Гидрологические и морфометрические расчеты

3.1 Принципы гидрологических расчетов

Все основные дорожные сооружения - мостовые переходы (мосты, подходы к мостам, регуляционные и защитные сооружения), водопропускные (водоотводные) сооружения, поверхностные водоотводы (канавы, кюветы) - подвержены вредному воздействию водного потока.

Им угрожают:

- подтопление водами реки при проходе паводков, особенно высоких;

- природные деформации русел;

- общие размывы, связанные со стеснением паводкового потока непереливаемыми подходами к мостам и сооружениям;

- местные размывы, развивающиеся у передних граней опор мостов и голов регуляционных сооружений;

- подпоры воды, разные в сечениях по длине мостового перехода, с разных сторон насыпей подходов и струенаправляющих дамб;

- продольные течения, наблюдающиеся с верховых сторон насыпей подходов и вдоль речных откосов струенаправляющих дамб;

- волновые воздействия и ледоход, непосредственно воздействующие на опоры мостов и укрепленные откосы струенаправляющих дамб и насыпей подходов;

- карчеход на реках.

Паводки на реках год от года не одинаковы. При этом периоды прохода сравнительно невысоких паводков (маловодные периоды) сменяются периодами прохода высоких (многоводные периоды).

Закономерное чередование маловодных и многоводных периодов связано с опосредованным влиянием солнечной активности на циркуляцию околоземной атмосферы и обязательно должно учитываться при обосновании генеральных размеров сооружений.

Степень опасности повреждения тех или иных сооружений оказывается тем большей, чем большие по высоте паводки проходят на реках. Сооружения (например, мостовые переходы) должны безопасно функционировать весь срок их службы, т. е. столетие.

Естественно, что в течение этого длительного срока на реке могут пройти очень высокие паводки, в том числе даже такие, которые еще не были зафиксированы на водомерных постах данного водотока.

Каждый i – й паводок может быть охарактеризован наибольшим его расходом , наивысшим уровнем высокой воды , продолжительностью паводка , его формой (полнотой) и т.п.

Основными характеристиками водности рек и на данном ее участке являются и соответствующий ему .

Прогноз максимального стока (гидрологические расчеты) выполняют, как правило, на основе статистических данных о режиме водного стока за период гидрометрических наблюдений, который предшествовал проектированию того или иного дорожного сооружения.

Прогноз водного стока базируется на следующих основных положениях.

1. Годовой цикл водного стока закономерен и отражает смену времен года и тип питания реки.

2. Ежегодные колебания генетически однородных характеристик паводков подчиняются закону больших чисел, т. е. средние значения этих характеристик устойчивы во времени и практически мало зависят от длительности наблюдений.

3. Закономерности колебаний характеристик стока свободных (незарегулированных) рек устойчивы в течение периодов, соизмеримых со столетиями.

4. Значения характеристик стока для каждого года можно считать случайными и не зависящими друг от друга. Поэтому не представляется возможным прогнозировать сток их появления, но можно оценить лишь вероятность их превышения более высокими значениями.

Для установления средних значений характеристик паводков за длительный период времени и установления закономерностей их колебаний используют статистические многолетние данные наблюдений за возможно более длительный период, предшествовавший проектированию сооружения. При этом нельзя объединить в единый ряд наблюдений генетически разнородные характеристики стока. Например, если на реке наблюдается паводки как от снеготаяния, так и от ливней, то многолетние ряды наблюдений за максимальным стоком нужно строить отдельно для каждой фазово-однородной характеристики (скажем, расходы и уровни только от снеготаяния либо только от ливней и т.д.).

Максимальные расходы или уровни паводков могут быть охарактеризованы вероятностью превышения их еще более высокими. При этом, если какой-либо расход или уровень является расчетным для данного сооружения, то при проходе паводка такой (расчетной) высоты запасы устойчивости сооружений будут полностью исчерпаны.

Вероятность превышения той или иной характеристики паводка (прежде всего максимальных годовых расходов и уровней воды ) исчисляется в долях единицы и справедлива для каждого года, так как превышение расчетного паводка может произойти в любой год службы сооружения. Чем больше максимальный расход или уровень воды в данном створе водотока, тем меньше вероятность их превышения еще более высокими.

Если вероятность превышения паводка отнести не к одному году, а к длительному периоду наблюдений, то уже можно говорить о частоте (повторяемости) паводков той или иной высоты. Так, если вероятность превышения паводка равна 0,01, то это означает, что такой паводок будет превышаться более высокими в среднем 1 раз в 100 лет, при этом будут иметь место опасные условия работы сооружений с возможными их повреждениями или даже разрушениями.

Расчетную вероятность превышения паводков нормируют в соответствии с народнохозяйственным значением проектируемого объекта. Это означает, что каждый объект на реке проектируют с определенной степенью инженерного риска (таблица 1). При этом, чем выше значение объекта, тем меньшую вероятность превышения расчетного паводка принимают при проектировании.

Например, чем выше категория автомобильной дороги, на которой проектируют сооружения, тем меньшей вероятности паводок принимают в качестве расчетного.

Некоторые крупнейшие гидротехнические сооружения гидроэнергетики и водоснабжения проектируют на паводки, которые вообще не могут быть превзойдены более высокими, т. е. имеющими вероятность превышения 0 % (паводки «максимум-максиморум»). Практическая повторяемость таких паводков составляет 1 раз в 10000 при сроке изменения климата на земном шаре в 12000 лет, равному периоду качания земной оси.

Однако стоимость сооружений, запроектированных на физически возможный предельный паводок, чрезвычайно велика, поэтому оказывается экономически целесообразным ограничивать величины расчетных паводков хотя и весьма редкими, но реально превышаемыми в течение расчетного срока службы паводками, т. е. проектировать сооружения с экономически оправданной степенью инженерного риска.