Морфометрические расчеты

При проектировании мостовых переходов в створах с неизученным гидрологическим режимом прогноз последнего нередко приходится делать на основе приближенного морфометрического расчета, при котором оценивают сопротивляемость речному потоку поверхности русла и пойм по их внешним морфологическим и геометрическим характеристикам с последующим определением средних скоростей течения и расходов воды по уравнению равномерного течения жидкости (Шези).

Морфометрические расчеты используют для следующих целей:

1. Построения кривых расходов общего Q = f (Н) и руслового бытового Q_рб = f (Н) (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Схема к построению морфометрических кривых расходов общего Q = f (Н) и руслового бытового Q_рб = f (Н):
а - морфоствор; б - кривые расходов; В - ширина элемента; т - коэффициент ровности русла; h - средняя глубина на участке

2. Оценки распределения расчетного общего расхода между элементами живого сечения долины в месте перехода (руслом и поймами). Величина распределения расчетного расхода между руслом и поймами - одна из основных характеристик, в конечном итоге определяющих как генеральные размеры сооружений мостовых переходов, так и последующие условия их эксплуатации.

3. Определения величин расчетных уровней в неизученных створах при известных величинах расчетных расходов.

4. Оценки величин прошедших расходов по следам паводков на местности.

5. Оценки бытовых скоростей течения в руслах и на поймах.

6. Построения эпюр элементарных и интегральных расходов, используемых при специальных расчетах, в частности при расчетах групповых отверстий.

Уравнение равномерного течения жидкости, используемое в морфометрических расчетах, имеет вид:

где

V - средняя скорость течения потока;

R - гидравлический радиус, принимаемый равным для относительно широких речных потоков с достаточной степенью точности равным средней глубине потока h;

I - уклон свободной поверхности потока;

С = m h ^1/6 - коэффициент Шези-Маннинга;

m = 1/ п - коэффициент ровности (величина обратная коэффициенту шероховатости п), принимаемый в зависимости от морфологических характеристик участка по табл. 16.3.

Тогда основное уравнение морфометрического расчета будет

где (16.2)

i - номер характерного участка морфоствора;

I_б - бытовой уклон свободной поверхности потока.

Таблица 16.3.

Коэффициенты ровности

Морфологические признаки потока	Коэффициент ровности, m
наибольший	наименьший	средний
Русло земляное ровное; русло полугорных рек; не заросшие поймы
Русло земляное извилистое; русло галечно-валунное; суходол ровный; поймы.
заросшие на 10 %
Русло земляное очень извилистое; суходол извилистый; поймы, заросшие на 20 %
Суходол, засоренный камнем и заросший; поймы, заросшие на 50 %
Поймы, заросшие на 70 %
Поймы, заросшие на 100 %

Примечание: Вместо коэффициента ровности т можно использовать коэффициенты шероховатости п, при этом m = 1/ п

Обычная последовательность морфометрического расчета следующая:

1. На имеющемся профиле морфоствора выделяют характерные участки долины реки, различающиеся по ровности (шероховатости) и глубинам, и по морфологическим признакам (табл. 16.3) назначают соответствующие коэффициенты ровности (шероховатости) участков (см. рис. 7.1).

2. В соответствии со схемой, представленной на рис. 16.4, задаются j- м уровнем воды и для каждого i- го характерного участка определяют площадь живого сечения w_ji и среднюю глубину h_ji

3. Вычисляют среднюю скорость течения V_ji на каждом i- м участке по формуле (16.2) и расходы воды Q_ji = w_jiV_ji.

4. Суммируют расходы на характерных участках долины реки и в конечном итоге определяют величины общего Q_i и руслового бытового расхода Q_рбi при j- м уровне воды.

5. Расчеты выполняют в табличной форме (см. рис. 7.1) либо, чаще всего, на компьютере.

Для створов, по которым известны величины расчетного уровня и расхода, морфометрический расчет дает возможность определить главную характеристику долины реки - распределение общего расхода между руслом и поймами:

где

т_р, т_пi - соответственно, коэффициенты ровности русла и характерных участков пойм;

В_рб, В_пi - бытовая ширина русла и ширина i- го участка поймы;

h_рб, h_пбi - средняя глубина в русле и на i- м участке поймы.

Величины руслового и пойменного расходов определяются:

Q_рб = Qt; Q_пб = Q (1 - t).

Табличные значения коэффициентов ровности (шероховатости) по возможности следует корректировать по результатам натурных измерений скоростей течения при разных уровнях воды с одновременным установлением уклонов свободной поверхности потока.

Так как морфометрические расчеты (при использовании табличных значений коэффициентов ровности) могут давать существенные погрешности при определении размеров сооружений мостовых переходов, то к результатам расчета мостовых переходов необходимо вводить обоснованные гарантийные запасы их устойчивости (на морфометрическую основу расчета).