Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. часть II - файл n1.doc

приобрести
Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. часть II
скачать (12398.6 kb.)
Доступные файлы (21):
n1.doc563kb.13.12.2006 23:14скачать
n2.doc375kb.18.11.2006 22:47скачать
n3.doc1624kb.07.01.2007 22:43скачать
n4.doc945kb.14.03.2011 22:10скачать
n5.doc593kb.08.01.2007 09:01скачать
n6.doc1012kb.08.01.2007 10:14скачать
n7.doc374kb.08.01.2007 12:26скачать
n8.doc458kb.13.11.2006 17:25скачать
n9.doc289kb.08.01.2007 12:53скачать
n10.doc498kb.08.01.2007 13:49скачать
n11.doc885kb.08.01.2007 14:31скачать
n12.doc935kb.13.11.2006 16:51скачать
n13.doc569kb.14.11.2006 19:04скачать
n14.doc450kb.14.11.2006 19:31скачать
n15.doc2639kb.15.11.2006 13:19скачать
n16.doc600kb.18.11.2006 18:13скачать
n17.doc326kb.18.11.2006 19:23скачать
n18.doc393kb.18.11.2006 19:52скачать
n19.doc1145kb.18.11.2006 21:29скачать
n20.doc34kb.18.11.2006 21:47скачать
n21.doc44kb.18.11.2006 22:10скачать

n1.doc

Глава XIX
Гидрологические расчеты при проектировании мостовых переходов
§ XIX. 1. ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Сооружения мостовых переходов взаимодействуют с водным потоком и подвергаются опасности затопления, подмыва и размыва текущей водой, а также повреждения ледоходом. Степень опасности повреждения сооружений при прочих равных условиях определяется высотой половодья, или паводка, которая меняется из года в год. Мостовые переходы должны выполнять свои функции в течение долгого срока службы (обычно не менее столетия). За это время на реке могут появиться не только малые, но и большие половодья, в том числе превышающие те, которые были уже зафиксированы.

Чтобы сооружения перехода были запроектированы и построены правильно, т. е. были всегда устойчивы и их можно было нормально эксплуатировать в течение всего срока службы, необходимо расчет размеров и конструкций сооружений основывать на точном прогнозе возможных высот половодий и паводков.

Каждое половодье (или паводок) характеризуется несколькими показателями; величиной максимального расхода Qmax, отметкой наивысшего уровня воды Hmах, максимальной скоростью течения, продолжительностью и т. д. Основным показателем является расход воды, величина которого формируется в процессе стока на водосборе вне места расположения мостового перехода. Поэтому прогноз условий, опасных для сооружений мостовых переходов, может быть сведен к прогнозу максимальных годовых расходов воды в реке и к последующему определению вторичных характеристик потока по гидрометрическим кривым.

Для больших рек прогноз величин максимальных расходов выполняют, как правило, на основе статистических данных о режиме водного стока реки за период, предшествующий постройке мостового перехода. Только для рек с площадью водосбора менее 30 000 км2 в случае, если непосредственные наблюдения за режимом реки не проводились, разрешается применение норм стока по СН 435-72.

Прогноз базируется на следующих представлениях об изменчивости характеристик речного стока:

годовой цикл стока закономерен, отображает смену времен года i тип питания реки;

ежегодные колебания фазовооднородных характеристик стока, например максимальных расходов или объема стока весенних половодий, подчинены закону больших чисел, т. е. средние величины этих характеристик устойчивы независимо от продолжительности наблюдений.

закономерности колебаний стока свободных рек относительно устойчивы в периоды, продолжительность которых равна нескольким столетиям (т. е. превышает срок службы сооружений мостовых переходов), так как за это время не может произойти существенных изменений в климате и почвенном покрове бассейна реки. Поэтому закономерности колебаний стока, установленные по данным за предшествующий период, могут считаться действующими и для последующего периода;

величины характеристик стока являются случайными для каждого данного года, и поэтому они не могут быть прогнозированы по срокам появления. Возможен только вероятностный прогноз характеристик стока, в частности максимальных расходов.

Для установления средних значений максимальных годовых расходов за длительный период времени и закономерностей их колебаний используются статистические данные наблюдений за режимом реки на постоянных гидрологических постах в период, предшествующий проектированию мостового перехода. Отбору этих данных должно быть уделено большое внимание. Нельзя объединять фазоворазнородные расходы. Например, если на реке бывают половодья как от таяния снега, так и от ливней, то при прогнозировании весенних половодий нельзя использовать данные о ливневых паводках даже за те годы, когда они превышали половодья от талых вод. Необходимо тщательно анализировать условия стока в каждом году, чтобы исключить влияние таких естественных факторов, искажающих истинную картину максимального стока, как подпор, ледяные заторы и т. п., когда нарушается закономерная связь расходов и уровней воды (см. рис. XVIII.11).

Должно быть также учтено, что влияние хозяйственной деятельности человека на территории бассейна может существенно изменять высоты паводков. Агролесомелиоративные мероприятия, изменение системы землепользования, вырубка леса могут менять условия стока на огромных площадях водосбора. Иногда может оказаться целесообразным использовать для прогноза режима реки только те данные, которые характерны для последующих лет, когда будет эксплуатироваться мостовой переход. Сильно меняют условия стока гидроэнергетические сооружения на реках. Поскольку деятельность человека на реке не является случайной, а направлена на ее планомерное использование, то расходы воды в случае регулирования стока не могут считаться случайными. Поэтому применение статистических приемов прогноза высоты половодий ограничено свободными реками.

Результаты прогноза, основанного на статистических данных, должны подвергаться всесторонней проверке главным образом путем сопоставления с натурными данными о прошедших паводках. Это позволит избежать грубых ошибок, хотя некоторая погрешность неустранима в связи с известной схематизацией явлений, которая допускается при конкретном расчете по ограниченному количеству данных о режиме реки.

Максимальный расход определенной величины может быть охарактеризован вероятностью его превышения еще большими расходами. Если какой-либо расход является расчетным для сооружений мостового перехода, при котором запасы устойчивости сооружений будут исчерпаны, то вероятность превышения этого расхода будет одновременно вероятностью опасных условий работы сооружений. Вероятность превышения расхода выражается в долях единицы и справедлива для каждого года, так как с определенной степенью вероятности можно ожидать превышения расчетного расхода в любом году. Чем больше максимальный расход, тем меньше вероятность его превышения еще более значительными расходами.

Вероятность превышения может быть отнесена не только к одному году, но и к длительному периоду времени. В этом случае можно отождествлять вероятность превышения с частотой, т. е. с числом случаев превышения за этот период. Например, если вероятность превышения максимального расхода весеннего половодья, которое бывает 1 раз в год, равна 0,02 в каждом году, то это одновременно обозначает, что такой максимальный расход будет превышен еще большими: в среднем 1 раз за каждые 50 лет; 2 раза за 100 лет и т. д. Превышение за длительный срок почти достоверно.

Нормы частоты нарушения нормальных условий эксплуатации, т. е. ограничений перевозок и скорости движения автомобилей, и нормы частоты возникновения опасности повреждения сооружений устанавливаются техническими условиями проектирования автодорожных мостов.

Вероятность превышения расчетных максимальных расходов половодий меняется соответственно народнохозяйственному значению видов транспорта, а также в зависимости от вида сооружений (табл. XIX. 1).

В связи с этим к нормам проектирования железнодорожных мостовых переходов предъявляют более высокие требования, чем к нормам для автодорожных переходов.

Насыпи автомобильных дорог имеют достаточно широкую проезжую часть, укрепленную твердыми материалами в большинстве случаев с применением вяжущих веществ. Поэтому перелив через автодорожную насыпь менее опасен, чем через железную дорогу, и сопровождается меньшими повреждениями земляного полотна. Этим объясняется меньшая частота превышения наибольшего расчетного расхода для железнодорожных насыпей по сравнению с автодорожными.

Принципиальная схема обоснования расчетной вероятности превышения паводка (ВП) показана на рис. XIX.1. На графике по оси ординат отложены приведенные стоимости мостового перехода, определенные при проектировании его по паводкам с различной ВП. Полностью устойчивые при любых паводках переходы имеют большую строительную стоимость, но перерывов движения по ним нет. Наоборот, переходы, запроектированные по низким паводкам, дешевы, но велики эксплуатационные расходы по перевозкам в связи с перерывами движения, а также расходы по восстановлению перехода, повреждаемого высоким паводками. Некоторой ВП (ось абсцисс на рис. XIX.1) соответствует минимум приведенной стоимости Cmin.

Это и есть наивыгоднейшая вероятность превышения, которую следует принимать за расчетную. Подобного рода расчеты служат основанием для составления расчетных норм ВП паводков.

§ XIX.2. МЕТОДИКА ПРОГНОЗА МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ВОДЫ В РЕКАХ

Непрерывный ряд наибольших годовых максимальных расходов, зафиксированных за несколько лет, может быть изображен в виде столбчатых диаграмм: хронологической (рис. XIX.2, а) и ранжированной (рис. XIX.2, б).

Средняя высота ряда и характерное выпукловогнутое очертание ранжированной диаграммы не изменяются с увеличением продолжительности наблюдений за режимом реки.

Если длительность всего периода наблюдений принять за единицу, то вероятность превышения любого расхода из натурного ранжированного ряда будет определяться той частью единицы s, которой соответствует еще более высокие расходы. В первом приближении эта вероятность может быть подсчитана по ограниченному количеству максимальных годовых расходов. Такая непосредственно вычисляемая вероятность или соответствующая ей частота называется эмпирической.

Распространенной в настоящее время формулой, отображающей возможность включения в короткий ряд настолько больших расходов, что частота их превышения меньше, чем 1 раз за период наблюдений, является

где т – порядковый номер члена ряда в ранжированном ряду;

п – общее число членов ряда (лет наблюдений за режимом реки)
Чем длиннее ряд наблюдаемых величин, тем более плавное очертание приобретает ранжированная диаграмма максимальных расходов. При воображаемом бесконечно большом увеличении продолжительности наблюдений и неизменной длине диаграммы, равной единице, каждый из расходов будет изображаться уже не столбиком, а одной линией – ординатой. При этом ступенчатое очертание диаграммы перейдет в плавное криволинейное (рис. XIX.2, в). Пользуясь такой кривой, можно определить теоретическую вероятность превышения любого по величине максимального расхода реки, в том числе превышающего фактически наблюдавшиеся, или по заданной вероятности превышения найти величину соответствующего ей расхода. Очертание кривой, которая может быть названа кривой вероятностей, устанавливается исходя из основного предположения, что закономерности колебаний стока, установленные в течение предшествующего ограниченного периода изучения режима стока реки, сохраняются и для последующего, тоже ограниченного периода эксплуатации сооружений перехода через эту реку.

Уравнение кривой вероятностей, изображенной на рис. XIX.2, в, подбирается для каждой реки самостоятельно как обычная эмпирическая формула.

Для этой цели необходимо сначала установить тип уравнения, а затем определить его числовые параметры по фактически имеющимся эмпирическим величинам, т. е. по ряду уже наблюдавшихся максимальных расходов.

При этом необходимо иметь в виду, что нижняя точка кривой соответствует ежегодно превышаемому максимальному расходу, а верхняя – никогда не превышаемому расходу, т. е. физически возможному максимуму-максиморуму расхода, не равному бесконечности.

В качестве эмпирических формул чаще всего применяют формулы так называемого трехпараметрического гамма-распределения, хорошо описывающие фактические распределения гидрологических характеристик реки, в частности максимальных расходов. Числовые параметры уравнений этих кривых представляют собой статистические характеристики ряда наблюдавшихся величин.

При этом используют таблицы или графики ординат и сводят расчет к формуле


где Qs – искомый максимальный расход заданной вероятности превышения; – среднеарифметический максимальный расход, вычисленный за длинный ряд лет; Ks – модульный коэффициент, определяемый по таблицам, составленным на основе уравнений трехпараметрического гамма-распределения (табл. XIX.2), или по рис. IX.6 (см. ч. I).

При этом используют таблицы или графики ординат и сводят расчет к формуле



где s — вероятность превышения расчетного расхода; Со, Cs – статистические параметры ряда наблюдавшихся величин, называемые коэффициентами вариации и асимметрии.

Величину вычисляют по формуле арифметического среднего, т. е.



где п — число суммируемых величин.

Параметр Сv представляет собой отношение среднеквадратичного отклонения всех максимальных расходов ? от среднего их значения к этому среднему значению, т. е.



где модульный коэффициент каждого из расходов по отношению к среднему.

Произведя алгебраическое преобразование подкоренного выражения и учитывая, что , можно записать выражение для коэффициента вариации в виде


Параметр Cs выражается формулой

причем для рядов максимальных расходов Cs > 0.

Однако непосредственное вычисление по этой формуле приводит к значительным ошибкам, в связи с чем отношение Cs : Сv определяют подбором, как наилучшим образом удовлетворяющее очертанию ранжированной диаграммы натурных расходов, или принимают Сs = v при стоке талых вод и Cs = (3 – 4) Сv при ливневом стоке.

Величина расчетного модульного коэффициента может быть представлена также формулой


Точность вычисления параметров ряда расходов и ?, а следовательно, и расчетных расходов зависит от числа членов ограниченного ряда наблюдений, по которому они определяются. Чем меньше число членов ряда, тем больше погрешность вычисления, т. е. тем больше могут отклоняться величины параметров ряда и расхода от тех точных значений, которые соответствуют бесконечному сроку наблюдений за режимом водотока. Вероятная ошибка определения Qs будет равна среднеквадратичной ошибке суммы, стоящей в правой части равенства (XIX.8). Следовательно,

Вероятные ошибки вычисления средней величины максимальных расходов и среднеквадратичного их отклонения от среднего значения, зависящие от длительности наблюдений, определяют на основе теории вероятностей по формулам:

При этом вероятная ошибка определения расхода составляет

Величину ?Qs, можно вводить со знаком плюс как поправку к значению расхода Qs, определяемому по формуле (XIX.8), что называется гарантийной поправкой, т. е. поправкой, гарантирующей от появления значительных ошибок в связи с неточным определением параметров ряда расходов. Однако при проектировании транспортных сооружений эту поправку обычно не вводят.

Из уравнения (XIX.11) может быть выведена важная формула минимального числа лет наблюдений за режимом водотока, обеспечивающего малую, заранее заданную погрешность:


Числовой коэффициент равен 12,5 при наибольшей допустимой погрешности 20% и 50, если допустимая погрешность принимается равной 10%.

Чем меньше расчетная вероятность превышения максимального расхода, тем больше величина Кs или Фs и тем большее число лет необходимо наблюдать (при прочих равных условиях) за режимом водотока, чтобы надежно определить величину расчетного максимального расхода. С другой стороны, необходимый срок изучения режима тем меньше, чем меньше вариация ряда расходов, т. е. чем уже пределы их изменений. Для очень малых значений, Сv число лет наблюдений п равно весьма малой величине. Однако, чтобы надежно вычислить коэффициент вариации, входящий в формулу (XIX.12), необходим некоторый минимум наблюдений. Практика расчетов показывает, что стабильное значение средней величины максимального расхода достигается при n = 10 годам наблюдений, а стабильное значение коэффициента вариации — только при n = 15. Последней цифрой и ограничивается наименьшая продолжительность наблюдений в тех случаях, когда расчет по формуле (XIX.12) дает п < 15.

Для правильного определения параметров ряда расходов важно, чтобы период наблюдений охватывал как маловодные, так и многоводные годы. Только в этом случае может быть установлена фактическая изменчивость высот половодий, характерная для данного водотока. Так, расходы, определенные с вероятностью превышения 1 % по многолетним данным и по данным, охватывающим только более короткий маловодный период, различаются в 1,5 раза (рис. XIX.3),

Определение статистических параметров ряда максимальных расходов и величин расходов с расчетной вероятностью превышения удобно выполнять в табличной форме (табл. XIX.3).

Вследствие недостаточной изученности водотоков при проектировании мостовых переходов нередко возникает задача искусственного удлинения ряда непрерывных наблюдений за режимом реки. Такое удлинение до необходимых пределов, определяемых формулой (XIX.12), выполняется обоснованно и беспрепятственно, если на том же водотоке, но вне места перехода имеется постоянный водомерный пост с достаточно длительным сроком наблюдений. В этих условиях можно построить по данным параллельных наблюдений кривую связи расходов в двух створах реки (рис. XIX.4) и, пользуясь ею, определить, какие максимальные расходы проходили в месте перехода реки в те годы, когда наблюдения за режимом стока здесь еще не велись. Особенно точно может быть построена кривая связи, если в обоих створах реки был зафиксирован самый большой максимальный расход. Такие высокие половодья, или паводки, обычно приносят повреждения сооружениям, затопляют населенные пункты и т. д. Поэтому отметки уровня воды при особенно высоких половодьях и паводках часто фиксируются на зданиях и других предметах. Например, на Волге во многих пунктах зафиксировано очень высокое половодье в 1719 г., на Оке в 1820 г. и т. д. Имея кривые расхода по обоим пунктам, для которых строится кривая связи, нетрудно перейти от этих отдельно зафиксированных уровней к соответствующим им расходам. В этом случае отпадает необходимость экстраполяции кривой связи (см. рис. XIX.4, а) и можно ограничиться более точной ее интерполяцией (см. рис. XIX.4, б).


Прогноз максимальных расходов может быть выполнен не только изложенным выше аналитическим способом, но и графоаналитическим, т. е. с графической экстраполяцией на малые вероятности превышения. Однако надежная экстраполяция с изображением кривой вероятности при равномерных шкалах на осях S и Q неосуществима в связи с резким подъемом и криволинейным очертанием левой ветви кривой (см. рис. XIX.2, в). Поэтому для графической экстраполяции кривой вероятности ее строят на специальных клетчатках, называемых клетчатками вероятности, на которых эта кривая выпрямляется, аналогично тому, как при использовании логарифмической шкалы выпрямляется график степенной функции.

Неравномерная функциональная шкала на горизонтальной оси так называемой клетчатки нормального распределения (рис. XIX.5) строится по уравнению этого распределения. Точки, соответствующие максимальным годовым расходам реки, располагаются на прямых, если Cs = 0, или на очень пологих вогнутых кривых, если Cs > 0. Наклон этих прямых или кривых к горизонтальной оси тем больше, чем больше Сv. Пологие кривые и тем более прямые позволяют выполнять довольно точную непосредственную экстраполяцию. При графической экстраполяции не задаются типом уравнения кривой вероятности, т. е. ошибка от применения какого-либо обязательного уравнения кривой (в том числе трехпараметрического гамма-распределения) может быть уменьшена или полностью устранена.

С вертикальной осью расходов на клетчатке нормального распределения совмещается или равномерная шкала, пригодная для рядов наблюдений е небольшими коэффициентами вариации, или логарифмическая шкала (см. рис. XIX.5), используемая при значительной амплитуде колебаний максимальных расходов.

Точки, изображающие уже наблюдавшиеся величины расходов, наносят на клетчатку нормального распределения в соответствии с эмпирической вероятностью их превышения, вычисляемой по формуле (XIX.1), и выполняют графическую экстраполяцию (рис XI Х.6).

Аналогичное построение с нанесением теоретических кривых по табл. XIX.2 выполняют для выбора наилучшего соотношения расчетных параметров Cs : Cv при аналитическом расчете Qs.

Расчетному паводку, величина максимального расхода которого определена приведенными выше приемами, соответствует некоторый уровень воды с той же вероятностью превышения его более высокими, что и для расхода. Отметку уровня (см. § XIX.3) наилучшим образом можно установить по кривой расхода, выражающей зависимость Н = f (Q). Кривую расхода строят по данным полевых гидрометрических измерений. Очевидно, следует предполагать наличие такой кривой, так как статистической обработке, изложенной выше, подвергался ряд вычисленных расходов, а не уровней, непосредственно измеряемых на водомерном посту.

Однако в значительном количестве случаев постоянные водомерные посты еще не имеют кривой расхода, т. е. гидрометрические работы (за исключением измерения уровней) на них еще не проводились. В этих условиях целесообразно, учитывая совпадение вероятностей превышения максимальных расходов и уровней, производить самостоятельную обработку рядов уровней специальным статистическим приемом. Область применения такого приема расчета ограничивается двумя случаями: створ перехода совпадает со створом наблюдений за уровнями или между створом наблюдений с многолетним рядом уровней и переходом может быть построен достаточно надежный график связи.

Непосредственное определение расчетного уровня неприменимо для створов, расположенных на конусах выноса, где наблюдается постепенный закономерный подъем речного русла и вместе с ним и всего водного потока, а также на участках верховьев рек, где происходит закономерное врезание реки в коренные породы.

Надо учитывать, что хорошо изученные аналитические выражения кривых вероятности максимальных расходов не могут быть использованы в этом случае, так как характер изменчивости ряда уровней отличен от изменчивости ряда расходов. Использование статистических параметров, удобных для обработки рядов расходов, оказывается затруднительным и, что главное, непоказательным. Изменение нуля отсчетов уровней (абсолютные отметки; от нуля графика водомерного поста; от наинизшего уровня воды в межень и т. д.) приводит к изменению значений и Сv. Только параметр Cs, если его вычислять по общей полной формуле (XIX.6), не меняет своего значения при изменении нуля отсчета.


Как показывает опыт расчетов, коэффициенты асимметрии многолетних рядов уровней отрицательны (Сs < 0), что объясняется малой разностью очень высоких уровней (из-за широкого разлива на поймы), несмотря на существенную разницу в расходах, им соответствующих. В то же время все используемые в практике гидрологических расчетов кривые вероятности расходов положительно асимметричны (Cs > 0), в связи с чем их применение и становится невозможным. Поэтому для обработки рядов уровней и определения уровня редкой расчетной вероятности превышения используют только клетчатки вероятностей, т. е. графический прием расчета.

Наиболее удобной является клетчатка нормального распределения с равномерной вертикальной шкалой (см. рис. XIX.6). На этой клетчатке вероятностей положительно асимметричное распределение расходов изображается вогнутой кривой 1, а отрицательно асимметричное распределение уровней – кривой 2, выпуклой кверху.

Расчет сводится к ранжированию ряда наблюдавшихся годовых максимальных уровней, вычислению эмпирической вероятности превышения каждого члена ряда по формуле (XIX.1), нанесению точек Н = f (S) на клетчатку, проведению плавной кривой вероятности по нанесенным точкам и графической экстраполяции ее до расчетного значения вероятности превышения (см. рис. XIX.6).
§ XIX.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ВОДЫ И СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ МАКСИМАЛЬНЫМ РАСХОДАМ

Для проектирования мостовых переходов необходимо знать не только величины максимальных расходов, но и подъем уровня воды, а также скорости течения при расчетных половодьях. Если известен максимальный расход паводка, т. е. первичный фактор, определяющий режим водного стока свободной реки в месте предполагаемой постройки мостового перехода, то отметку уровня воды и скорость течения можно определить по кривым расхода и скорости. Последние строят на основании непосредственных гидрометрических измерений. Следует иметь в виду, что если величина расхода паводка практически не зависит от очертания поперечного сечения долины в месте расположения проектируемого мостового перехода, то скорость течения и наполнение долины (т. е. подъем уровня воды) в сильной степени связаны с местными характеристиками долины: шириной, уклоном, шероховатостью. Поэтому гидрометрические кривые, построенные для одного участка (сечения) реки, нельзя использовать при проектировании сооружений на другом участке, за исключением случаев, когда местные характеристики этих участков полностью идентичны.

Гидрометрические работы редко удается провести в год наивысшего паводка, тем более они не могут быть проведены в год расчетного паводка, который, как правило, на реке еще не наблюдался. Поэтому для определения уровней и скоростей течения кривые расхода и скорости должны быть предварительно экстраполированы за пределы того наивысшего уровня воды, при котором проводились гидрометрические измерения.

Непосредственную графическую экстраполяцию кривой расхода выполнить обычно затруднительно, так как точки, по которым проводится эта кривая, характеризуются значительным разбросом, тем большим, чем за большее число лет наблюдений используются гидрометрические данные. Этот разброс закономерен и объясняется неодинаковой высотой паводков в разные годы, в связи с чем одному и тому же уровню часто соответствуют разные уклоны, величина которых зависит от максимального подъема уровня во время паводка. Можно устранить такой разброс точек, а вместе с ним и петлеобразное очертание кривой, т. е. двузначность зависимости Н = f (Q), если строить кривую расхода по величинам расходных характеристик:


Чтобы не оперировать огромными цифрами расходных характеристик потока (что определяется очень малыми значениями уклонов), можно величины этих характеристик заменить величинами К : , где l — расстояние, на длине которого измеряется уклон реки. Это расстояние обычно значительно, например расстояние между двумя створами водомерного поста. Таким образом, если обозначить падение свободной поверхности на длине l через z, то кривые расхода для устранения разброса точек и для получения однозначной зависимости необходимо строить в координатах


На рис. XIX.7 показана кривая расхода в обычных координатах, характеризуемая значительным разбросом точек, и та же кривая, построенная в приведенных координатах [см. уравнение (XIX.13)I, в связи с чем разброс точек почти исчез. Уклоны или соответствующие им падения z должны вводиться в расчет фактически наблюдавшиеся во время каждого из гидрометрических измерений.

После устранения разброса точек для экстраполяции кривых расхода можно пользоваться как графическим простейшим, так и графоаналитическим приемом с подбором эмпирических уравнений.

Величина падения z практически постоянная при максимальных расходах паводков разной высоты. Поэтому переход от величины Qz к расходу Q для расчетного паводка не представляет затруднений.

При построении кривых скорости необходимо иметь в виду, что в различных частях одного и того же поперечного сечения речной долины скорости сильно разнятся, так как формируются в различных условиях. Скорости пойменного потока малы и характеризуют режим протекания потока при малых глубинах и большой шероховатости покрытого растительностью неподвижного дна. Скорости течения воды в русле обычно значительны. Дно русла сложено наносами, перемещающимися в паводок, и имеет меньшую шероховатость, чем пойма, а глубина воды в русле больше, чем на пойме. Поэтому кривые средней скорости для всего сечения потока при паводках, когда залиты и поймы, не могут считаться характерными. При решении ряда проектных задач необходимо строить раздельные кривые средней скорости для русла и для каждой поймы.

Кривые скорости дают явно двузначную зависимость v = f (H), и отличие наивысшего уровня от уровня, при котором наблюдается максимальная скорость, обычно весьма значительно.

Устранение петлеобразного очертания кривой скорости и одновременно разброса натурных точек достигается тем же приемом, что и для кривых расхода. Вместо зависимости v = f (H) строят кривую

Однозначную приведенную зависимость vz = f (H) экстраполируют обычно графически без подбора эмпирической формулы.

По экстраполированной кривой vz = f (H) можно найти скорость при наивысшем уровне паводка, соответствующем максимальному расходу с расчетной вероятностью превышения. Однако это не будет максимальной скоростью для расчетного паводка, которая наблюдается при более низком уровне и большем падении z. Отыскать такой уровень и определить величину максимальной скорости по кривой vz = f (H) довольно трудно. Поэтому обычно определяют только скорость течения при наивысшем уровне паводка и устанавливают коэффициент перехода от этой скорости к наибольшей по данным непосредственных измерений при нескольких паводках. Чаще всего этот коэффициент оказывается не зависящим от высоты паводка.

В большинстве случаев створ, по которому наблюдают за уровнями и расходами реки, не совпадает со створом проектируемого мостового перехода. Поэтому после определения характеристик расчетного паводка для створа, где велись наблюдения (створ водомерного поста гидрометеорологической станции), необходимо установить эти же характеристики для места расположения проектируемых сооружении.

Если расстояние от водомерного поста до мостового перехода невелико, так что разница в площадях водосбора для двух створов практически незаметна, то величину максимального расхода можно считать одинаковой для обоих створов. При существенной разнице площадей водосборов необходимо ввести соответствующий корректив.

Кроме величины расчетного расхода, для проектирования мостового перехода необходимо знать уровень воды, соответствующий этому расходу. Приближенно разницу в уровнях воды, соответствующих одному и тому же максимальному расходу паводка, в створах водомерного поста и мостового перехода можно найти по известной величине уклона при наивысшем уровне паводка. Если невозможно перенести отметку уровня по уклону, то строят кривую связи уровней в месте длительного их изучения и на проектируемом мостовом переходе. Для этого проводят краткосрочные наблюдения за уровнями в месте пересечения реки дорогой и по соответственным уровням, одновременно фиксируемым в двух створах реки, строят кривую связи уровней, аналогичную кривой связи расходов (см. рис. XIX.4). Зная, что при очень высоких паводках уровни воды меняются значительно слабее, чем величины максимальных расходов, следует считать, что перенос уровней по уклону или по кривой связи уровней будет достаточно надежным.

Какой-либо перенос величин скоростей течения при высоких паводках со створа водомерного поста на створ мостового перехода практически невозможен. Это объясняется тем, что скорость течения в сильной степени определяется местными условиями. Например, в условиях местного сужения речной долины и уменьшения ширины пойм скорости течения в русле и на пойменных участках в месте сужения будут значительно отличаться от скоростей на соседних участках долины. Поэтому для точного определения скоростей течения в створе проектируемого мостового перехода необходимо ввести гидрометрические наблюдения непосредственно в этом створе (хотя бы ограничиваясь измерениями только в пределах русла реки) и строить кривую скорости течения в русле, необходимую для дальнейших расчетов.

Для приближенного построения кривых расхода и скоростей течения можно использовать морфометрический способ, заключающийся в оценке шероховатости русла и пойм и по их внешним морфологическим и геометрическим признакам и в расчете расхода и скоростей течения по уравнению равномерного движения.

Расчетному уровню половодья соответствуют расход Qs и расходная характеристика К = Qs : . Эта характеристика может быть выражена по уравнению равномерного движения воды через геометрические размеры и шероховатость поперечного сечения потока (рис. XIX.8, а):

Знак суммирования в правой части равенства (XIX.15) означает не только суммирование расходных характеристик пойменных потоков, но и возможное разделение каждого пойменного потока на части, характеризуемые разной шероховатостью.

Пользуясь формулой (XIX. 15), задаются нескольким произвольными уровнями воды (наполнениями речной долины), вычисляют соответствующие расходные характеристики К и строят кривую расходных характеристик (рис. XIX.8, б), по которой затем определяют расчетный расход при наивысшем уровне расчетного паводка, зная уклон реки.

В расчетах отверстий мостов большое значение имеет распределение максимального расхода паводка по ширине разлива, которое также может быть найдено из уравнения (XIX. 15). В частности, относительная величина руслового расхода

а суммарного пойменного

Следовательно, зная величину полного расчетного расхода реки и его распределение между руслом и поймами, можно найти величины частных расходов

а также средние величины скоростей течения в русле и на поймах при расчетном паводке


Этот расчет может быть выполнен для любого уровня воды, интересующего проектировщика (см. гл. XX).

Необходимые для расчета величины коэффициентов шероховатости русел и пойм приведены в табл. XIX.4.


Во всех случаях желательна натурная проверка норм коэффициентов шероховатости, для чего можно использовать даже единичные простейшие замеры скоростей течения по возможности при нескольких уровнях воды в реке, сопровождаемые установлением уклона водной поверхности.

Морфометрическим расчетом могут быть установлены относительные пойменные расходы и раздельно для каждой из пойм. Так,



Здесь Индексом «лп» обозначены характеристики левой поймы, а «пп» – правой.

Очевидно, таким же образом могут быть рассчитаны относительные расходы, проходящие по характерным частям пойм (разные глубины, шероховатости).

Формулами (XIX.16), (XIX.17), (XIX.20), (XIX.21) можно пользоваться и в том случае, когда величина общего расхода (в м3/с) неизвестна. В этом случае расходы пойм (или их частей) будут выражены в долях полного расхода, принимаемого за единицу или 100%.

Морфометрический расчет дает также возможность установить ширину участка поймы, примыкающую к руслу, по которому проходит заданный относительный расход Qпмб/Q:

Этот расчет используется при определении длины пойменного участка отверстия моста (см. гл. XX).

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации