книги / Переходы через водотоки

1

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

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

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,

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*

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

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

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

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

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

Расход воды от прорыва плотины для мостового перехода, рас­ положенного в верхнем бьефе водохранилища, определяется по формуле (VI-40):

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