книги / Мостовые переходы

Морфоствор, предназначенный для определения расходов воды по предварительно установленным уровням, выбирают на прямо­ линейном участке русла реки в тех местах, где поймы имеют наимень­ шую ширину и направление течения при высоких водах совпадает с направлением главного русла. Этот морфоствор разбивают на участке русла с однообразным уклоном при УВВ.

Морфоствор, предназначенный для установления распределения расхода воды между русловой и пойменными частями потока, рас­ полагают непосредственно выше трассы мостового перехода.

Разбивку и съемку морфостворов на местности производят с по­ мощью теодолитов-тахеометров; при этом расстояния определяют по дальномеру, а превышения — по углу наклона. В тех местах, где морфостворы пересекают меженное русло реки, протоки, ста­ роречья и озера, определяют отметки урезов воды и измеряют глу­ бины. Все морфостворы привязывают к продольному профилю ре­ ки. Границами морфостворов являются отметки земли, превышаю­ щие УВВ на 1—2 м для уровней весенних половодий и на 2—3 м — для ливневых паводков.

Морфологическими характеристиками створа являются: распре­ деление глубин воды по его ширине; сопротивление движению во­ ды в различных частяхствора (в русле, на поймах, в протоках и т. д.), которое оценивается коэффициентами шероховатости. В свя­ зи с этим при разбивке морфоствора следует не только снять про­ филь дна и берегов, но и произвести съемку ситуации местности не менее чем по 100 м в каждую сторону от морфоствора и дать описание ситуационных и морфологических признаков русла и пойм на прилегающем к створу участке рек. К этим признакам относят: наличие на пойме протоков, староречий и озер, спрямляющих те­ чений, прорывов перешейков речных излучин; характер раститель­ ности по морфоствору, выше и ниже его (трава, кустарник, лес, их густота и высота); наличие на пойме различных построек и соору­ жений; характеристика грунтов в русле реки и на незадернованных участках поймы.

На основании указанных признаков устанавливают значения коэффициентов шероховатости для различных частей морфоствора, что позволяет рассчитывать скорости течения и расходы воды в от­ дельных частях морфоствора.

В приложении III. 1 приводятся значения коэффициентов шеро­ ховатости русел и пойм по классификации М. Ф. Срибного. Этой классификацией рекомендуется пользоваться в качестве основной.

На рис. III.16 показан пример оформления морфоствора.

На больших реках в процессе проведения морфометрических об­ следований рекомендуется два-три раза определять скорости те­ чения в русле поплавками или вертушкой (см. § III.6). Определе­ ние скоростей следует сопровождать измерением продольных укло­

нов по урезным кольям. Это даст возможность получить начальную точку для построения кривой расходов Q=f(z), а также уточнить

величины коэффициентов шероховатости, назначенные визуально.

71

На всех морфостворах берут пробы для определения грануло­ метрического состава руслового аллювия и по возможности уста­ навливают крупность наносов, влекомых по дну во время паводка.

Определение типа руслового процесса. Транспортные организа­ ции, которые проектируют мостовые переходы, обычно не ведут длительных наблюдений за русловым процессом в реках. Для по­ лучения сведений о деформациях русел приходится собирать ма­ териалы, которые имеются в различных организациях, связанных с использованием данной реки. Если река судоходная, то нужные сведения можно получить в бассейновых управлениях и в техниче­ ских участках водного пути Министерства речного флота. Большую помощь проектировщикам оказывают картографические и аэрофотосъемочные материалы.

Рис. III.16. Профиль морфоствора

Крупномасштабные карты и аэрофотоснимки позволяют уста­ новить тип руслового процесса на участке мостового перехода и дать качественный прогноз возможных русловых деформаций в бу­

дущем.

Во время изысканий мостового перехода рекомендуется произ­ водить опрос старожилов, живущих в прибрежных районах (рыба­ ков, бакенщиков, паромщиков). Старожилы могут дать полезные сведения о характере русловых деформаций на данном участке рщш, например, о развитии излучин и отделении их от русла, о пе- ‘ремещении побочней, образовании протоков и т. д.

Для опознавания ленточногрядового типа руслового процесса по аэрофотоснимкам, крупномасштабным картам и в натуре могут служить следующие отличительные признаки: повороты русла сов­

72

падают с поворотами долины; берега устойчивые (они хорошо задренованы и не имеют следов подмыва); дно песчаное, в меженный период отчетливо просвечивают крупные гряды наносов; поймы не­ большие, ровные, на них отсутствуют протоки и староречья; на аэрофотоснимках хорошо заметны крупные гряды наносов в русле.

Характерные признаки побочневого типа руслового процесса: из­ вилистое меженное русло, расположенное в менее извилистых ко­ ренных, берегах; наличие расположенных в шахматном порядке побочней, обсыхающих в меженный период. В тех случаях, когда побочневый тип руслового процесса сопровождается периодическим расширением русла, отличительными признаками его являются также обрывистые подмываемые берега русла и прошедшие отчленения побочней, оставляющие следы в виде слабоизогнутых или прямолинейных староречий на поймах.

При ограниченном меандрировании русло реки на аэрофото­ снимках и крупномасштабных картах изображается в виде пологой синусоиды, при свободном — в виде различно изогнутых петель не­ правильной формы; на поймах имеется большое количество сер­ повидных стариц.

Незавершенное меандрирование в натуре опознают по наличию спрямляющих протоков, находящихся на разных стадиях развития. На аэрофотоснимках и крупномасштабных картах русло изобра­ жается в виде различных петель, соединенных действующими про­ токами.

Русловую многорукавность на аэрофотоснимках, крупномас­ штабных картах и в натуре опознают по наличию ярко выражен­ ных рукавов русла, расположенных между островами, а блуждание русла — по наличию сильно изрезанной протоками и лишенной рас­ тительности широкой зоны отложений наносов.

Пойменную многорукавность опознают в натуре и с помощью картографических материалов по широкой пойме и руслу, разбито­ му на ряд действующих в меженный период рукавов; между рука­ вами находятся устойчивые острова, которые представляют собой отдельные участки поймы.

Изучение ледового режима реки. Задачей изучения ледового ре­ жима реки является получение основных гидрологических харак­ теристик, необходимых для расчетов и проектирования сооружений мостового перехода.

В период изысканий необходимо изучить условия образования и перемещения льда в районе перехода; установить сроки появления отдельных ледообразований, их местоположение и размеры в раз­ личные периоды ледохода; выяснить возможность образования за­ торов и зажоров льда и установить их местоположение; выявить места промерзания реки до дна и образования наледей; установить характерные уровни (см. выше).

Для получения всех необходимых сведений о ледовом режиме реки используют данные близлежащих постоянных водомерных постов, материалы прошлых изысканий, а также производят опрос старожилов.

73

Впериод ледостава проводят наблюдения за толщиной льда и шуги, изучают причины образования наледей, исследуют прочность льда. Толщину льда измеряют в створах, находящихся на расстоя­ нии не менее 0,5 км выше и ниже створа мостового перехода; тол­ щину льда измеряют по середине реки и у берегов.

Впериод вскрытия реки устанавливают интенсивность ледохо­ да; определяют размеры плывущих льдин, густоту и скорость дви­ жения льдин по ширине и длине исследуемого участка реки; выяв­ ляют места образования заторов и зажоров льда и изучают причи­

ны их возникновения.

Особенно большое внимание должно уделяться изучению ледо­ вого режима рек в районах с суровой зимой, где при вскрытии об­ разуются мощные заторы и навалы льда на берега. В результате прорыва таких заторов может происходить разрушение располо­ женных ниже берегов и сооружений.

§ Ш.6. ГИДРОМЕТРИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

Эти работы проводят на переходах через средние и крупные реки, недостаточно изученные в гидрологическом отношении.

Гидрометрические наблюдения осуществляют на стадии под­ робных технических изысканий. Их выполняют как дополнительные работы к морфометрическим обследованиям.

Целью этих работ является определение расходов воды, скорос­ тей течения и уровней воды в период прохождения паводка; про­ дольных и поперечных уклонов водной поверхности в районе мос­ тового перехода; направлений струй потока и траекторий движе­ ния судов, плотов и льдин.

В проведении гидрометрических работ различают два периода. Первый период (до начала паводка) является подготовительным. В течение этого периода разбивают и закрепляют гидростворы, со­ оружают водомерные посты, строят наблюдательные вышки для фиксации траекторий поплавков, льдин и судов, оборудуют пла­ вучие средства необходимыми приспособлениями. В течение вто­ рого периода (периода прохождения паводка) производят непос­ редственные гидрометрические измерения.

Разбивка гидростворов. Гидростворы разбивают для измерения скоростей течения и вычисления по измеренным скоростям расхода воды в реке. Они должны располагаться нормально к направлению течения для того, чтобы поперечное сечение реки, взятое по гидро­ створу, представляло собой живое сечение потока. При большей ширине разлива реки и существенном различии в направлениях течения в русле и на пойме гидроствор в плане может быть лома-

.ным.

Количество гидростворов назначают в зависимости от условий протекания потока на участке реки у перехода. Если условия про­ текания сложные (например, ширина поймы резко изменяется вдоль по течению, на пойме имеются протоки, староречья и озера),

74

то разбивают два-три гидроствора, это дает возможность просле­ дить изменение скоростей течения не только по ширине, но и по длине потока, а также установить перераспределение общего рас­ хода между руслом и поймами. Если условия протекания потока на участке реки у мостового перехода простые (прямой участок реки, однообразная пойма), то разбивают только один гид­

роствор.

Когда на участке реки у перехода разбивают несколько гидро­ створов, один из них принимают за главный. Его рекомендуется совмещать с осью перехода. На главном гидростворе производят наибольшее количество измерений, па нем определяют расходы при разных уровнях для установления зависимости расхода от уровня.

Желательно, чтобы в районе главного гидроствора русло реки было прямолинейным и не имело островов; ширина поймы была минимальной, на ней не было протоков, староречий, озер и густой растительности; направления течения в русле и на пойме были при­ мерно параллельными.

Гидростворы разбивают на всю ширину разлива реки с запасом по высоте над уровнем УВВ на 2 м.

На дидростворах намечают вертикали для измерения скорос­ тей течения вертушками. В руслах малых рек назначают 5—8 вер­ тикалей, в руслах больших рек—-12—15; на поймах вертикали на­ мечают в наиболее характерных местах (с учетом рельефа поймы и растительности), но не реже чем через 200—300 м.

Сооружение водомерных постов. В районе перехода для изме­ рения уровней воды сооружают не менее трех водомерных постов. Один из них совмещается с главным гидроствором. Этот пост явля­ ется основным. На нем производят водомерные наблюдения в пол­ ном объеме. Два других поста располагаются выше и ниже по те­ чению от основного. На этих постах, называемых уклонными, во­ домерные наблюдения ведут в сокращенном объеме (только для оп­ ределения продольных уклонов реки); их располагают вверх и вниз от мостового перехода на расстоянии, которое зависит от продоль­ ного уклона реки и определяется изменением отметок водной по­ верхности на 10—20 см по сравнению с отметкой в створе мостово­

го перехода.

На реках, имеющих небольшие продольные уклоны, уклонные водомерные посты не сооружают. На этих реках производят мгно­ венные наблюдения уклонов по урезным кольям.

Водомерные посты по конструкции могут быть свайными, рееч­ ными и смешанными (свайно-реечными). На рис. III.17 показана схема свайного водомерного поста.

На каждом водомерном посту устанавливают репер, от которого производят нивелировку верха свай и нуля реек до и после прохож­ дения паводка.

Постройка вышек для засечек поплавков. Наблюдательные выш­ ки (рис. III.17) строят на высоком берегу реки. Они предназначены для засечек теодолитом плывущих по реке поплавков, льдин и су­ дов одноточечным способом. Наблюдательные вышки могут быть

75

также использованы для фиксирования положения лодок, с кото­

рых проводят различные измерения на реке.

Рекомендуемое возвышение горизонтальной оси трубы теодо­ лита, установленного на вышке, над наивысшим уровнем воды в ре­ ке подсчитывают в м по формуле

Н= 0,01755, (Ш.1)

где 5 — наибольшее расстояние от центра вышки до границ участ­ ка наблюдения, м.

Измерение уровней воды на водомерных постах ведут непре­ рывно с момента их оборудования до окончания всех полевых ра­ бот. Частота измерений зависит от скорости изменения уровней. При медленном изменении уровней измерения проводят два раза в сутки (в 8 и 20 ч). В период паводка количество измерений уве­ личивают до 4, 6, 12 или 24 в сутки (в зависимости от скорости подъема или спада уровней). Отсчеты уровня воды производят

сточностью до 0,01 м.

Врезультате обработки материалов водомерных наблюдений

составляют графики колебаний уровней по всем постам, совмещая

76

их на одном чертеже. Аналогичный график составляют для ближай­ шего многолетнего водомерного поста Гидрометеослужбы. Сопо­ ставление сходственных характерных уровней позволяет по графи­ кам на мостовом переходе и на многолетнем посту построить кри­ вую связи сходственных уровней.

Измерение скоростей и направления течения поплавками. По­ плавковый способ является наиболее простым и доступным спосо­ бом измерения скоростей. Недостаток его заключается в сравни­ тельно невысокой точности измерения.

Положение поплавков фиксируется одноточечным способом пу­ тем засечки их теодолитом, установленным на наблюдательной вышке (см. рис. III.17). При этом берут отсчеты по горизонтально­ му и вертикальному кругам. Одновременно записывают время по секундомеру.

Во время ледохода засекают плывущие льдины. Измерения вы­ полняют два-три раза (при различных уровнях ледохода).

Длину участка поплавковых измерений принимают равной 0,5—3,0 км в зависимости от ширины русла реки. Этот участок обычно выбирают так, чтобы около 2/з его длины находились выше оси мортового перехода, а */з — ниже.

Количество траекторий поплавков при каждом измерении на­ значают от 7—9 до 13—15 в зависимости от ширины реки. Траекто­ рии должны распределяться равномерно по ширине потока.

Рис. III.18. Эпюры поплавковых скоростей и равных времен хода поплавков:

/ — наблюдательная вышка; 2 —* водомерный пост;

5 — эпюра поплавковых скоростей; 5 — эпюры рав­ ных времен хода поплавков; 7 — створ мостовою перехода

Обработка поплавковых измерений сводится к накладке траек­ торий хода поплавков на планшеты. Накладку производят в поляр­ ных координатах по горизонтальному углу ср (рис. III.18), кото­ рый отсчитывают от створа засечного пункта (вышки), и расстоя­

77

нию S от центра вышки до поплавка (рис. III.17 и III.18). Это рас­ стояние в м определяют по формуле

где H— превышение отметки горизонта инструмента над отметкой рабочего уровня воды в створе вышки, м; а — вертикальный угол,

щимся выше створа вышки, а минус — к поплавкам, находящимся ниже указанного створа.

Для определения величины Н нужно знать отметку рабочего уровня воды в створе вышки Zpaб, которую вычисляют как среднее арифметическое из отметок уровня в начале и конце наблюдения.

Для определения поверхностных скоростей по результатам по­ плавковых измерений на траекториях поплавков отмечают посто­ янное время в обе стороны от створа, к которому относят измеряе­ мые скорости. Это постоянное время зависит от масштаба съемки; для масштабов съемки 1: 1000, 1: 2000 и 1: 5000 оно равно соответ­ ственно 25, 50 и 125 с. Полученные точки соединяют плавными кри­ выми и получают две эпюры равных времен хода поплавков (рис. III.18). На планшете длины отрезков, перпендикулярных ли­ нии створа и заключенных между двумя эпюрами равных времен, изображают пройденные за одно и то же время (например, за 100 с, см. рис. III.18) пути поплавков, пересекших данный створ. Таким образом, длины указанных отрезков между двумя эпюрами равных времен изображают в некотором масштабе величины поверхност­ ных скоростей течения в различных точках данного створа. Откла­ дывая эти отрезки по перпендикулярам к створу и соединяя концы отрезков плавной кривой, получают эпюру поверхностных скорос­ тей (рис. III. 18).

Измерение скоростей течения вертушками. Для более точного определения скоростей течения используют вертушки. Скорости из­ меряют на фазе подъема паводка, па пике и на фазе его спада. До выхода воды из берегов русла измерение скоростей производят че­ рез каждые 0,5 м изменения уровня, а при выходе воды на пойму — через каждые 0,2 м. За весь период паводка при различных уровнях скорости измеряют не менее 10—12 раз.

При каждом уровне воды по результатам определения средних скоростей па вертикалях tvp и элементарных расходов q строят эпюры ц(.р и q (рис. III.19). Площадь эпюры элементарных расхо­ дов представляет собой расход воды в реке Qпри данном уровне воды.

На основании результатов вертушечиых измерений можно уста­ новить зависимость расхода Qот уровня воды, а также выяснить распределение расхода по ширине реки. Последнее имеет важное значение для расчета отверстия моста (см. гл. VI).

78

Применение аэрометодов. При проведении гидрометрических наблюдений на крупных реках применяют аэрометоды, которые ис­ ключают трудоемкие наземные работы и обеспечивают проведение изысканий мостового перехода в сжатые сроки. Методика прове­ дения аэрогидрометрических работ на изысканиях мостовых пере­ ходов разработана в ЦНИИСе в 1962—1965 гг. Аэрометоды позво­ ляют определять скорости и направления поверхностных течений, расходы воды и глубины потока.

Рис. III.19. Эпюры средних скоростей и элементарных расходов:

I — средний рабочий уровень воды; 2 — эпюра средних скоростей; 3 — эпюра элементарных расходов

В зависимости от ширины разлива реки применяют различные технологические схемы аэрогидрометрических работ. Если ширина разлива менее 1,5 км, то работы выполняют на основе одномарш­ рутной аэрофотосъемки границ разлива. Если ширина разлива бо­ лее 1,5 км, то приходится прокладывать несколько продольных и

поперечных маршрутов.

Летносъемочные работы заключаются в сбрасывании сосудов, наполненных жидкостным индикатором, вдоль назначенного створа реки с проведением фотографирования мест всплесков от падения сосудов и мест выхода индикатора на поверхность воды. Кроме то­ го, с помощью часов аэрофотоаппарата определяют время, в тече­ ние которого индикатор проходит от дна реки до поверхности воды. Для получения более отчетливого изображения на снимке мест всплесков от падения сосудов и мест выхода индикатора на поверх­

79

ность воды рекомендуется аэрогидрометрические работы выпол­ нять в пасмурную погоду или при переменной облачности; в сол­ нечную погоду следует работать рано утром или вечером.

Сосудом для индикатора служит бутыль емкостью 0,75 л. Бу­ тыль закрывают пластмассовой пробкой, в которой устраивают от­ верстия по окружности и на верхней ее поверхности. К нижней час­ ти бутыли прикрепляют бетонный балласт, для того чтобы бутыль занимала на дне реки положение горлом вверх. В качестве индика­ тора используют жидкость, состоящую из смеси отработанного авиационного масла и керосина в пропорции 1:1. Плотность этой жидкости равна 0,86 г/см3.

На рис. 111.20 изображен аэрофотоснимок, на котором показа­ ны места всплесков от падения сосудов и места выхода на поверх­ ность воды масляных пятен индикатора.

Определение удельного расхода q(то есть расхода, приходяще­ гося на 1 м ширины потока) на вертикали, соответствующей месту падения сосуда, основано на том, что путь, проходимый индикато­ ром от дна до поверхности воды, аналогичен пути поплавка-интег­ ратора, пускаемого со дна (рис. III.21). Если со дна реки выпустить поплавок плотностью меньше 1 г/см3, то в зависимости от подъем­ ной скорости, глубины потока и средней скорости течения на верти­ кали поплавок появится на поверхности воды на некотором расстоя­ нии L от места его выпуска на дне.

Рис. II 1.20. Аэрофотоснимок мест всплесков

Элементарный расход воды dqслоя толщиной dli можно пред­

80