысканий необходимо обратить внимание на изучение ледового режима водотоков, по­ скольку размеры отверстий водопропускных сооружений и их кон­ структивные особенности на многих реках СССР зависят от их зимнего режима. Зимний режим рек характеризуется тремя пе­ риодами: ледообразование, зимний ледостав и весеннее вскрытие. В период ледообразования происходит осенний ледоход и образо­ вание устойчивого ледяного покрова, в период ледостава — нара­ стание толщины ледяного и снегового покрова, образование торо­ сов, наледообразование, промерзание некоторых рек до дна. В пе­ риод вскрытия начинаются процессы разрушения поверхности ледяного покрова, весенний ледоход, заторы и очищение водной поверхности от льда.

При изучении ледового режима выявляют особенности и изме­ нения процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на реках и других водных преградах, пересекаемых дорогой, от которых зависит устойчивость и размеры сооружений на проектируемых переходах.

Для устройства паромных и ледяных переправ, а также низко­

Методы работ по изучению ледового режима зависят от нали­ чия исходных данных по ледовому режиму, типа перехода, района изысканий, сроков работ. В зависимости от этого находит приме­

нение метод прямой аналогии, географической интерполяции, поле­ вого обследования в периоды ледообразования и ледостава, гидро­ метрические наблюдения в период вскрытия.

Задачей изучения ледового режима является получение данных по характеристикам зимнего режима реки, необходимых для рас­ четов и проектирования сооружений переходов.

В результате изучения ледовых явлений необходимо иметь ха­ рактеристику условий образования и движения льда в районе пе­ рехода, сроки появления отдельных ледообразований, их местопо­ ложение, размеры и формы в различные периоды ледохода, ха­ рактеристику ледяного покрова, наличие и места заторов, их мощность и влияние на уровенный режим реки, уровни ледохода и образования ледяного покрова.

Эти сведения получают в период изысканий с привлечением данных 'близлежащих водпостов, материалов прошлых изысканий, путем опросов старожилов.

Впериод ледостава необходимы наблюдения за толщиной льда

ишуги, высотой торосов, причин образования, размеров и место­ нахождения наледей, донного льда, а также исследования прочно­ сти льда. Эти данные могут быть получены путем обследования в зимний период с использованием метода аналогии по данным бли­ жайшего водпоста, методов географической интерполяции некото­ рых метеорологических величин, а также данных опроса старо­ жилов.

Толщину льда определяют по промерам на створах выше и ни­ же перехода на расстоянии не менее 0,5 км в каждую сторону. По каждому створу необходимы промеры по середине реки и у бере­ гов. Промеры толщины льда необходимо производить также в

местах, где могут произойти изменения мощности ледяного покро­ ва: на перекатах и плесах, в местах сужений и расширений русел, зажоров и заторов, на участках скопления торосов и т. п. Обсле­ дованию подлежат пойменные озера, староречья, которые могут быть источником поступления льда в период весеннего ледохода. Толщина льда имеет максимальную величину к началу снеготая­ ния, а к весеннему ледоходу она составляет 70—80% годового мак­ симума. В водоемах толщина льда может быть на 15—20% боль­ ше, чем на реках.

Данные полевых обследований необходимо дополнять путем опроса местных жителей, а также привлечением данных близле­ жащих водпостов.

Для расчетов опор моста используют максимальную толщину льда при первой подвижке, а при ее отсутствии принимают наи­ большие толщины льда к началу ледохода.

На реках с небольшим зимним стоком наблюдается промерза­ ние русла реки до дна и проход весеннего паводка по донному льду. При полевых обследованиях необходимо установить часть живого сечения, которая занята льдом. Для этого необходимо про­ мерить толщину льда по всей ширине русла, занятой льдом, и на­ нести верхнюю границу льда на расчетный створ перехода. Мор-

фометрические расчеты производят в этих случаях с учетом заня­ тости части русла льдом.

В 'период ледостава выявляют местоположение и условия обра­ зования наледей в районе перехода, а также возможность их влия­ ния на мостовой переход в период строительства и эксплуатации. В состав полевых работ входит съемка контуров наледи с привяз­ кой к плану перехода, измерение размеров наледи, описание при­ чины возникновения и изменений наледи в период наблюдений. Обследование наледей производят в пределах съемки ситуацион­ ного плана перехода, но не менее чем на 1 км выше и 0,5 км ниже створа перехода.

При выборе вариантов мостового перехода преимущество отда­ ется варианту, находящемуся вне влияния наледей.

Впериод вскрытия рек изучают условия образования и разме­ ры ледохода, определяют причины и места образования заторов льда, их влияние на уровенный режим, сроки и продолжительность ледовых процессов, а также условия пропуска ледохода через створ мостового перехода.

Всостав работ, проводимых в период весеннего вскрытия рек дополнительно к гидрометрическим работам, входят:

установление дат появления воды на поверхности льда и ее уход под лед, образование закраин, промоин и трещин на льду;

установление времени прекращения движения по льду транс­ порта и людей;

начало и конец подвижек льда и их размеры по нескольким

створам; начало и конец ледохода, его интенсивность, размеры наиболь­

ших льдин и скорость их движения; наблюдение за траекториями движения льдин и корчехода во

время ледохода; мостоположение и размеры заторов и навалов льда, а также

даты их образования и разрушения, наблюдения за режимом за­ торных уровней.

Ледоход обычно сопровождается резким подъемом уровней во­ ды, поэтому наблюдения следует назначать как можно чаще, что­ бы не пропустить максимальных уровней ледохода и половодья. В этих случаях желательно поддерживать связь с близлежащими постами наблюдений УГМС. Необходимо организовать также одно­ временные наблюдения на створе перехода и водпосту. Наблюде­ ния за уровнями начинают за одну-две недели до предполагаемо­ го вскрытия реки. Наиболее характерные моменты ледового режи­ ма желательно фотографировать.

По результатам наблюдений составляют пояснительную записку с описанием произведенных работ и характеристикой зим­ него режима реки.

После выполнения полевых работ производится обработка ма­ териалов наблюдений и их анализ с целью установления расчет­ ных гидрометеорологических характеристик для проектирования переходов.

При отсутствии многолетних наблюдений на реке, отсутствии населенных пунктов и невозможности постановки непосредствен­ ных наблюдений применяется метод географической интерполяции. Этим способом могут быть получены значения дат появления ха­ рактерных ледовых явлений, толщины льда, высоты снегового по­ крова, максимальной интенсивности снеготаяния, вычисленные по опорным бассейнам. Целесообразно использование эмпирических соотношений между характерными уровнями на опорных бассей­ нах для переноса их на переход. Учитывая приближенность харак­ теристик ледового режима, из-за недостаточной изученности рек целесообразно внедрение в практику гидрологических расчетов мостовых переходов принципа вероятностной оценки характери­ стик зимнего режима рек и дат их установления, влияющих на конструктивные размеры проектируемых переходов.

Для определения расчетных величин ледового режима при на­ личии многолетних наблюдений рекомендуется построение эмпи­ рических кривых вероятностей и графическая экстраполяция рас­ четных уровней до требуемой повторяемости.

Анализ кривых вероятностей некоторых характеристик ледово­ го режима показал, что они обладают небольшой асимметрич­ ностью, что облегчает графическую экстраполяцию, а также позво­ ляет аналитически оценивать вычисленные величины по теоретиче­ ским кривым.

§ 9. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ

Гидрометрические работы выполняют в случаях, указанных в § 8, обычно на крупных реках, недостаточно изученных в гидроло­ гическом отношении.

В состав гидрометрических работ входят: наблюдения колеба­ ний уровней воды с фиксацией отдельных фаз состояния реки и от­ меток характерных уровней воды, измерение уклонов водной по­ верхности, средних скоростей и глубин, наблюдения направлений струй, траекторий движения льдин, плотов, судов и караванов.

Полный цикл гидрометрических наблюдений выполняют с пе­ риода ледохода до установления межени после весеннего паводка или с захватом ливневых паводков, если они превалируют над сне­ говыми.

Выполнению гидрометрических наблюдений предшествует под­ готовительный период, в течение которого разбивают и закрепляют створы наблюдений, устраивают водомерные посты, вышки для фиксации траекторий поплавков, льдин, судов, оборудуют плаву­ чие средства приспособлениями для работы с вертушкой, измере­ ния глубин.

В подготовительный период выполняют подготовку для обеспе­ чения безопасности работ в соответствии с имеющимися требо­

Полевые работы начинают со съемки поперечников по створам наблюдений, подводной съемки русла и определения толщины ле­ дового покрова.

Полный объем наблюдений выполняют на основном створе, ко­ торый желательно располагать по оси перехода или в непосредст­ венной близости от него. Кроме того, частично наблюдения выпол­ няют на одном-двух створах, разбиваемых в районе перехода, чтобы проследить изменение гидрологических элементов в районе мостового перехода.

Створы наблюдений разбивают нормально направлению тече­ ния. Если на отдельных участках створа наблюдения направление течения различно, прямолинейный створ заменяют ломаным с тем, чтобы его направление на каждом участке было бы нормальным течению. Створы закрепляют двумя вехами на каждом берегу.

Вертикали наблюдений скоростей вертушками размечают по профилю створа с тем, чтобы в руслах малых рек было бы не ме­ нее пяти — восьми вертикалей, на больших 12— 15 вертикалей, на поймах — в характерных местах по рельефу и растительности, но не реже чем через 200—300 м.

Для возможности беспрепятственного передвижения судна для наблюдений на пойме прорубают просеку шириной б—7 м.

При работе с лодки вертикали в русле фиксируются заранее определяемыми горизонтальными углами, измеряемыми от базиса с опорного пункта на берегу. Если по створу наблюдений для из­ мерения глубин эхолотом размещены буйки, последние могут быть использованы в качестве вертикалей для вертушечных наблюдений.

При работе с парома или лодки, .перемещающихся по перетя­ нутому тросу, вертикали размечают на тросе.

Если створ наблюдений проходит по оси существующего моста, вертикали числом от 3 до 5 в каждом пролете размечают на мосту так, чтобы их было видно с промерного судна.

Водомерные посты устраивают в количестве трех по берегу русла. На основном посту, располагаемом по оси перехода или вблизи него, ведут водомерные наблюдения в полном объеме, по двум другим — в сокращенном объеме лишь для определения уклонов. Уклонные водомерные посты располагают вверх и вниз от перехода на расстоянии, определяемом повышением или пони­ жением отметок свободной поверхности воды на 30—40 см от пе­ рехода.

При значительном поперечном уклоне водной поверхности уст­ раивают дополнительные посты на другом берегу русла, а при не­ обходимости и в конце поймы у линии разлива высоких вод.

В зависимости от крутизны откоса водомерные посты устраива­ ют свайные, реечные или смешанные (свайно-реечные).

Сваи располагают так, чтобы превышение торцов соседних свай составляло бы не более 0,5 м. На водомерном посту устанавливают репер, от которого нивелируют верх свай и нули реек.

Водомерный пост должен быть защищен от ледохода и вол­ нений.

Для засечек поплавков при фиксации направления течений, льдин, судов и измерения поверхностных скоростей попользуется берег, если высота его достаточна и обеспечивается видимость все­ го участка наблюдений. В противном случае строят одну или не­ сколько наблюдательных вышек.

Возвышение горизонтальной оси трубы теодолита на вышке над наивысшим уровнем воды АЯу по условиям точности желательно не менее

кНу = 0,0175Дн, (III-1 )

где Д п — наибольшее расстояние от центра вышки до границ уча­ стка наблюдений.

Когда не удается расположить теодолит на высокой точке, при­ меняют способ засечки поплавков двумя теодолитами. Положение поплавка в плане определяют по известному расстоянию между теодолитами и горизонтальными углами, измеренными при визиро­ вании на поплавок.

По окончании подготовительных работ выполняют гидрометри­ ческие наблюдения.

Измерения уровней на установленных водпостах ведут в тече­ ние всего периода наблюдений.

Частота измерений зависит от характера колебаний уровней и изменяется от 2—4 до 6— 12 и более раз в сутки при резких коле­ баниях уровней.

При переходе от одной сваи к другой отсчеты для контроля про­ изводят по обеим сваям.

По каждому водомерному посту ведут журнал, в котором, по­ мимо отсчетов, делают записи о гидрологических явлениях, наблю­ даемых на реке (ледоход, шуга, карчеход и др.).

По данным наблюдений подсчитывают отметки уровней и со­ ставляют график колебаний уровней. Такой же график составляют по ближайшему многолетнему водомерному посту Гидрометео­ службы или другой организации.

На основании сопоставления сходственных характерных уров­ ней по графикам на переходе и на многолетнем посту (рис. 111-1, а) строят кривую связи сходственных уровней, которую используют для переноса максимальных я, в частности, расчетных уровней с многолетнего поста Нѵ\ на переход Я р2 (рис. ІІІ-І, б).

Продольные уклоны водной .поверхности определяют по уклон­ ным водомерным постам. По полученным значениям уклонов стро­ ят зависимости уклонов от времени и уровней.

Полученные значения уклонов используют для определения коэффициентов шероховатости, а также для переноса уровней со створов наблюдений на переход.

При вертушечных наблюдениях необходимо ими охватить фа­ зу подъема, пик паводка и фазу спада. Наблюдения рекомендует­ ся выполнять более часто на участке приближения паводка к пи­ к у — через 0,10—0,20 см изменения уровня воды, а на остальной

Рис. Ш-1. Графики наблюденных уровней:

слева — зависимость уровней Я от времени Г; справа — связь сходст­ венных уровней по многолетнему посту Нр, и по переходу Нрг '.

1 — для многолетнего поста; 2 — для мостового перехода

части паводка через 50—60 см. Работа с вертушкой производится на намеченных в русле и закрепленных на пойме вертикалях.

Для работы применяют вертушки, не работавшие после послед­ ней тарировки и имеющие тарировочный паспорт. Количество то­ чек замера скоростей на вертикали зависит от глубины. При глу­ бине до 1 м скорость измеряют в одной точке на 0,5 или на 0,6 глу­ бины; при глубине 1—3 м — в двух точках на 0,2 и 0,8 глубины или в трех точках — на 0,2, 0,6 и 0,8 глубины; при глубине свыше 3 м —

на 0,2 глубины — 2 мин, а на каждой последующей точке увеличи­ вается на 1 мин.

Средние скорости ѵсѵ на вертикалях по точкам измерений опре­

Для построения эпюры средних скоростей по ширине потока принимают средний уровень за период наблюдений. При значи­ тельном изменении уровня (более 0,10—0,15 м) определяют уро­ вень, средневзвешенный но величинам элементарных расходов, за­ меренных на вертикалях, по формуле

П

2 я н

где Нраб — отметка рабочего уровня; п — число вертикалей; q —• элементарный расход на вертикали; Н — отметки уровней на

вертикалях.

После определения рабочего уровня и скорости на вертикалях производят построение эпюры скоростей и элементарных расходов по формуле

где h — глубина на вертикали; а — угол между направлением те­ чения и нормалью к створу измерений.

Полный расход Q определяют как площадь фигуры, образован­ ной эпюрой элементарных расходов и рабочим уровнем.

Если на обследуемом участке реки наблюдаются приливы и от­ ливы, для каждого часа вычисляют полный расход и строят кри­ вую хода расходов в течение периода прилива и отлива.

Из графика получают максимальную величину расхода воды. Наблюдения направлений течения и поверхностных скоростей производят при помощи поплавков, положение которых фиксиру­ ют путем их засечки с отсчетами по вертикальному и горизонталь­ ному кругам теодолита. В момент засечки делают отсчет времени

по секундомеру.

При максимальном расстоянии от поплавка до наблюдательно­ го пункта до 1 км для поплавка используют деревянные диски тол­ щиной около 5 см с деревянным стержнем с флажком в центре. Для устойчивости поплавка к его днищу прикрепляют небольшой груз.

При больших расстояниях от наблюдательного пункта до по­ плавка и плохой видимости поплавки сопровождает лодка.

Поплавковые наблюдения за период паводка выполняют 6—8 раз с равномерным их распределением по фазам паводка.

Длину участка поплавковых наблюдений назначают в зависи­ мости от ширины русла реки и его очертания в плане от 1 до 3 км. Для небольших рек с шириной русла до 100— 150 м длину участка принимают 0,5—0,7 км. Обычно 2/3 участка наблюдений располага­ ют выше оси перехода, а 7з — ниже.

Число траекторий назначают от 7—8 до 13— 15 в зависимости от ширины русла реки.

Значения минимальных вертикальных углов, допускаемых при

П р и м е ч а н и е . Для 30-секундного теодолита указанные в таблице значения углов уменьшают в 2 раза.

Промежутки времени между засечками зависят от масштаба плана траекторий хода поплавков и скоростей течения. Их прини­ мают обычно для масштаба плана 1 : 5000 от 120 сек при малых скоростях течения до 40 сек при скоростях течения свыше 2 м/сек; при масштабе 1 : 1000— соответственно от 60 до 20 сек.

Накладку траекторий поплавков производят по горизонтально­ му углу от постоянного ориентира и расстоянию от центра вышки до поплавка Д, определяемому по формуле

В формуле (П1-7) знак плюс применяют для поплавков выше створа, а знак минус — ниже створа наблюдений.

Отметку рабочего уровня для исчисления величины /гт опреде­ ляют как среднюю из отметок уровней в начале и конце наблю­ дения.

Для определения поверхностных скоростей по поплавковым наблюдениям отмечают на траекториях поплавков постоянное вре­ мя в каждую сторону от створа наблюдений, равное при масштабе планшета 1 : 1000—25 сек, 1 : 2000—50 и при 1 : 5000— 125 сек. Со­ единяя полученные точки плавной кривой, получают линии равно­ го времени. Затем от створа наблюдений откладывают общие рас­ стояния между линиями равных времен; концы отложенных отрез-

Рис. 111-2. Обработка поплавковых на­ блюдений скоростей течения:

ной к средней скорости определя­ ют коэффициент по формуле (Ш -13). Далее определяют рас­ ход аналогично обработке дан­ ных измерений скоростей вертуш­ кой.

При засечках плотов и караванов делают каждый раз засечку носа и кормы или носа буксира и кормы последней баржи. Одиноч­ ные суда засекают одной засечкой носа.

§ 10. ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОМЕТОДОВ ДЛЯ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ

В результате исследований, проведенных в ЦНИИСе в 1962— 1965 гг., был разработан новый метод получения гидрологических характеристик пересекаемой реки с самолета или вертолета путем обработки аэрофотосъемочного материала [80, 132].

К характеристикам, получаемым аэрометодом, относятся ско­ рости и направления поверхностных течений, расходы воды, глу­ бины и отметки уровней воды, направления судовых ходов и дви­ жения льдин.

Материалы аэрофотосъемки районов мостовых переходов мож­ но использовать для выявления характера и интенсивности русло­ вого процесса.

Аэрогидрометрические работы выполняют при ширине русла менее 100— 150 м с использованием вертолета Ми-4, а при ширине разлива до 1,5 км самолета Ан-2. При более широком разливе ис­ пользуют самолет Ан-2 и вертолет.

Поверхностные скорости определяют на основе измерения сме­ щений мелких плывущих по реке предметов (специально пущенные поплавки, струи жидкости, видные на снимке, пена, щепки и др.). Смещения измеряют по специальным перекрывающимся аэросним­ кам (рис. Ш -З).

Разность расстояний %'—х представляет собой смещение точек поверхности воды в масштабе аэрофотоснимков за интервал вре­ мени между снимками.

Исходя из известного масштаба аэроснимков поверхностную скорость течения ѵп0в можно определить по формуле