3. Гидрологические и морфометрические расчеты

3.1. Определение расчетных расходов и уровней воды

Срок службы мостовых переходов исчисляется многими десятилетиями. За этот период на водотоках могут пройти значительные паводки, в том числе даже превышающие те, которые наблюдались на водопостах. Сооружения мостовых переходов должны быть запроектированы таким образом, чтобы вероятность их подтопления, подмыва и повреждения высокими паводками за расчетный срок службы была минимальной.

Прогноз величин максимальных расходов и уровней воды при наличии длительных гидрометрических наблюдений выполняется на основе статистических данных о паводках, прошедших за период наблюдений, предшествующих строительству мостового перехода, с использованием методов теории вероятностей.

Максимальные расходы и уровни характеризуются вероятностью превышения их еще большими расходами и уровнями. Величина вероятности превышения расчетного паводка, обычно исчисляемая в процентах, нормируется в зависимости от вида и категории дороги, а также рода сооружения (табл.1).

Таблица 1

Элементы перехода и виды сооружений	Автомобильные дороги
	Категория
	I и городские	II-III	IV-V
Большие и средние мосты	1	1	2
Малые мосты и трубы	1	2	2
Земляное полотно	1	1	2

В практике гидротехнического проектирования наибольшее распространение получили два способа вероятностного прогноза максимальных гидрологических величин:

• графоаналитический метод с использованием специальной клетчатки нормального распределения;

• теоретический метод с использованием биноминальной кривой вероятности (Пирсон III).

Графоаналитический метод используется как для прогноза величин максимальных расходов, так и максимальных уровней воды (наиболее часто используется для прогноза величин максимальных уровней). Теоретический метод используется для прогноза только величин максимальных расходов.

Графоаналитический метод расчета заключается в следующем.

Величины максимальных расходов Q и уровней Н (табл. 1 «Задания») ранжируются в убывающем порядке и каждому из членов ряда присваивается эмпирическая вероятность превышения, определяемая по формуле:

, (1)

• где m – порядковый номер члена ранжированного ряда, для которого отыскивается его вероятность превышения;

• n – число лет наблюдений.

Полученные пары значений Н (или Q) и соответствующие им величины эмпирической вероятности превышения Р_э,% наносят на клетчатку нормального распределения и полученное поле точек объединяют плавной кривой, называемой эмпирической кривой вероятности (рис. пример 1, прил. 2).

С использованием эмпирической кривой вероятности максимальных уровней определяются уровень расчетной вероятности превышения Н_р% и вероятность затопления пойм в месте перехода Р_П% (рис. пример 1, прил. 2).

Расчеты удобно производить в табличной форме (табл. прил. 2, пример 1).

Для определения абсолютной отметки расчетного уровня высокой воды РУВВ_р% к расчетному значению уровня Н_р% (в отсчетах рейки водопоста) необходимо прибавить значение "О" графика водопоста:

РУВВ_р% = Н_р% + "0" графика. (2)

Теоретический метод прогноза величин максимальных расходов заключается в применении аналитических кривых вероятности. Для гидрологических прогнозов наибольшее распространение получила кривая вероятности Пирсон III.

Параметры кривой вероятности величин максимальных расходов – среднее многолетнее значение максимальных расходов Q_ср, коэффициент вариации Сv и коэффициент асимметрии С_s определяются непосредственно по имеющемуся ряду непрерывных наблюдений.

Величина среднемноголетнего максимального расхода вычисляется по формуле:

, (3)

• где Qi – максимальный расход с порядковым номером i в ряду наблюдений;

• n – число лет наблюдений.

Коэффициент вариации максимальных расходов определяют по формуле:

, (4)

где – модульный коэффициент.

Коэффициент асимметрии ряда максимальных расходов вычисляют по формуле Крицкого-Менкеля:

, (5)

где К_мин – минимальное значение модульного коэффициента.

или:

Расход расчетной вероятности превышения определяют по формуле:

Q_р%= Q_ср×(C_v×Ф+1), (6)

где Ф =f(Р_%,; С_s ) – определяют по прил. 1

Гидрологические расчеты величин максимальных расходов и уровней расчетной вероятности превышения целесообразно производить в табличной форме (прил. 2 пример 1). При этом должны быть выполнены следующие проверки:

; ; .

Основным источником статистической информации для гидрологического обоснования проектов мостовых переходов является система гидрометеорологической службы (ГМС). При этом, объем информации об уровнях воды в реках, которыми располагает служба ГМС, в несколько раз больше соответствующей информации о расходах. Дополнительные сведения о высоких, давно прошедших паводках могут быть получены в процессе изысканий мостового перехода из архивных материалов, по данным опроса старожилов, по следам на местности и т.д. Информация об уровнях обычно более достоверна, чем о расходах. Следует иметь также в виду, что сведений только лишь о величинах расчетного уровня и ожидаемого распределения общего расхода между руслом и поймами уже достаточно для приближенного расчета основных сооружений мостового перехода. Знания только расчетного расхода (без уровня) совершенно недостаточно для составления проекта. В связи с этим при изысканиях и гидротехнических расчетах всегда следует помнить, что информация об уровнях является более важной, чем о расходах.