книги / Переходы через водотоки

Рис. XIV-6. Элементы дождевальной установки:

Далее вручную площадку равномерно орошают из насадки (рис. XIV-6), которая резиновой трубкой соединена с напорным бачком с водой. Во избежание засорения мелких отверстий в на­ садке соединение резиновой трубки с бачком для воды осущест­ вляется через сетчатый фильтр.

При начале дождевания включают секундомер или замечают время по часам. Дождевание заканчивают, когда интенсивность осадков (дождевания) равна интенсивности впитывания. К этому моменту на площадке появляется невпитавшаяся вода, т. е. появ­ ляется поверхностный сток. При этом останавливают секундомер или замечают время по часам и определяют время дождевания.

Воду, набравшуюся в мерных стаканчиках, сливают в мензурку и определяют объем воды. Средний объем воды в мерном стакан­ чике к концу дождевания, деленный на его площадь, равен слою выпавших осадков, а частное от деления этого слоя на время до­ ждевания равно их интенсивности. По времени дождевания и его интенсивности по графику, приведенному в ВСН 63-67, определя­ ют категорию почвы по впитыванию.

Вкомплект дождевальной установки входит четыре-пять наса­ док, отличающихся количеством отверстий, а следовательно, и ин­ тенсивностью и временем дождевания. Из насадок выбирают та­ кую, чтобы продолжительность опыта составляла 10— 15 мин. Для

выбора насадки выполняют пробное дождевание.

Внастоящее время в ЦНИИСе разрабатывается метод опреде­ ления категорий впитывания почв путем дешифрирования аэро­ снимков. Метод может иметь применение, если аэрофотосъемкой засняты бассейны на всей линии.

На основании анализа снимков выделяют характерные конту­ ры, имеющие одинаковые или близкие изображения растительно­ сти, состояния поверхности, цветности и т. д.

Затем на нескольких контурах, каждый из которых представля­ ет группу характерных контуров, выполняют дождевание по изло­

341

женному выше методу и определение категорий впитывания. По­ лученные категории распространяют на всю группу характерных контуров. Предварительные опыты по применению этого метода да­ ют положительные результаты.

Согласно указаниям ВСН 63-67 с целью использования^данных об осадках, не учтенных при составлении таблиц интенсивности водоотдачи и слоя стока по ливневым районам, а также при рас­ чете стока в горных районах, должны быть собраны метеорологи­ ческие данные. Эти данные используют для уточнения ливневых зависимостей. К этим данным относятся суточные максимумы и месячные суммы осадков. В выборку включают наибольшие значе­ ния указанных величин по одному в каждом году по метеостанци­ ям, расположенным в пределах рассматриваемого участка дороги.

При уточнении метеорологических данных следует использо­ вать последние исследования ГГИ по ливневым характеристикам.

При наличии вблизи проектируемой линии существующей же­ лезной или автомобильной дороги, а также при проектировании вторых путей или реконструкции линии необходимо собрать сведе­ ния и о работе существующих сооружений за период их эксплуа­ тации для уточнения норм стока. В процессе обследования должны быть выявлены условия работы сооружений по пропуску паводков. Если за достаточно длительный период (при преобладающем лив­ невом стоке — 40 лет, а при снеговом стоке и в муссонном клима­ т е — 25 лет) сооружение работало нормально, т. е. не наблюдалось подмывов конусов, размывов выходных русел, переливов через насыпь подходов и т. д., то проектируемое сооружение может быть принято того же отверстия, что и существующее. В противном слу­ чае отверстие проектируемого сооружения должно быть увеличено.

Гидрологическое обследование водотоков выполняют на стадии технического проекта: при рабочем проектировании собирают лишь недостающие данные и вносят изменения, если изменилось положе­ ние трассы или проект сооружения.

§ 63. ОБСЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ РЕГИОНАЛЬНЫХ НОРМ СТОКА

Если нет надежных рекомендаций по стоку в отдельных районах

СССР или за рубежом, возникает необходимость разработки ре­ гиональных норм стока. В основу таких норм должны быть поло­ жены материалы полевых краткосрочных обследований водотоков, выполняемых в период изысканий.

С этой целью выполняют:

краткосрочные гидрометрические наблюдения на выборочных створах водотоков;

метеорологические наблюдения; полевые обследования отдельных водотоков после прохода вы­

соких паводков в период наблюдений.

Краткосрочные гидрометрические наблюдения на водотоках выполняют в лаводочный период. Количество створов и пунктов наблюдений, их местоположение определяют в зависимости от гид­

<342

рологической изученности |района, сложности гидрометеорологиче­ ской и природной обстановки, сроков |П|роведения изыскательских работ и состава наблюдателей.

Пункты наблюдений целесообразно размещать на характерных малых и средних водотоках и в местах предполагаемых переходов через них или на наиболее характерных участках пересекаемых рек.

В районах, где сведения об осадках отсутствуют или недоста­ точны, для обоснования расчетных ливневых характеристик преду­ сматривают полевые наблюдения за осадками.

Цель полевых метеорологических наблюдений определить: синоптическую обстановку в период выпадения стокообразую­

щих дождей; суммарное количество осадков за период полевых наблюдений;

характер внутригодового распределения осадков; максимальные интенсивности осадков за различные интервалы

времени (10, 20, 30, 60 мин, 1, 2 и 3 суток);

площади одновременного выпадения значительных дождей; коэффициент для перехода от суточного максимума к фактиче­

скому количеству осадков, выпадающему за сутки.

Пункты наблюдений размещают исходя из необходимости полу­ чения сведений, которые могли бы характеризовать район изыска­ ний.

Для определения осадков наиболее удобным является осадкомер системы Третьякова, применяющийся в УГМС. Принцип рабо­ ты осадкомера не сложен и не требует рекомендаций, помимо из­ ложенных в правилах обращения с прибором.

На пунктах наблюдений должны быть организованы ежеднев­ ные измерения осадков, которые рекомендуется производить через каждые 8 ч. Особое внимание обращают на значительные дожди

с фиксированием их начала и конца, интенсивных частей дождя и определением количества осадков, выпавших в указанные интерва­ лы времени.

В процессе работ по измерению осадков отмечают условия, со­ путствующие выпадению дождей (направление движения туч, ско­ рость и сила ветра и т. п.).

После фиксирования особо сильных дождей необходимо произ­ вести рекогносцировочное обследование территории района для определения границ дождя и количества выпавших осадков. По населенным пунктам производят опросы очевидцев и осмотр пред­ метов и сосудов, которые могли бы задержать на своей поверхно­ сти выпавшие осадки.

Записи ежедневных наблюдений должны оформляться в поле­ вых журналах, а результаты опросов жителей и осмотра местно­ сти — соответствующими актами.

При проходе высокого паводка в период метеорологических наблюдений необходимо произвести обследования водотоков по свежим следам этого паводка. Эти обследования могут произво­ диться на устойчивых и наиболее узких участках рек, независимо

34$

от положения будущей трассы дороги, ,но с привязкой к имею­

щейся топографической съемке.

При наличии у переходов населенных пунктов производят об­ следования независимо от прохода высоких паводков в сезон ме­ теорологических наблюдений. Большую ценность имеют обследо­ вания и по давно прошедшим паводкам, но сохранившимся в па­ мяти старожилов.

В результате этих работ на топографических картах должны быть опознаны и нанесены расчетные створы для последующего определения расчетных гидрографических характеристик дороги. Состав и методы работ по обработке материалов обследований при­ ведены в § 64.

§ 64. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ПОЛЕВЫХ ОБСЛЕДОВАНИЙ

Обработка материалов полевых топографо-геодезических и гид­ рометеорологических обследований водотоков включает:

уточнение гидрографических характеристик по основному на­ правлению дороги;

обработку полевых данных гидрологических обследований ма­ лых водотоков;

обработку метеорологических наблюдений и результатов обсле­ дований водопропускных сооружений на существующих дорогах; гидрологические расчеты для обоснования региональных норм

стока, если такие разрабатываются на данном объекте. Начальную обработку материалов выполняют в полевой пери­

од с целью своевременного выявления и устранения возможных не­ доработок и ошибок, а при необходимости — назначения повтор­ ных или дополнительных работ. В полевой период производится систематизация материалов гидрологического обследования.

После нанесения трассы дороги на карту составляют планы бас­ сейнов, детальные планы местности и проектируемых сооружений, вычерчивают продольные профили по дну логов и оси сооружений, живые сечения водотоков и профили морфостворов в масштабах: вертикальный 1 : 50— 1 : 200, горизонтальный 1 : 500— 1 : 2000.

На планы бассейнов наносят уточненные при полевом обследо­ вании границы водоразделов, места переливов воды из одного бас­ сейна в другой, места образования самостоятельных русел, а так­ же места с неопределенным распределением расхода по несколь­ ким рукавам и протокам.

В местах с трудноопределимыми границами водосборных бас­ сейнов с неясно выраженными водоразделами, а также при пере­ ливах из одного бассейна в другой производят расчеты, обосновы­ вающие проектирование водопропускных сооружений в этих не­ благоприятных условиях.

При гидрографическом изучении водотоков, пересекаемых ли­ нией, должны быть установлены границы районов или участков до­ роги с однородными морфологическими признаками по типам почв, растительности и рельефа.

344

На основании полевых данных и описаний главного лога и склонов, составленных в результате 'гидрологического обследова­ ния водотоков, определяют коэффициенты шероховатости русла главного лога и склонов бассейна, уклон главного лога и среднююдлину <без|русловых -склонов при расчете стока по ВСН 63-67.

Если в бассейне установлены значительные бессточные про­ странства, проверяют расчетом, наблюдаются ли переливы из них при расчетных паводках. При отсутствии переливов бессточные пространства исключают из расчетной площади бассейна.

Аналогичный расчет выполняют, если в водоразделах с сосед­ ними бассейнами имеются понижения.

Наличие переливов из одного сооружения в другие вдоль доро­ ги при расчетных паводках вызывает необходимость устройства водоразделительных дамб.

На основании почвенных карт, анализов проб почв, результатов искусственного дождевания и учета факторов, влияющих на впи­ тывающую способность почв, определяют категорию почв по впи­ тыванию для каждогобассейна.

Если в бассейне встречаются различные почвы, то расход ливне­ вого стока рассчитывают для каждой почвы при полном покрытии бассейна данной почвой. К расчету принимают расход, средневзве­ шенный по процентам площадей, покрытых различными почвами. Расчеты следует вести на почвы, которые занимают в бассейне не менее 20—25% площади.

Для тех бассейнов, на которых были произведены морфомет­ рические обследования и собраны натурные данные об уровнях, выполняют расчет расходов. Одновременно решается вопрос о до­ статочной достоверности полученных расходов и выполняется оцен­ ка их повторяемости по известным методам.

Полученные натурные расходы сопоставляют с расходами, вы­ численными по ВСН 63-67, и определяют число превышений рас­ четных расходов над натурными. На основании суммы годопереходов, показаний старожилов определяют теоретически число таких превышений согласно ВСН 63-67. При отклонении наблюденного числа превышений от теоретически определенного их числа в нор­ мы стока вводят соответствующие поправочные коэффициенты.

Если предположено на некотором участке линии разработать региональные нормы стока на основании морфометрического об­ следования или сбора натурных данных о расходах, то устанавли­ вают участок, на котором применение местных норм наиболее це­ лесообразно. Этот участок должен иметь однородные климатиче­ ские и морфологические условия— почвы, рельеф, растительность и т. д.

Допустимость применения региональных норм для данного однородного участка регламентирована инструкцией ВСН 63-67 и определяется наличием 25—30 расходов, равномерно расположен­ ных в расчетном диапазоне площадей с общей суммой годопереходов не менее 300. Кроме того, отклонение натурных точек от при­ нятой кривой не должно превосходить 30—40%.

345

Для разработки и обоснования региональных норм стока про­ изводят:

морфометрические расчеты расходов по следам прошедших па­ водков и расчеты по установлению ливневых характеристик макси­ мального стока;

установление зависимости максимальных наблюденных моду­ лей стока от площади бассейнов;

оценку повторяемости наблюденных максимальных расходов; определение параметров расчетной формулы стока; установление расчетной зависимости максимальных расходов

при полном отсутствии данных многолетних гидрометеорологиче­ ских наблюдений;

обоснование параметров существующих эмпирических формул для применимости их в заданном районе изысканий;

учет (региональных особенностей (бассейнов и района изы­ сканий.

Вопросы разработки региональных норм стока подробно осве­ щены в работе 1[86] и поэтому здесь не рассматриваются.

Поскольку ливневые зависимости, приведенные в ВСН 63-67, основаны на учете осадков, наблюденных лишь до 1959 г., весьма целесообразно уточнение ливневых зависимостей.

По всем метеостанциям производят выборку суточных и мест­ ных ежегодных максимумов, а также осадков за различные интер­ валы времени и выполняют статистические расчеты с определени­ ем расчетных величин осадков различной ВП, а также вычисляют коэффициенты вариации и асимметрии. Статистические расчеты целесообразно выполнять с применением ЭВМ. По вычисленным данным об осадках определяют зависимости интенсивности водо­ отдачи от продолжительности для различных интервалов времени.

При проектировании малых водопропускных сооружений вбли­ зи существующих и эксплуатируемых длительный период времени сооружений необходимо учитывать опыт работы последних.

Несомненно, что длительный опыт работы сооружения является лучшим критерием, из которого нужно исходить при проектирова­ нии нового сооружения или переустройстве существующего. Одна­ ко достаточно подробные данные о работе сооружений по пропуску паводков за длительный период времени в 50— 100 лет в большин­ стве случаев отсутствуют, поэтому пользоваться опытом работы существующих сооружений менее этого срока нужно осторожно и с необходимым обоснованием достоверности этих данных.

По результатам обследований существующих малых сооруже­ ний составляют ведомость, в которую вносят данные о них, рас­ четные характеристики и др.

§ 65. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ

Основная задача инженерно-геологических обследований для проектирования малых искусственных сооружений состоит в опре­ делении геологического строения, гидрогеологических условий,

346

характеристик прочности грунтов основания. Эти данные необхо­ димы для установления расчетного сопротивления грунта основа­ ния нагрузке, разработки конструкции, обоснования глубины за­ ложения фундамента проектируемого сооружения, способов произ­ водства земляных работ, определения размеров водоотлива ив котлована и разработки мер защиты сооружения от неблагоприят­ ных геологических процессов: пучения и набухания грунтов, нале­ дей, размывов, оползней на склонах, карета и др.

Состав и объемы исследований определяются сложностью ин­ женерно-геологических условий участка и зависят от рода, разме­ ров и особенностей работы проектируемого малого сооружения в эксплуатации. Основными видами работ являются разведка, иног­ да в сочетании с геофизическими исследованиями, лабораторное и полевое опробование грунтов и воды и камеральная обработка материалов. При развитии на участке неблагоприятных геологиче­ ских процессов могут быть назначены режимные наблюдения (гид­ рогеологические, мерзлотные и др.).

На пересечении суходола, лога, сухого оврага при высоте на­ сыпи до 6 м для уточнения характеристики основания трубы или

лотка, располагаемых в пределах одного геоморфологического эле­ мента на участке с горизонтальным залеганием пластов пород, за­ кладывают одну выработку по оси трассы. При высоте насыпи 6— 12 м или в случае, если трубу, лоток проектируют на косогоре,

массиве с наклонным залеганием пластов пород, водотоке, при­ чем на участке без оползней или выходов подземных вод, заклады­ вают две выработки в обе стороны от оси трассы у оголовков со­

вскрывают менее прочные породы, необходимо пройти слабые слои и углубиться в более плотные породы на 1—2 м. Однако глубина скважин не превышает, как правило, 15—20 м, что достаточно для

проектирования свайного основания.

Разведку на участке, где проектируют дюкер, совмещают с раз­

проектной отметки дна проектируемой выемки. Выработки разме­ щают через 50 м по осям проектируемых подпорных и улавливаю­ щих стен, а при длине сооружения менее 50 м задают две выра­

ботки. Глубину выработок принимают ниже подошвы укрепляемого откоса, склона в плотных грунтах на 6—8 му а в грунтах понижен­ ной прочности на 15—20 м9в скальных породах на 2—3 м.

Выработки — осевую или верховую — для сооружения и цен­ тральную для стены опробуют. Определяют гранулометрический состав песков, пределы пластичности, плотность и влажность связ­ ных грунтов, химический состав воды. Образцы грунтов понижен­ ной прочности, кроме того, испытывают на сопротивление сжатию

347

и сдвигу. Лабораторные испытания прочности глинистых грунтов можно заменить испытаниями лопастной установкой в массиве. В широком диапазоне состояния грунтов от скрытотекучей до мяг­ копластичной консистенции грунты можно испытывать установка­ ми лопастного вращательного среза конструкций ЦНИИСа или Фундаментпроекта. Испытывая пески установками статической пенетрации конструкции тех же организаций, можно определить плотность, прочность и сжимаемость грунтов в массиве.

Если несколько малых сооружений проектируют поблизости в пределах одного или одинаковых по происхождению, геологиче­ скому строению и гидрогеологическим условиям геоморфологиче­ ских элементов, то для всей группы разведываемых участков доста­ точно опробовать по одной выработке на двух-трех из них, преиму­ щественно расположенных равномерно по длине отрезка трассы.

Сооружение может быть запроектировано на стыке двух или нескольких геоморфологических элементов, например, в местах причленения террасы к коренному склону долины, прислонения мощного делювиального пласта к косогору или пойме, у раструба конуса выноса и т. п. Тогда разведывают каждый из геоморфоло­ гических элементов двумя, тремя выработками, закладываемыми на оси трассы и в стороне от нее так, чтобы осветить и основания оголовков, концов сооружения.

При изысканиях для стадии технического проекта по вариан­ там трассы на участках проектирования мостов меньше 25 м,

виадуков, акведуков, селедуков, путепроводов, эстакад и лавиносбросов разведочные выработки закладывают по оси трассы на расстоянии 25—50 м одна от другой, ,но так, чтобы 'были разведаны

все геоморфологические элементы створа. Минимальное количе­ ство выработок две по оси трассы, по одной у начала и конца со­ оружения. На косогорном основании проходят по две выработки на поперечниках к оси трассы. Состав и объемы лабораторного и полевого опробования те же, что и для прочих малых сооружений.

На втором этапе изысканий для технического проекта разведы­ вают основание каждой опоры проектируемого моста, путепровода и т. п., а выработки опробуют так же, как и при разведке под опо­ ры мостов отверстием более 25 м. На участках развития неблаго­

приятных геологических процессов и в местах со сложными инже­ нерно-геологическими условиями применяют геофизические иссле­ дования. На участках развития оползней и карста геологические изыскания 'выполняют по индивидуальным программам.

При рабочем проектировании могут быть намечены дополни­ тельные искусственные сооружения, смещены оси ранее запроекти­ рованных сооружений, увеличены отверстия труб и мостов и др. Основания новых и смещенных сооружений разведывают и опробовают так же, как было описано выше. Если ось сооружения смещена незначительно и оно остается в пределах тех же геомор­ фологических элементов, используют возможность экстраполяции данных разведки и опробования, выполненных при изысканиях для технического проекта с целью сокращения объемов изысканий.

348

Гл а в а XV. РАСЧЕТЫ СТОКА

§66. ЛИВНЕВОЙ И СНЕГОВОЙ СТОК

Попытки эмпирическим путем определить расчетные расходы ливневого стока делались неоднократно*. Ряд организаций обсле­ довали сотни эксплуатируемых сооружений. Результатов практи­ чески получено не было, так как при расчетах расходов по замерен­ ным уровням не учитывали аккумуляцию воды перед сооружения­ ми, что может уменьшить расходы притока в 2—3 и более раз. Союздорнии в 1966— 1967 гг. провел обследование 560 сооружений при участии 'центральной исследовательской лаборатории Гушосдора, Ташгипротранса и Дальгипротранса — для выявления соот­ ветствия ВП по СН 200-62 с данными отчетов. Обнаружилась не­ достаточность наблюдений в эксплуатации за работой сооружений по пропуску паводков. Исследование дало некоторые материалы, но подтвердило еще раз, что даже в муссонном климате без обос­ нованной теории нельзя получить надежный метод расчета стока. К этому заключению пришли Н. Е. Долгов в 1916 г. [39] и М. М. Протодьяконов в 1928— 1930 гг., разработавший первую теорию стока [108].

Развитие методов расчета стока на транспорте в СССР можно резделить на два этапа: первый с середины XIX б . д о 1930 г .— эмпирические и полуэмпирические методы (Кестлина — Николаи, НТК и др.) и второй— создание теории стока, основанной на ин­ женерной схематизации явления. К 1940 г. появились теории стока М. Ф. Срибного [126], Д. Л. Соколовского [122] и других авторов. Дальнейшая разработка теории стока была выполнена Н. Н. Чегодаевым [151].

В методе ЦНИИСа — Союздорнии определение максимальных расходов разделяется на два этапа.

1. Определяется общий объем стока W за любой интервал вре­ мени t по формуле

W = (h-z)Fyn&, (XV-1)

где h — слой водоотдачи (стока), мм9после вычета потерь на впи­ тывание в почву за время /, мин; z — слой потерь от задержи­ вающей сток растительности, мм; F — площадь (бассейна, км2;

ул — коэффициент уменьшения осадков, зависящий от площа­ ди F; 8 — коэффициент озерности и заболоченности.

2. Производится распределение и транспортирование объема стока между отдельными частями бассейна последовательным ре­

349

откуда -при построении по интервалам гидрограф ов определяю т

ордината из серии гидрографов показывает максимальный расход за время от начала стока. Такое решение предложил Н. Н. Чегодаев в 1948 г.

Была разработана схематизация процессов: (бассейн рассмат­ ривался как ряд раскрытых книг, потери на впитывание определя­ лись с учетом времени и ряда других обобщений.

Оба института решили задачу расчета стока >в 1948— 1950 гг. з двух вариантах:

1) путем обобщения гидрографов стока е построением номо­ грамм для нахождения максимальной ординаты; 2) путем непо­ средственного решения уравнения баланса объемов стока и по­ строения гидрографа.

Вопрос транспортирования объемов стока был решен методом изохрон в 1948— 1949 гг. [20]. Метод начал применяться в 1950 г.

Первоначально при решении уравнения баланса возникло за­ труднение. Из четырех его членов были известны два: W и WCK.. Объем стока на склонах WCK был определен Н. Н. Чегодаевым на

основе своих разработок и исследований А. Н. Бефани. Остальные два объема не были определены на любой отрезок времени t. Пе­

реписав уравнение (XVII-2), можно разделить известные и неиз­ вестные объемы стока

W - W eK= W a + WQ. (XV-4)

Оба неизвестных члена зависят от общего фактора — живого сече­ ния лога на створе перехода. Составляя график зависимости

от Q на требуемые отрезки времени t в соответствии с уровнем во­

ды в потоке, можно получить необходимое для решения задачи второе уравнение.

Первое решение уравнения баланса было разработано при де­ лении объема стока на четыре части, что дало построение гидро­ графа по четырем интервалам. Затем (1954 г.) был разработай метод построения гидрографа по шести точкам.

Ввиду сложности расчетов была предложена упрощенная фор­ мула Союздорнии 1953— 1954 гг., уточненная в 1963 г., в которой значения W, h и z определили так же, как и при уравнении балан­

са. По упрощенной формуле рассчитано в основном на автомо­ бильных дорогах большое число сооружений.

В действующих нормах учитывается (по П. Ф. Горбачеву), что при одинаковых ВП может быть любое количество равновозмож­ ных соотношений: 1) интенсивностей — а, мм)мин; 2) продолжи­ тельности дождя Г, мин. Наиневыгоднейшее сочетание этих эле-

350