§ 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 наводка, 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 па основании непосредственных гидрометрических измерений. Следует иметь в виду, что если неличина расхода паводка практиче­ски не зависит от очертания поперечного сечения долины в месте рас­положения проектируемо) о 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

о0

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 наводка. Можно устранить такой разброс точек, а вместе с ним и петлеобразное очертание кривой, т. е. двузначность зависимости И = I {О), если строить кривую расхода по величинам расходных характеристик:

■VI-

где I — уклон; г — фактическое падение уровня воды на длине I во время измерения (?

Чтобы не оперировать огромными цифрами расходных характе­ристик потока (что определяется очень малыми значениями уклонов), можно величины этих характеристик заменить величинами К '■ VI, где I — 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 I через г, то кривые расхода для устра­нения разброса точек и для получения однозначной зависимости не­обходимо строить в координатах

^н=!{у^)^=[т' ^(Х1ХЛЗ)

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)1, в связи с чем разброс точек почти исчез. Уклоны или соответствующие им падения г должны вводиться в расчет фактически наблюдавшиеся во время каждого из гидрометрических измерений.

1000

Величина падения г практически постоянная при максимальных расходах паводков разной высоты. Поэтому переход от величины к расходу 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 диа. Скорости течения воды в русле обычно значительны. Дпо 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 а — [ (Я), и отличие наивысшего уровня от уровня, при котором наблюдается максимальная скорость, обычно весьма значительно.

Устранение петлеобразного очертания кривой скорости и одно­временно разброса нятурных точек достигается тем же приемом, что и для кривых расхода. Вместо зависимости V — / (Н) строят кривую

= (XIX.14)

У г

Однозначную приведенную зависимость и_г — ] (Я) экстраполи­руют обычно графически без подбора эмпирической формулы.

По экстраполированной кривой у_г = / (Я) можно найти скорость при наивысшем уровне паводка, соответствующем максимальному расходу с расчетной вероятностью превышения. Однако это ие будет максимальной скоростью для расчетного паводка, которая наблюдает­ся при более низком уровне и большем падении г. Отыскать такой уровень и определить величину максимальной скорости по кривой = [ (Н) 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 соору­жений.

Если расстояние от водомерного поста до мостового перехода не­велико, так что разинпа в площадях водосбора для двух створов прак­тически незаметна, го 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 уровнен 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 морфомстрический способ, заключающийся ~ в оценке шероховатости русла и пойм и по их внешним морфологиче­ским и геометрическим признакам и в расчете расхода и скоростей те­чения но уравнению равномерного движения.

Расчетному уровню половодья соответствуют расход и расход­ная характеристика К = <?₅ : У~1. Эта характеристика может быть вы­ражена по уравнению равномерного движения воды через геометри­ческие размеры и шероховатость поперечного сечения потока (рис. XIX.8, а):

■ К — ш_р С_р У"й"_р + 2ш_п С_п (XIX. 15)

где со — площадь поперечного сечения; к — средняя глубина; С — коэф­фициент Шези, обычно выражаемый по формуле Маннинга С = А¹/' : п — тк'!•

или Базена С = 87 ( 1 п — коэффициент шероховатости по Маннингу;

V У^н!

; — коэффициент шероховатости по Базену. Гидравлический радиус при этом читается равным средней глубине

■ В этой формуле индексом <ф» обозначены размеры и параметры поперечного :ечения потока в русле, а индексом «п» — на пойме.

! 3 ак. 726 33

Знак суммирования в правой части равенства (XIX.15) означает !е только суммирование расходных характеристик пойменных пото- 1 ов, 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 расход- пых характеристик (рис. Х1Х.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

= ₌ ^юР_^сР __] (XIX.16)

^ ^ _Шр с_р У/_!р + 2ш_и С_и У й_п '

а суммарного пойменного

₌ 1 —х. , (XIX.17)

<3

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

<?„ = т<Э И <?_п = (1 -т)<г, (XIX. 18)

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

II и в_п = -^. (XIX. 19)

Шр Гоц

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.

Рис. XIX 8 Схема к морфомстрическому расчету: о — геометрические размеры поперечного сечении потока, б—кривая расходных характе­ристик

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,

Флп __®лп 0|Ш УА лп

Я Юр Ср У Н-р 2се_п С_п У Ни

С?пп ^Ттп УП

О Шр Ср у Лр + 2<в_и С_п У/1„

Здесь индексом «лп» обозначены характеристики левой поймы, а гап» — 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/е) 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 <?_пмд/(2:

^ = В_поймы^ .Л.. (XIX.22)

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

(XIX 20) (XIX.21)