Файл: Переходы через водотоки..pdf

ния сооружений. Ориентировкой для этих условий служат требования при наибольшем расходе, отвечающие, как отмечалось, сохранности сооружений.

Для промежуточных категорий нормы следует принимать про­ межуточными между нормами для крайних категорий.

Гл а в а IV. МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

§13. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ МОРФОМЕТРИИ ВОДОТОКОВ

Морфометрическими изысканиями при проектировании автомо­ бильных и железных дорог называется комплекс работ по гидроло­ гическому обследованию водотока, не включающий натурных наблюдений за (проходом половодья или паводка. Термин «морфо­ метрия», введенный в практику изысканий Е. В. Болдаковым, за­ имствован из геоморфологии. Он отражает существо метода — по­ лучение гидрологических характеристик через измерение формы речной долины (поперечного сечения и продольного уклона), до­ полненное определением геоботанических характеристик ее.

Необходимость в таких работах возникает при пересечении трассой водотока и трассировании дороги в зоне возможного воз­ действия водотока на проектируемые сооружения. В первом случае задача морфометрических изысканий состоит в определении гидро­ логических данных, необходимых для проектирования сооружений мостового перехода. Во втором случае гидрологические данные должны обеспечить проектирование земляного полотна дороги, ук­ реплений, обвалований и берегозащитных сооружений; объем этих данных и характер полевых работ, необходимых для их получения, отличаются от таковых для первого случая. Поэтому ниже раз­ дельно рассматриваются морфометрия для проектирования мосто­ вого перехода (§ 14) и морфометрия для трассирования автомо­ бильных и железных дорог в пределах речных долин (§ 16). От­ дельно рассматривается морфометрия речных русел для производства русловых расчетов, поскольку необходимость в таких расчетах может встретиться при проектировании мостового пере­ хода и трассировании долинных ходов (§ 17).

Морфометрия водотока должна заменить производство гидро­ метрических наблюдений в половодный или паводочный период. Точность гидрологических данных, полученных с помощью морфо­ метрии, может оказаться достаточно высокой, если при выполнении работ будут использованы материалы стационарных наблюдений Гидрометеослужбы, а также методы гидрологической аналогии и генетические формулы максимальных расходов воды.

Несовпадение сроков изысканий автомобильных и железных дорог со сроками паводков и половодий на пересекаемых водото­ ках делает морфометрический способ получения гидрологических

данных основным и массовым. Даже если такое совпадение быва­ ет и возможно организовать наблюдения за проходом высоких вод на наиболее крупных водотоках трассы, то вероятность появления на них з данном году, высокого паводка или половодья весьма мала. Ценность натурных наблюдений в створе мостового перехо­ да заключается в наблюдении скоростей и направления течений на поймах для выяснения распределения расчетного расхода воды ■ между поймой и руслом, а также активности пойменных проток и староречий. Если же наблюдавшиеся в створе перехода паводок или половодье были невелики и пойма не затапливалась (или не работала при малом затоплении ее), то расчет пропускной способ­ ности пойм приходится выполнять морфометрическими методами.

При выполнении морфометрических работ во внепаводочный пе­ риод полезно сделать несколько натурных измерений скоростей те­ чения в русле методами, изложенными в гл. III.

По результатам этих измерений и данным о крупности русловых отложений оценивают размеры гидравлических сопротивлений рус­ лового потока.

Качество морфометрических обследований водотоков во многом зависит от того, насколько хорошо производитель работ разбирает­ ся в морфологии пойм и русла и умеет оценить ее влияние на конеч­ ный результат расчета.

Не существует стандартного для всех рек подхода к получению нужных для проектирования расчетных гидрологических величин. Можно выделить лишь наиболее типичные случаи, с которыми встречается изыскатель при проектировании мостового перехода или трассировании долинного хода.

Если река хорошо изучена в гидрологическом отношении, и вы­ ше и ниже по течению от створа перехода или на участке долинного хода имеются многолетние водомерные посты и гидрометрические створы, расчетные значения расходов воды определяют для этих

створов. Тогда задача морфометрии состоит в перенесении расходов на створы перехода и в нахождении уровней высоких вод, соответ­ ствующих известным величинам расчетных расходов воды.

При расчете уровней одновременно решается задача распреде­ ления расчетного расхода между руслом и поймой, от которого за­ висят величины размыва нодмостового русла, подпора перед мостом и размеры струенаправляющих дамб.

Если режим реки изучен слабо и нельзя надежно установить для створа перехода или участка долинного хода величины расчет­ ных расходов воды, их устанавливают лишь ориентировочно. Тогда задачей морфометрии будет уточнение этих величин. Для такого уточнения используют уровни воды, установленные по опросам местных жителей или признакам прохождения высоких паводков или половодий.

Вероятности превышения установленных уровней в этом случае оценивают исходя из опроса и других косвенных данных.

Рассмотрим расчетные формулы, для определения параметров которых будут выполняться полевые обследования водотоков.

Для средней скорости течения воды через поперечное сечение потока гидравлика дает известную формулу Шези

где V — средняя скорость в сечении, м/сек-, С — параметр, учитыва­ ющий гидравлическое сопротивление, м°’5/сек-, R — гидравличе­ ский радиус сечения, равный площади сечения, деленной на смоченный периметр его, м\ і — продольный уклон водной по­

верхности.

Выводы этой формулы для турбулентного потока были даны М. А. Великановым [25], В. Н. Гончаровым [35] и др. Для парамет­ ра С предложено более 150 эмпирических и полуэмпирических фор­ мул, поскольку теоретическое обоснование этого параметра встре­ тило большие затруднения. Часть авторов для параметра С учиты­ вала влияние уклона потока, гидравлического радиуса сечения и шероховатости, т. е. физического состояния ложа потока (Гангилье, Куттер и др.); другие авторы учитывали только влияние гидравли­ ческого радиуса и шероховатости (Базен, Маннинг и Др.). Зидек [146] высказал мнение, что шероховатость сама зависит от ширины» глубины и уклона потока, а поэтому коэффициент, определяющий шероховатость, вообще не нужен. Так появился ряд формул скорос­

Практика применения этих формул показала, что наиболее гиб­ кими, могущими охватить наибольшее число случаев природных ус­ ловий, а также удобными для расчета, являются показательные формулы типа Маннинга, учитывающие шероховатость и гидравли­ ческий радиус поперечного сечения потока.

За рубежом (в США, Западной Европе) распространена показа­

В СССР наряду с формулой (ІѴ-2) получила распространение таблица значений С, составленная Г. В. Железняковым [42] на ос­ новании его исследований, а также формула H. Н. Павловского» которая отличается от формулы (ІѴ-2) тем, что показатель степени при гидравлическом радиусе переменен и равен г/-h0,5» причем у = = /(« ). Эта формула применяется для расчета каналов.

По исследованиям В. Н. Гончарова [35], при отношении двойной ширины русла к средней глубине более 30 гидравлический ради­ ус R (ІѴ-2) может быть заменен средней глубиной Я.

тественным водотокам с меняющимся по длине живым сечением и непостоянным во времени расходом воды возможно лишь при не­ которых допущениях. Так принимают, что на коротком участке ре­

приращение расхода воды для момента производства расчета

і £ = ° '

Эти допущения сделаны также потому, что сложные гидравли­ ческие условия пойменных створов не позволяют е достаточной точ­ ностью определить инерционные члены в уравнении неравномерно­ го и неустановившегося движения и вводить их в расчет практиче­ ски не имеет смысла.

Естественные водотоки, как правило1, извилисты в плане, имеют подвижное, сложенное аллювием русло, в котором вместе с водой перемещаются взвешенные и влекомые наносы различной крупнос­ ти, причем последние перемещаются обычно донными грядами. В паводок или половодье высокие воды затопляют прилегающие к руслу поймы, покрытые растительностью, причем глубина поймен­ ного потока резко отличается от глубины руслового; ложе поймен­ ных потоков обычно изобилует староречьями и грядами старых прирусловых валов, не параллельных общему направлению течения реки, что создает местную косоструйность, водовороты и мертвые пространства.

Эти местные условия влияют на величину силы сопротивления движению водногопотока и не могут быть сведены к понятию ше­ роховатости русла, которое определяет лишь характер поверхности стенок русла (размеры, густоту и расположение выступов неглад­ кого ложа потока).

Исходя из этого М. Ф. Срибный [123] в 1932 г. предложил заме­ нить термин коэффициент шероховатости на русловой коэффициент, понимая под ним сумму факторов, оказывающих воздействие на скорость течения естественных потоков. Им же была разработана на основе натурных данных новая классификация русловых коэф­ фициентов в зависимости от категории русел, которая используется до настоящего времени (табл. IV-1 ). Термин русловой коэффи­ циент не привился, и теперь по-прежнему применяется термин ко­ эффициент шероховатости.

Н. И. Носовым была предложена классификация коэффициен­ тов шероховатости русел, в которой значения п были поставлены в зависимость от величины уклона водотока, его расхода и крупности