книги / Переходы через водотоки
..pdf1
Рис. VI-21. Схема годичного регулиро |
Рис. VI-22. Схема многолетнего регу |
||||
|
вания стока: |
в поводоч |
лирования стока: |
||
1 — объем воды, сбрасываемый |
1 — объем воды, |
накопляемый в водохра |
|||
ный |
период; 2 — объем |
воды, |
накапливае |
||
мый |
в водохранилище; |
3 — объем воды, |
нилище; 2 — объем воды, расходуемый из |
||
расходуемый из водохранилища; 4 — линия |
водохранилища; |
3 — линия потребления |
|||
|
потребления |
|
Плотины также делятся по материалам и по напору (низкона порные, средне- и высоконапорные).
Мостовые переходы через водотоки, зарегулированные водохра нилищами, проектируют с учетом капитальности плотин и срока их службы. В некоторых случаях необходимо проверить расчетом сохранность мостового перехода от разрушения капитальной пло тины. Такие расчеты выполняют специальными методами с привле чением проектных материалов по плотине.
В остальных случаях расчеты выполняют для условий длитель ного существования водохранилищ и их воздействий на сооруже ние переходов. Для некапитальных плотин расчеты ведут с учетом их разрушения.
Поступление воды в водохранилища определяется климатичес кими и физико-географическими условиями, а сток из него — раз мерами водохранилища и графиком расходования воды на водохо зяйственные потребности.
В результате сток реки на участке ниже платины, а также в во дохранилище является зарегулированным, а выше водохранили ща — естественным.
Задачей регулирования стока водохранилищами является пере распределение стока во времени в соответствии с требованиями водопотребностей путем заполнения водохранилищ водой в период половодья и паводков и его опорожнения в период маловодья.
По характеру регулирования различают водохранилища годо вого и многолетнего регулирования. Первые распределяют сток в течение года, задерживая часть полых вод и сбрасывая накоплен ный объем в меженный период (рис. VI-21), вторые — перераспре деляют сток в течение нескольких лет, задерживая часть стока многоводного периода и повышая расходы водотока в маловодные годы за счет накопленного объема (рис. VI-22). Регулирование го довое и многолетнее возможно осуществлять, если объем воды, на капливаемый в водохранилище, больше объема, расходуемого из него.
141
Задачей гидрологиче ских расчетов мостовых переходов является выяс нение гидрологических па раметров водохранилища в периоды регулирования и их оценка за расчетный период эксплуатации гид роузла. Поэтому для их выполнения необходимы сведения о водохранили щах и вызываемых ими
изменениях естественного режима водотоков.
Водохранилища гидроузлов характеризуются следующими уров нями и емкостями (рис. VI-23):
форсированный подпорный уровень (ФПУ), характеризующий катастрофический уровень заполнения водохранилища;
нормальный подпорный уровень (НПУ), до которого водохра нилище заполнится в нормальных условиях;
уровень наибольшей сработки (УНС) водохранилища; характе ризует мертвый объем водохранилища (WM)l
полезный объем (Wn); объем форсировки (В7ф).
Объем, заключенный между поверхностью воды на отметке ФПУ и дном, составляет полный объем водохранилища ( W), который не
всегда полностью используется для регулирования стока. Отноше ние полного объема водохранилища к среднемноголетнему объему стока составляет коэффициент емкости водохранилища. Нижняя часть водохранилища (мертвый объем) предусмотрена для осажде ния наносов.
Между поверхностями воды с отметками НПУ и УМО находит ся полезный объем водохранилища, который заполняется в много водный период, а в периоды маловодья опорожняется.
Форсированный подпорный уровень наблюдается в период про пуска через гидроузел многоводных максимумов. Объем форсиров ки определяется отметками ФПГ и НПГ и предназначен для умень шения величины сбросных расходов через гидроузел.
Влияние водохранилищ на величину сбросных расходов прояв ляется различно.
Для водохранилищ с годовым регулированием степень умень шения максимальных расходов притока зависит от водности паводочного сезона. Для максимальных расходов вероятностью превы шения 1—2% и реже уменьшение расчетного расхода, по данным
В. И. Пуркина, не |
превышает |
5— 10% и его при проектировании |
мостовых переходов |
можно не |
учитывать. В случае прохождения |
максимума паводка по уже заполненному водохранилищу может наблюдаться увеличение максимального расхода. Уменьшение рас четных расходов возможно в водохранилищах с многолетним регу лированием стока.
142
Плотины вызывают большие изменения бытовых условий водо токов, существовавших до их постройки в верхнем и нижнем бье фах водохранилищ.
В верхнем бьефе повышаются уровни и увеличиваются глубины, уменьшаются скорости течения и увеличивается зеркало водной поверхности, что увеличивает потери на испарение и содержание солей в воде водохранилищ. Одновременно происходит затопление прилегающих к водохранилищу земель и инженерных сооружений, а также обрушение берегов водохранилищ от действия волн. В ре зультате уменьшения скоростей течения происходит оседание на носов, которые несет река, и постепенное заиление водохранилищ, когда крупные фракции откладываются в верхней части водохра нилища, мелкие оседают ближе к плотине и взвешенные частицы распространяются по всему дну водохранилища. На малых водо хранилищах на предгорных и горных реках время полного заиле ния может составлять несколько десятилетий, на больших водохра нилищах равнинных рек — до нескольких столетий в зависимости от количества поступающих наносов.
При проектировании мостовых переходов в верхнем бьефе пло тин следует учитывать возможность поднятия дна до уровня мерт вого объема, повышение отметок межени и расчетных уровней во ды — в зоне выклинивания подпора. При отсутствии проектных данных о заилении расчеты отложения наносов в верхнем бьефе выполняют согласно Указаниям по расчету заиления водохра нилищ.
В нижнем бьефе уменьшаются паводочные расходы и увеличи ваются меженные, а также происходит размыв русла ниже гидро узла и связанные с этим переформирования русел притоков и бе регов. Русловые деформации, происходящие в нижнем бьефе пло тины, связаны с отложениями наносов в верхнем бьефе, а также с изменением естественного режима реки при сбросе воды из во дохранилища.
Учитывая изменения режима водотока в нижнем и верхнем бье фах водохранилищ, необходимо проверять размеры отдельных эле ментов существующих мостовых переходов для обеспечения их ус тойчивости в новых условиях эксплуатации.
При проектировании нового или реконструкции существующего мостового перехода необходимо учитывать изменения волнового и ледового режимов водотока.
Ветер оказывает влияние на уровни в водохранилищах, вызы вая сгоны и нагоны воды при длительном воздействии в одном на правлении. Понижение уровня водохранилища со стороны подвет ренного берега сопровождается повышением уровня у противопо ложного (рис. VI-24). Высота сгонов и нагонов может составлять для больших водохранилищ 0,5—0,7 м.
На некоторых водохранилищах могут происходить колебатель ные движения уровня воды (сейши), вызванные резким изменени ем барометрического давления над одной частью водохранилища (рис. VI-25).
143
Рис. VI-24. Схема сгонно-нагонных яв |
Рис. VI-25. Схема положения уровней |
|
лений: |
при сейше: |
|
/--н а г о н ; 2 — сгон; 3 — направление ветра |
/ — уровень воды при |
равномерном давле |
|
нии; 2 — возможные |
положения поверхно |
сти воды
Амплитуда колебания уровня воды при сейше достигает на не которых водохранилищах до 2 ж. Время появления максимумов уровней друг за другом составляет от нескольких часов до несколь ких минут.
Расчет кривой свободной поверхности водохранилища с учетом сгонно-нагонных явлений может быть произведен по методу А. В. Караушева [58]. Превышение между уровнями воды в двух точках водной поверхности Azc для предварительных целей по это
му методу определяют по формуле
AZC= (3 + 10ЛВ) Ю"8^Н Wf0в о д cos о», (VI-32)J
где hB— средняя на рассматриваемом участке водоема высота вет ровой волны, ж; Dy — расстояние между заданными точками, ж;
Я — средняя глубина водоема между этими точками, ж; Wювод — расчетная скорость ветра на высоте 10 ж над водной поверхностью, но не менее 12 м/сек; ав — угол между направ
лением ветра и линией, соединяющей расчетные точки.
Для получения Azc, соответствующей величине нагона над спо койным уровнем водохранилища, расстояние Dv принимают меж
ду данной точкой на берегу и центром тяжести водохранилища. Ветер вызывает волнение на поверхности водохранилища. Раз
меры волн определяются скоростью ветра, длиной разгона волны, глубиной воды, их рассчитывают по указаниям гл. X.
Сложный ледовый режим наблюдается на участке, где происхо дит сопряжение подпорных уровней с бытовыми. Плывущий по ре ке лед, встречая неподвижную поверхность льда водохранилища,
|
образует |
ледовые заторы и |
|
|
нагромождения |
льда на бе |
|
|
рега. Наиболее опасные для |
||
|
мостовых |
переходов заторы |
|
|
происходят в начале ледохо |
||
|
да при сравнительно низких |
||
|
уровнях. |
Зона |
возможных |
Рис. VI-26. Схема к расчету ледовых за |
заторов |
льда |
находится в |
торов: |
пределах |
сопряжений уров |
|
1 —. наинизший уровень сработки водохранилища; |
ней низкого ледохода (УНЛ) |
||
2 — зона возможных затооов |
144
и высокого ледохода (УВЛ) с соответствующими подпорными уров нями водохранилища в этот период (рис. VI-26). Высота затора на больших водотоках по данным [70] может составлять 2—5 м.
Высота затора зависит от объема льда Wn, поступающего с вер
ховых участков реки в течение ледохода, и аккумулирующей емкос ти водохранилища, способной воспринять объем заторного льда
^ак*
ТРцк=0з(Лз(Хз--*л)э |
(VI-33) |
где Й3— переменная площадь зеркала заторного участка при сред ней глубине на расчетном створе перехода h3; £л — толщина
льда в водохранилище; а3— коэффициент возможного запол нения водохранилища льдом, принимаемый по И. И. Леви рав ным 0,25—0,33.
Объем льда, который может поступать к заданному створу при ледоходе, приближенно определяют по формуле
Wл = LBtnKn, |
(VI-34) |
где L — длина реки выше створа пе_рехода; В — средняя |
ширина |
реки при меженном горизонте; гл — средняя толщина льда в реке на всем протяжении; /сл — коэффициент задержки льда на поймах, равный в первом приближении 0,8.
Уровень воды, при котором объем льда в реке Ц7Лбудет равным объему аккумулирующей емкости водохранилища в зоне ледового затора, может быть ориентировочно принят в качестве расчетного уровня этого затора..
Достигнув максимума по высоте, затор после прорыва переме щается вниз, а заторный уровень резко уменьшается. Если мосто вой переход расположен выше зоны образования заторов, то про изводится проверка распространения заторного уровня до створа перехода.
Восновной части водохранилища ледовые явления происходят более плавно, чем на реках. Ледовый покров в водохранилищах обычно устанавливается раньше, чем на реках в бытовых условиях,
аосвобождение водохранилища от льда запаздывает на одну-две недели. Это объясняется малыми скоростями течения, которые не препятствуют существованию сплошного ледяного покрова. Однако сильные ветры могут разрушить ледяной покров осенью в момент его образования и весной.
При сработке водохранилища в зимнее время площадь водной поверхности уменьшается и часть ледяного покрова может оседать на берегах и повисать на опорах моста.
Впериод весеннего половодья по мере заполнения объема во дохранилища, сработанного за зиму, ледовый покров будет подни маться, отрываясь от берегов.
Подпор в верхнем бьефе водохранилищ может способствовать полному прекращению ледохода из-за малых скоростей течения.
145
Подвергаясь действию «солнца, лед тает и практически ледоход не возникает. Только при скорос тях течения более 0,5 м в водо
хранилище возможно массовое передвижение льда.
Интенсивный ледоход может образоваться при наличии зато ров и их прорыве, поскольку рас ходы воды при этом значительно
возрастают по сравнению с периодом обычного ледохода, что не обходимо учитывать при проектировании. Для определения разме ров ледохода в верхнем бьефе необходимо установление времени запаздывания начала ледохода в водохранилищах по сравнению с естественным режимом реки.
В некоторых случаях возможен местный ледоход за счет подви жек льда при сильных ветрах на водохранилище, однако скорость этих подвижек бывает незначительной.
Вода в водохранилищах зимой сохраняет положительную тем пературу, в результате чего после выпуска ее в нижний бьеф река на определенном протяжении остается непокрытой льдом. Поддер жанию полыньи зимой способствует также характер течения пото ка при сбросе воды из водохранилища в нижний бьеф. При суточ ном регулировании расходов из-за резкого изменения уровней и скоростей на участке нижнего бьефа могут наблюдаться разруше ния и взломы ледяного покрова. Для приближенного расчета дли ны полыньи используется формула Ф. Н. Софронова или К. И. Рос сийского (VI-38).
По данным И. И. Леви, полыньи за некоторыми гидростанциями достигают 20—30 км от створа плотины, а в теплые зимы [70] до 50 км.
Для выполнения гидрологических расчетов мостовых переходов необходимо иметь кривую свободной поверхности реки при наличии влияния водохранилища. При проектировании в сложных гидроло гических условиях, а также при затоплении ценных угодий и объ ектов построение кривой подпора от плотины производится по ме тодам Н. Н. Павловского, А. Н. Рахманова или используются материалы организации, проектировавшей водохранилище. По строение кривой подпора (рис. VI-27) при проектировании мосто вых переходов производится приближенным методом Дюпюи — Рюльмана [96]:
<V I - 3 5 >
где icp — средний уклон водотока; ЬА— расстояние от плотины до расчетного створа; ho — нормальная глубина воды при расчет ном горизонте воды; 2 — подпор у плотины; zA— подпор в рас
четном створе.
146
По заданным значениям z я h0 [96] определяют величины функ
ции f t — ). Величину / ( — — ) находят по формуле |
(VI-35), а |
||
затем |
по той же таблице определяют соотношение - |
и zA. При |
|
Z |
По |
|
|
кривая подпора соответствует горизонтальной линии. |
|||
— > 5 |
Если уклон непостоянен, расчет производится по участкам с одинаковыми уклонами, с последующим построением кривой под пора по этим участкам.
Для расчетов мостовых переходов, расположенных выше пло тины при наличии данных о ПУВВ и расчетном расходе Qp, их принимают для дальнейших расчетов. Если мостовой переход рас положен на некотором удалении от плотины, то отметки УГВВ оп ределяют по уравнению (VI-35), а расходы с учетом боковой приточности [72, 96] по формуле
<Эр = <2пл( - ^ ) Г |
(VI-36) |
' ^пл ' |
|
где п — показатель редукции расхода по площади водосбора, при
нимаемый равным 0,75 для весенних половодий и 0,6 для лив невых паводков; QnJi и Епл— расход и площадь бассейна в створе плотины.
Вычисленные по формуле (VI-36) расходы могут быть уточнены гидрометрическими наблюдениями.
При расположении мостового перехода в конце водохранилища или на боковых притоках гидрологические расчеты выполняют с учетом переменного подпора. Необходимо установить, при каких подпорных уровнях может проходить собственный паводок водото ка, а также величину его максимального расхода и уровня без влияния подпора. Если паводок может проходить при различных уровнях подпора, то необходимо определить невыгодные условия работы отверстия моста и величины максимального подтопления пойменных подходов.
Изменение стока в нижнем бьефе плотины вызывает значитель ные изменения режима реки на большом расстоянии ниже плоти ны. Уменьшается годовая амплитуда изменений уровней, а также максимальные уровни. Эти изменения происходят и на притоках основной реки.
Из-за резкого изменения расхода, сбрасываемого в нижний бьеф, движение воды ниже плотины имеет неустановившийся ха рактер. Изменение гидрологического режима реки оказывает влия ние на русловые процессы и вызывает значительные переформиро вания русла ниже плотины.
Переформирования русла позволяют [108] выделить деформа ции, которые должны учитываться при гидрологических расчетах мостовых переходов:
147
развитие местного размыва, возникающего после постройки пло тины и достигающего глубины до нескольких десятков метров, дли на его до нескольких сотен метров;
развитие общего размыва русла, вызываемого задержкой нано сов в верхнем бьефе; размыв распространяется до нескольких со тен километров, при понижении дна до нескольких метров;
переформирование русел ниже зоны общего размыва, вызван ное изменением морфометрических характеристик по длине реки из-за нарушения внутригодового режима стока;
переформирование русел притоков, впадающих ниже плотины из-за понижения базиса эрозии;
деформации русел из-за поступления наносов при уменьшенных расходах воды в случаях, когда значительная часть воды расходу ется на орошение или отводится в деривационную гидроэлектро станцию.
В результате нарушения гидрологического режима реки проис ходят и изменения типа руслового процесса. Эти изменения также должны быть учтены при проектировании мостовых переходов.
Деформации русел рек ниже плотины нарушают зависимость между расходами и уровнями, изменяются уклоны реки и скорости течения, поэтому определение гидравлических характеристик в за данном створе производится построением кривой свободной поверх ности с учетом происшедших деформаций русла. При гидрологиче ских расчетах необходимо учитывать самые неблагоприятные ус ловия, возможные в период службы перехода.
При расчете волн попусков в крупных водохранилищах должны быть получены данные о величинах сбросных расходов в организа циях, проектирующих или эксплуатирующих гидроузел. Для не больших водохранилищ, прудов с водосливами и озер, расположен
ных на главном русле реки, расчет сбросных |
расходов |
Qcб при |
|||||||
трансформации паводков может производиться по формуле |
(V1-37) |
||||||||
|
«—М |
|
|
|
|
|
|||
где Qp — максимальный |
расход, |
поступающий |
в водоем; |
Ц7В0Д— |
|||||
регулирующий объем водоема; №р — объем |
расчетного павод |
||||||||
ка; /сн — коэффициент, учитывающий нелинейность гидрографа |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Г во„ |
|
паводочного притока и зависящий от отношения -------: |
|||||||||
W„r)R |
|
|
|
|
|
|
|
Wo |
|
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
|
|
- л -. • • |
|
||||||||
WQ |
0,65 |
0,76 |
0,85 |
0,89 |
0,92 |
0,94 0,97 |
1,0 |
|
|
кн .............. |
|
Мостовые переходы, расположенные выше или ниже некапи тальных плотин, дополнительно рассчитывают на пропуск расхода при внезапном прорыве плотины. К некапитальным относятся пло тины 4 и более низких классов, построенные по современным нор
148
мам, а также крупные старые плотины, находящиеся под постоян ным техническим надзором [72].
Расчетный расход от прорыва плотины для створа перехода, рас положенного ниже плотины на расстоянии L, определяется по фор
муле
3/2
ГоВ/СпрЯн
(VI-38)
Ур Wo + В к щ ^ Ь х
где Wо — объем водохранилища при наивысшем уровне верхнего бьефа, м3; В — ширина водохранилища в створе плотины при его предельном наполнении, м\ Ян— максимальный напор до прорыва плотины, м\ г — коэффициент, характеризующий ус
ловия прохождения волны прорыва в нижнем бьефе, опреде ляется по табл. VI-13; QM— ожидаемый расход притока на мо мент прорыва плотины; кпр— коэффициент, учитывающий от
ношение ширины прорыва к ширине плотины, а также боковое сжатие и принимается [96] при прорыве новых земляных пло тин 5-го класса, находящихся в удовлетворительных условиях эксплуатации, равным 0,50; для всех других некапитальных плотин — 0,75.
Таблица VI-1$
Типы рек |
Средние уклоны |
X |
на участке распласты |
||
|
вания |
|
Периодические водотоки |
0,0005-0,005 |
1,25—1,00 |
Малые и средние водотоки с постоянным |
0,005—0,05 |
1,0—0,80 |
стоком |
0,00005—0,0001 |
1,50—1,25 |
|
0,0001—0,0005 |
1,25—0,80 |
|
0,0005—0,005 |
0,80—0,50 |
|
0,005—0,05 |
0,5 -0,35 |
При определении расстояния L от плотины до перехода не учи
тывается длина участка гашения энергии перепада при прорыве плотины, равная 10 Ян.
Расстояние, на котором волна прорыва окажется равной волне расчетного паводка и ее влияние не отразится на устойчивости мо стового перехода, может быть определено по следующей формуле:
Z = E |
W |
_ ! ____________L _ |
QM |
(VI-39) |
|
Т |
\ Q P H- Q M B KUVH 'U |
QP% 'QtfBKupFi |
|||
|
|||||
|
|
н |
|
|
|
где W0, г, В, |
Кпр, tfH— имеют те же |
обозначения, что и в форму |
ле (VI-38); Qp% — расчетный расход воды заданной вероят
ности превышения и определяемый для расчетов отверстия мо ста на незарегулированной реке; QM— расход межени или бо
ковых притоков на предполагаемый период прорыва плотины. из-
Расход воды от прорыва плотины для мостового перехода, рас положенного в верхнем бьефе водохранилища, определяется по формуле (VI-40):
|
|
|
<v i |
- 4 |
0 > |
где W1 — объем водохранилища |
выше |
перехода; |
W2 — объем |
во |
|
дохранилища ниже перехода |
при |
наинизшей |
отметке дна |
в |
створе перехода; Ян — напор, определяемый как разность наинизших отметок дна водохранилища в створах перехода и пло тины; b — ширина водохранилища в створе плотины при напо ре h.
§ 28. ЗАРУБЕЖНЫЕ МЕТОДЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Развитие инженерной гидрологии в зарубежных странах сопро вождается резкими контрастами. Новые прогрессивные методы рас чета паводков теряются в эмпирических часто грубейших зависи мостях, многие из которых имеют столетнюю давность. Этому спо собствует отсутствие каких-либо общегосударственных нормативов по методикам оценки стока и запасам для проектирования водо пропускных сооружений 1.
Ведущее место в зарубежной гидрологии принадлежит США, что объясняется как климатическими особенностями этой страны (формирование стока от ураганных ливней исключительной силы), так и наибольшим по сравнению с другими странами Запада раз махом гидротехнического строительства. Довольно обширные раз работки по инженерной гидрологии имеются и в таких странах, как Франция, Англия, Индия, Италия, Австрия, а в последнее 20-летие
иАвстралия.
Вразвитии инженерной гидрологии в СССР можно провести четкую границу между старыми, вышедшими из употребления, и новыми методами расчета стока. В странах Запада, где и в настоя щее время широко используются старые методики, такой границы
провести нельзя.
Более чем за 110 лет зарубежная гидрология накопила свыше 200 эмпирических и полуэмпирических формул для расчета непо средственно отверстия водопропускного сооружения или макси мального расхода воды. Из этого количества формул около поло вины используются и в настоящее время [157]. По своему построе нию и полноте охвата влияющих факторов используемые за рубежом формулы можно объединить в шесть групп (табл. VI-14). Исторически каждая из групп формул появлялась параллельно с другими, но в целом можно видеть, что прогрессивные методы на ходят применение все чаще.
1 Это не относится к малым сооружениям, для которых нормируются расчет ные ВП паводков (например, нормативы некоторых штатов США; нормативы Австралии).
150