Инженерная гидрология Конспект лекций Литература 1 Федотов

Инженерная гидрология Конспект лекций

Литература 1. Федотов Г. А. Изыскания и проектирование автомобильных дорог в 2 кн. Кн. 1: учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы» направления подготовки «Транспортное строительство» [Текст] / Г. А. Федотов, П. И. Поспелов – М. : Высшая школа, 2009. 2. Орлов, Вадим Георгиевич, Основы инженерной гидрологии : учеб. пособие / В. Г. Орлов, А. В. Сикан; ред. А. М. Владимирова, Ростов н/Д : Феникс , 2009, 192 с. 3. Ходзинская А. Г. Инженерная гидрология. АСВ, 2012 4. СП 33 101 2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик [Текст] / Госстрой России. – М. : Стройиздат, 2003. – 59 с. 5. Красильщиков, И. М. Проектирование автомобильных дорог [Текст] : учеб. пособие для

Вводные сведения. Основы общей гидрологии суши

Инженерная гидрология изучает процессы, происходящие в природных водах в результате взаимодействия их с гидротехническими сооружениями. Разделы гидрологии: Строительство транспортных сооружений в большинстве случаев связано с применением законов движения поверхностных вод – гидрологией суши.

При анализе статистических данных, получаемых в результате наблюдений за гидрологическими явлениями и процессами, инженерная гидрология применяет аппарат математической статистики для систематизации и использования этих данных в научных и практических целях. Методы математической статистики используются в рекомендациях по определению расчетных гидрологических характеристик при проектировании гидротехнических сооружений (средних годовых, максимальных, минимальных расходов и наивысших уровней воды в реках), а также при нахождении статистических связей между случайными гидрологическими величинами (между расходами и уровнями в створе наблюдений, между стоком реки и осадками, выпадающими в пределах площади ее бассейна в зоне достаточного увлажнения и т. д. ). Инженерная гидрология разрабатывает специальные методы, основанные на анализе происхождения стока, позволяющие определять расчетные гидрологические

В гидрометрии изучаются методы наблюдений за режимом водных объектов, измерительные устройства и приборы, применяемые при этом, а также способы обработки результатов измерений.

Воды суши: озера, реки Озера природные водоемы в углублениях суши (котловинах, впадинах), не имеющие прямого соединения с морем. В жизни озер различают четыре периода: молодое, зрелое, старое озеро и болото

1 – конусы выноса рек; 2 – собственные озёрные отложения; 3 – прибрежная растительность; 4 торф

Реки – водотоки, текущие в речных долинах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока. Для них характерна извилистая в плане форма и общий наклон ложа к устью (тангенс угла наклона называется уклоном). Встречаясь, речные долины, образуют речные системы. 1 главная река, выносящая воду в океан или в бессточную область, 2 притоки, 3 притоки притоков, 4 водораздел

Структура долины продольном профиле реки в Речные долины в большинстве случаев образованы во время тектонических деформаций земной поверхности или при движении древних ледников. Под действием текущей воды процесс формирования речных долин продолжается. I – зона эрозии; II зона транзита; III – зона аккумуляции наносов

В зоне эрозии (зоне верхнего течения реки) дно реки характеризуется большими продольными уклонами и поток имеет значительную скорость, размывает грунт и уносит продукты размыва вниз по течению. В результате выноса наносов происходит постепенное уменьшение уклона и понижение дна. Зона среднего течения (зона транзита) реки имеет, как правило, хорошо развитую пойму, часто изрезанную староречьями, озерами и болотами. Положение дна практически не изменяется, скорости потока уже меньше, чем размывающие. Наносы оседают на локальных участках, образуя перекаты. В зоне нижнего течения (зоне аккумуляции наносов) уклоны и скорости настолько малы, что часть наносов откладывается на дно реки. Нижний участок речной долины называется конусом выноса, если отложения наносов подняты выше окружающей местности. Из-за аккумуляции наносов образуется дельта реки. Дельты обычно далеко выступают в море. Деление долины реки в продольном профиле не является обязательным. Может отсутствовать зона транзита. На притоках главных рек часто отсутствует зона

Поперечный профиль долины реки Долиной реки называют относительно узкое, вытянутое в длину углубление земной поверхности с боковыми скатами и слабо наклонным в продольном направлении дном.

Коренной берег — верхняя боковая часть долины, образованная не речными наносами, а коренными породами, первичной поверхности речной долины, образованные в древнем геологическом процессе. В поперечных разрезах среднего и нижнего участков речной долины откладывается слой речных наносов – аллювия. Меженное русло - наиболее пониженная часть днадолины, по которой течет река в низкую воду. По мере смыва рыхлых грунтов верхнего участка уменьшался вынос наносов вниз по течению. Вследствие этого на нижележащих участках постепенно прекращалось отложение наносов, а водный поток врезался в толщу аллювия, образуя тем самым русло. Пойма - часть долины вне русла. Она затапливается периодически при высоких паводках и половодьях. Наилок поймы. Во время максимальных стоков некоторое количество наносов выносится на поймы и откладывается в местах с малыми скоростями. Террасы — широкие уступы (ступени) с более или менее горизонтальной поверхностью, тянущиеся вдоль склона долины и представляющие собой

ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ В РЕКАХ Эпюры скоростей Речным потокам свойственно турбулентное движение. В этом случае оперируют с осредненными скоростями потока.

Изотахи – линии равных скоростей

Направление струй в плане и поперечном створе Отдельные струи в речном потоке имеют не только различные скорости, но и различные направления.

На поворотах реки поверхностные слои потока, имеющие большие скорости и центробежные силы, направляются в сторону вогнутых берегов. Здесь они отражаются, опускаются вниз, в глубинные слои и направляются к выпуклому берегу, где снова поднимаются на поверхность

Берег излучины реки

Схема потока, стесненного сооружениями мостового перехода

Сечение I-I - граница, выше по течению которой влияние моста еще не сказывается, т. е. бытовые условия не нарушены. В пределах от сечения I-I до сечения I I -I I устанавливается кривая подпора. В сечении I I -I I (в конце кривой подпора) превышение уровня над бытовым достигает максимального значения на всем протяжении мостового участка и называется полным подпором. Непосредственно перед мостом свободная поверхность имеет сложную форму в виде воронки. Криволинейное сечение В-В соответствует верхней границе воронки. В створе III-III наибольшего сжатия потока при правильном устройстве струенаправляющих дамб струи параллельны между собой. Уровень воды близок к бытовому, но может быть как ниже, так и выше его. За мостом на участке между сечениями III-III и IV-IV поток расширяется (растекается) и скорости потока уменьшаются. За границей крайних струй образуются водоворотные области. За сечением

Автомобильный низководный мост

Автомобильный высоководный мост

Водопропускное сооружение

Ледовые явления на реках, наледи

При понижении температуры воды до 0°С и её переохлаждении создаются условия для образования внутриводного льда донного льда и шуги – частиц льда во взвешенном состоянии. Внутриводный лёд осложняет работу гидротехнических сооружений. На крупных реках наблюдается осенний ледоход, когда по реке движется поверхностная шуга в виде губчатой массы и одновременно образуется лёд на поверхности реки. В местах излучин, перекатов и островов могут образовываться заторы, зажоры и торосы. Заторы вызываются забиванием сечения реки кристаллическим льдом. Зажоры – рыхлой шугой Торосы – нагромождения льдин, образовавшиеся из за подъёма воды вызванного заторами и зажорами

Ледостав – образование сплошного ледяного покрова. На малых реках ледостав наступает без ледохода. Полынья – незамерзающий участок реки на быстринах, порогах и местах поступления тёплых вод. Полыньи способствуют охлаждению воды и образованию донного льда и шуги. Весной таяние льда начинается с берегов, у берегов образуются полосы воды – закраины. Под влиянием подъёма воды и повышения температуры воздуха ледовый покров разрушается и приходит в движение начинается весенний ледоход, возможно образование мощных заторов

Основы гидрометрии

Гидрометрия раздел гидрологии суши, занимающийся измерением элементов гидрологического режима, способами и приборами этих измерений, а также методами обработки полученных результатов, их сбора, хранения и публикации.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ Уровень воды высотное положение поверхности воды в данной точке относительно условной горизонтальной неизменной по высоте плоскости отсчета, выбираемой на 0, 5 – 1, 0 м ниже наинизшего уровня. Водомерный пост место, оборудованное для наблюдения за уровнем

Реечный водомерный пост

Свайный водомерный пост

Устройство для автоматизированного измерения уровня воды

Для определения уклона свободной поверхности воды в реке устраивают выше и ниже основного водомерного поста так называемые уклонные посты, расстояние между которыми L в зависимости от точности измерений меняется от 100 до 8000 м и отсчитывается по линии наибольших глубин. Уклон i вычисляют как где HВ и Нн — соответственно уровни в верхнем и нижнем створах.

ПРОМЕРНЫЕ РАБОТЫ Задачей промерных работ является определение глубины и рельефа дна водных объектов. По результатам промерных работ составляют планы дна водного объекта в изолиниях, определяют площади поперечных сечений. Измерение глубин производят в отдельных точках или непрерывно по профилю дна. Точки, в которых измеряют глубину воды, располагают в выбранном створе. Их плановое расположение определяют привязкой к геодезической сети.

Наметка Деревянный шест длиной 6. . . 7 м, диаметром 5. . . 6 см, размеченный на дециметры белой и красной масляными красками. Нижний конец наметки заделывают в металлический башмак массой 0, 5. . . 1, 0 кг. При илистых грунтах к нижнему торцу башмака привают поддон. Точность отсчетов глубин по наметке составляет 2. . . 5 см

Лот ручной Металлический груз массой 2. . . 5 кг с ушком в верхней части для крепления линя и углублением в дне для получения пробы грунта (с поверхности дна), для чего углубление смазывают мылом или солидолом. Лотлинь размечают марками на метры и дециметры. На реках лотом измеряют глубины до

Эхолот Действие эхолота основано на посылке ультразвуковых импульсов от вибратора излучателя в воду и приема отраженного от дна сигнала (эха) вибратором приемником. Время распространения импульса от излучателя до дна и обратно до приемника пропорционально глубине.

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ Поплавки

Гидрометрическая вертушка

Распределение скоростей и расходов, а – изотахи, б – эпюра скоростей

ИНЖЕНЕРНО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ Виды инженерно гидрологических обследований: обследования реки при уровне меженных вод (УМВ) – морфометрические; гидрометрические обследования при уровне высоких вод (УВВ) во время половодья и паводка.

В результате морфометрических обследований определяют: 1) Характерные уровни воды в реке: УВВ; горизонты высокого ледохода (наивысший уровень ледохода, создающего наибольшие изгибающие моменты в свайных ростверках мостовых опор); горизонты высокой подвижки льда; горизонты низкой подвижки льда; горизонты меженных вод (УМВ). 2) коэффициенты шероховатости русел и пойм; 3) ледовый режим реки; 4) характер руслового процесса. При морфометрических обследованиях выполняют следующие съёмки: съёмка продольного профиля реки на участке перехода; определение уклонов водной поверхности; разбивка и съёмка морфометрических створов. Морфостворы необходимы для определения расходов воды. Морфоствор перпендикулярен течению воды. Морфологическими характеристиками створа являются: распределение глубины воды по его ширине; сопротивление движению воды в разных частях створа (русла, протоки, пойм), оцениваемых коэффициентом шероховатости. Число морфостворов должно быть не менее 3.

Определение редко повторяющихся горизонтов высокой воды 1) По многолетним данным водомерных постов Если имеются данные наблюдений за срок, превышающий 15 лет. 2) Опрос старожилов Составляется специальный акт, в котором фиксируются отметки, показанные старожилами на местности. 3) Визуальный метод фиксирования уровня по следам на местности. Следами на местности являются: Отложения наносника (сучки, трава, ил) на пологих берегах, кустарнике, деревьях. Отложения взвешенных речных наносов. Следы нефти на коре деревьев или крутых берегах. Полоса смыва «загара» на скальных берегах. Следы подмыва крутых нескальных берегов. Границы распространения пойменной растительности в степных засушливых районах. Следы на зданиях и сооружениях.

Назначение коэффициентов ровности (шероховатости) русла и пойм Средние скорости течения определяются по равномерного движения жидкости в открытом русле где m – коэффициент ровности, h – средняя глубина потока, i – уклон водной поверхности. При оценке шероховатости пойм нужно учитывать характер и густоту растительного покрова на пойме, наличие староречий, промоин, косоструйность течения, характер грядовых скоплений наносов, наличие валунных или каменистых отложений. Коэффициенты шероховатости назначают по специальным таблицам. Например, для естественных русел в весьма благоприятных условиях (чистое, прямое, незасоренное, земляное со свободным течением) коэффициент шероховатости n=0, 025 , а коэффициент ровности m=1/n=1/0, 025=40. Для значительно засоренных, извилистых и частично заросших или каменистых с неспокойным течением русел коэффициент шероховатости n=0, 04, а коэффициент ровности m=1/n=1/0, 04=25 уравнению

Инженерно-гидрологические обследования во время половодья или паводка Полово дье — одна из фаз водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон года, — относительно длительное и значительное увеличение водности реки, вызывающее подъём её уровня; обычно сопровождается выходом вод из меженного русла и затоплением пойм Па водок — фаза водного режима реки; сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, вызванное усиленным таянием снега, ледников или обилием дождей. Периодически паводки не повторяются, и в этом их отличие от половодья. Продолжительность паводка от нескольких долей часа до нескольких суток.

Наблюдения при высоких водах проводятся для проектирования мостовых переходов через крупные реки и дополняют ранее проведенные морфометрические обследования. Во время высоких вод проводятся следующие гидрометрические работы: определяются скорости течения путем непосредственных измерений; измеряются уровни воды; устанавливаются направления струй и траекторий движения судов, плотов и льдин. Для указанных работ необходимо до наступления половодья (паводка) провести соответствующую подготовку: разбить гидростворы, соорудить водомерные посты, построить наблюдательную вышку, оборудовать плавучие средства.

Задачи и содержание гидрологических исследований дорожных сооружений Основными задачами инженерно гидрометеорологических обоснований проектов дорожных сооружений являются получение характеристик гидрометеорологических условий района изысканий для выбора трассы автомобильной дороги, выбор типа переходов через водотоки, обоснование их количества и местоположения, подготовка исходных данных для обоснования генеральных размеров искусственных сооружений на водотоках, подходов к ним, регуляционных и укрепительных сооружений, а также для проектирования системы поверхностного водоотвода.

В состав работ, выполняемых при инженерно гидрометеорологических обоснованиях проектов автомобильных дорог и мостовых переходов, входят: сбор, анализ и обобщение данных о гидро метеорологических условиях района проектирования на основе картографических, фондовых, архивных, литературных данных и материалов изысканий прошлых лет; инженерно гидрологическое обследование малых водосборов, пересекаемых трассой дороги, для проектирования малых водопропускных сооружений; инженерно гидрологическое обследование пересекаемых средних и больших водотоков для проектирования мостовых переходов; обследование существующих водопропускных сооружений, расположенных вблизи проектируемого водопропускного сооружения; камеральная обработка материалов полевых инженерно гидрометеорологических обследований; гидрологические расчеты малых водопропускных сооружений; гидравлические расчеты отверстий малых водопропускных сооружений; гидрологические расчеты мостовых переходов; морфометрические расчеты мостовых переходов;

В зависимости от типа дорожных сооружений и их конструкции различают следующие виды инженерно гидрометеорологических обоснований. Гидро-метеорологическое обоснование малых водопропускных сооружений (труб, малых мостов, и т. д. ) заключается главным образом в определении максимальных (расчетных) расходов и объемов стока ливневых и талых вод.

Гидро-метеорологическое обоснование мостовых переходов сводится к определению следующих основных характеристик водотока: характерных расчетных уровней (высокой воды — РУВВ, наинизшей межени — НУВМ, вы сокого едохода — РУВЛ, низкого ледохода л — РУНЛ, судоходного — РСУ и т. д. ); расчет ных асходов воды; уклонов свободной р по верхности; коростей течения на поймах и в с русле; распределения расчетного расхода меж ду услом и поймами; данных о ледовом, р ветровом и волновом режимах, русловом процессе, судоходстве и т. д.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ