К вопросу определения уровня высокой воды по следам паводков на опорах существующих мостов (на примере малых предгорных рек Узбекистана)

АННОТАЦИЯ

В статье приведены эмпирические зависимости, выходящие в вычислительную формулу определения уровня высокой воды по следам паводка на опорах мостов: скорость паводка, уклон русла, переменный показатель редукции, характеризующий максимальное возвышение гребня водной поверхности, коэффициент изменения набега ударной волны потока и переменный показатель редукции средней бытовой от максимальной скорости потока применительно к малым предгорным рекам Узбекистана.

ABSTRACT

The article presents empirical dependencies that go into the computational formula for determining the high water level following flood traces on bridge supports: flood speed, channel slope, variable reduction index characterizing the maximum elevation of the water surface ridge, the coefficient of variation of the flow shock wave and the variable reduction index of the average household from the maximum flow rate in relation to the small foothill rivers of Uzbekistan.

Ключевые слова: уровень высокой воды, дождевой паводок, опора моста, следы паводка, скорость воды.

Keywords: high water level, rain flood, bridge support, flood marks, water velocity.

Введение. В исследованиях вопроса разрушения берегов русел при разработке мероприятий по их защите от дождевых паводков практический интерес представляют сведения о максимальном уровне высоких вод. Однако, из-за отсутствия гидрометрических постов на малых временных предгорных реках, не всегда удаётся получить данные по максимальным уровням высоких вод.

В этих случаях уровень высоких вод может быть определен по следам прошедших паводков. Следы паводков могут быть [2]: 1) аккумулятивные –это отложения растительного покрова (трава, хворост), илистых образований и песка на деревьях, камнях, берегах; 2) эрозионные – резко выраженный размыв берегов, смыв продуктов выветривания и «пустынного загара» с поверхности скал, валунов и сооружений, а также зданий плывущим льдом и наносами; 3) коррозионные метки – окраска смоченного периметра в специфический цвет в результате физико−химического воздействия воды, содержащей взвешенные и растворенные вещества, на берегах, стенах сооружений; 4) ботанические − более зеленая окраска травяного покрова в пределах затопления; 5) закрепленные отметки на дорожных мостах и трубах, зданиях, подпорных стенах набережных и других сооружениях.

По мнению многих авторов [2,5,8], последный подход в определении уровня высоких вод (УВВ) считается самым достоверным методом. Кроме того, этот метод не требует дополнительных полевых работ.

Цели и задачи работы. Целью настоящей работы явилась разработка эмпирической зависимости, выходящей в вычислительную формулу параметров по определению уровня высокой воды по следам паводка на опорах мостов применительно к малым предгорным рекам Узбекистана.

Основная часть. Переходим к изложению некоторых путей определения УВВ по следам паводков на опорах существующих мостов на примере малых предгорных рек Узбекистана.

Так, на предгорных участках рек отметка горизонтального уровня высокой воды в створе моста Н_г может быть получена по формуле НИИМП−72 [3], с учетом некоторой поправки, предложенной Б.Ф. Перевозниковым, который имеет вид [5]:

                                                (1)

где Н_м.о – наибольшая отметка набега воды на одну из опор моста; v_cр – средняя бытовая скорость течения воды в подмостовом русле, м/с; g − ускорение силы тяжести; n – переменный показатель редукции средней скорости, характеризующей максимальное возвышение гребня водной поверхности; α_у -  коэффициент изменения набега ударной волны потока в зависимости от средней бытовой скорости; k – переменный показатель редукции средней бытовой скорости при определении максимальной ординаты высокой ударной волны.

При использовании расчетной формулы (1) величина наибольшей отметки набега воды (Н_м.о) на выбранным участке реки у створа определяется по следам паводка, оставленным на одной из опор моста.

Средняя бытовая скорость течения воды (v) может быть получена по формуле Шези-Маннинга:

v=1\n h^2\3 J^1\2 ,                                                                  (2)

где 1\n – обратное значение коэффициента шероховатости; h − средняя глубина живого сечения потока; J − средний уклон потока.

Определение средней глубины живого сечения − h по формуле (2), требует дополнительных полевых работ по нивелированию поперечного сечения реки у створа. При этом не всегда удаётся получить достоверные данные живого сечения из-за сложности определения следов уровня у берегов створа моста. В этом случае для вычисления скорости течения целесообразно применение другого выражения:

v = m J ⁿ,                                                                    (3)

где m – параметр, показывающий шероховатость русла; n − показатель степени.

Как видим, этой формуле главным фактором, определяющим величину скорости течения, является уклон. Такой вывод сделан одним из основоположников гидрологии суши Д.Л. Соколовским еще в 1968 году [4].

В 1995 году А.Ф. Шахидовым [9] по данным обработки материалов Д.Л. Соколовского предложено выражение определения скорости течения по уклону:

v = 3,50 J ^1\4.                                                             (4)

Предварительное сравнение расчетных значений скорости потока по уравнению (4) с фактическими данными показал занижение величины скорости потока в малых предгорных реках Узбекистана против фактических данных.

Нами была предпринята попытка выявления зависимости скорости течения паводка от уклона для условий малых предгорных рек Узбекистана. Для этой цели воспользовались материалами Гидрометеослужбы Республики Узбекистан и Ю.М. Денисова [1] по измерению скорости течения и уклона на малых предгорных рек исследуемой территории (рис.1).

Рисунок 1. Зависимость скорости течения паводка от уклона в малых предгорных реках Узбекистана

Полученная зависимость оказалась достаточно тесно связана с коэффициентом корреляции r = 0,766, что позволяет применить эту связь в практических целях. Уравнение зависимости имеет вид:

v = 3,66 J ^0,206,                                             (5)

При отсутствии измеренных величин уклона русла, это значение может быть получено по эмпирическому выражению А.Х. Туляганова [7]:

                                   (6)

Здесь   – коэффициент пропорциональности, равный 1,79; F − площадь водосбора, определяемая по топографической карте; - среднее квадратическое отклонение высот.

σ = 0,647 ln (Z) + 0,061,                                  (7)

где Z − высота водосбора.

На рис.2. представлено сравнение значений скорости течения, полученных по формулам (4) и (5). Как видно из рисунка, значение скорости течения, вычисленное по предлагаемой формуле (5), немного выше, чем величина, полученная по формуле (4), что потверждет наше предположение о занижении расчетного значения скорости течения против фактического значения.

Рисунок 2. Сравнение расчетных значений скорости потока по формулам (4) (нижняя кривая) и (5) (верхняя кривая)

Для определения параметров vⁿ, a_y и v^k в расчетной формуле (1) рекомендуются эмпирические зависимости, полученные на основе связи этих значений с вычисленной скоростью течения потока:

 vⁿ = 0,97 v^0,67,                                     (6)

 а_у = −5,59 v +9,06,                                 (7)

 v^k =0,55 v^0,82.                                  (8)

Данные для вывода этих зависимостей заимствованы из работы [6].

К сожалению, из-за отсутствия фактического значения уровня высоких вод, вычисленная величина уровня воды по следам паводка у опоры моста р. Паркентсай у села Чанги (рис.1.а) была сопоставлена с уровнями высокой воды, определенной по следам паводка оставленных в русле (рис.1.б). Сравнения уровня ГВВ дали удовлетворительные результаты.

а)                                                                 б)

Рисунок 3. Следы паводков высокой воды а) у опоры моста б) в русле р. Паркентсай, село Чанги. Стрелками показаны следы паводка

Заключение.

Разработанные эмпирические зависимости, входящие в уравнение по расчету ГВВ по опорам моста, отличаются простотой и не требуют дополнительных полевых работ;

Получение опытных данных по определению уровня высокой воды паводка по методике [5] с использованием предложенных нами зависимостей показало неплохие результаты, что даёт основание применения этого метода на практике гидрологических расчетов при проектировании гидротехнических сооружений на малых реках Республики Узбекистан.

Список литературы:

1. Денисов Ю.М. Общая структура формулы расчета максимальных расходов селевых паводков // Труды НИГМИ. - 2007. - Вып.4(249 ).- с.3-14.
2. Горошков И.Ф. Гидрологические расчеты.−Л.: Гидрометеоиздат, 1979.−432с.
3. Наставление по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоков. М.: Транспорт, 1972.−279 с.
4. Соколовский Д.Л. Речной сток.−Л.: Гидрометеоиздат, 1968.−538 с.
5. Перевозников Б.Ф. Обобщение опыта проектирования подходов к мостам и регуляционных сооружений на автомобильной дороге в Непале. В сб. “Защита землянного полотна от горных рек” (Вып.12). М.: “Транспорт”, 1975, с.44-52.
6. Перевозников Б.Ф. Расчеты максимального стока при проектировании дорожных сооружений.-М.: “Транспорт”, 1975.-304 с.
7. Туляганов А.Х., Салимова Б.Д. Автомобиль йўлларидаги сув ўтказувчи иншоотларни лойиҳалашда сув ва сел тошқинларининг тавсифларини ҳисоблаш. Тошкент, “Iqtisod−Moliya”, 2016.−156 б.
8. Туляганов А. Х., Салимова Б. Д. Расчет дождевых максимумов при проектировании малых водопропускных сооружений (на примере рек предгорья Узбекистана) //Школа Науки. – 2019. – №. 7. – С. 3-6.
9. Шахидов А.Ф. Ёмғир тошқинларининг максимал сув сарфларини ҳисоблаш.ЎИТГМИ, Тошкент, 1995.−125 б.