Проект участка новой железнодорожной линии

. (1.6.2)

Если коэффициент С принять по формуле Н.Н.Павловского – , а гидравлический радиус R заменить средней глубиной воды при рассматриваемом уровне Н, то формула (4.2) приобретет вид

. (1.6.3)

Здесь n_j – коэффициент шероховатости j–го участка морфоствора, устанавливаемый на основе морфометрических обследований водотока в районе расположения створа водомерного поста; y_ji – параметр (коэффициент), зависящий от n_j и , I_i – уклон водной поверхности реки (в долях единицы) при рассматриваемом уровне H_i; – угол, град, между направлением течения на данном участке морфоствора и нормалью к морфоствору (поправку на косину потока учитывают при ≥6^°).

Уклон водной поверхности  обычно принимают одинаковым для  всех участков морфоствора. При отсутствии натурных измерений его можно вычислить по приближенной формуле Б. Ф. Снищенко

, (1.6.4)

где I_м – средний уклон долины водотока в районе расположения морфоствора, его можно принимать равным уклону водной поверхности в межень (при УМВ); B_i – общая ширина разлива воды, м, по долине реки в створе водомерного поста (морфоствора) при рассматриваемом уровне H_i; В_p – ширина русла в бровках, м.в указанном створе.

Среднюю глубину воды, м, на j–ом участке морфоствора при рассматриваемом уровне H_i определяют по формуле

,    (1.6.5)

где b_ji – ширина разлива воды, м.в пределах j–го участка при уровне H_i.

Для расчета зависимости Q(H) следует наметить несколько (7–10) уровней воды H_i с таким расчетом, чтобы крайние значения их (минимальная и максимальная отметки) перекрывали бы весь диапазон колебаний отметок исходного ряда УВВ. При этом минимальное значение H можно принять равным отметке уровня меженных вод (УМВ) в створе водомерного поста, а максимальная величина Н должна на 2-3 м превышать отметку наибольшего из УВВ указанного ряда наблюдений. Желательно, чтобы различие в отметках соседних уровней составляло не менее 0,5м, причем целесообразно назначать отметки рассматриваемых уровней (можно не всех) равными отметкам земли в характерных точках перелома рельефа морфоствора.

Расчет зависимости Q(H) нужно выполнять в табличной форме, расположив уровни воды (в направлении сверху – вниз) в порядке возрастания их отметки. Последовательность расчета очевидна – определяется структурой самой табл.1.6.2-табл.1.6.4, которые целесообразно формировать сверху – вниз и слева – направо. В процессе расчета необходимо осуществлять контроль всех промежуточных результатов, чему также способствует и анализ графиков основных зависимостей: I(H), w(H), v(H) и Q(H).

Таблица 1.6.2.

Расчет зависимости  расхода воды от уровня в створе водомерного поста (для левой поймы р. Деп).

Отметка уровня воды Нi , м	Общая ширина разлива  воды В i,м	Ширина разлива воды на пойме b i,м	Площадь живого сечения ω i, м²	Средняя глубина воды ħi i м	Параметр y i	Уклон водной поверхности Ii	Скорость течения воды v i, м/с	Расход воды Q i, м³/с
206,5	85	-	-	-	-	0,002513	-	-
207	100	-	-	-	-	0,002532	-	-
208	300	100	50	0,5	0,36	0,002785	0,363	18,171
209	500	200	200	1	0,3575	0,003038	0,688	137,794
210	700	300	450	1,5	0,3545	0,003291	1,014	456,315
212	940	390	1140	2,9230	0,348	0,003595	1,861	2121,744
215	1330	525	2512,5	4,7857	0,3415	0,004089	2,984	7498,579

 

 

Таблица 1.6.3.

Расчет зависимости  расхода воды от уровня в створе водомерного поста (для русла  р. Деп).

Отметка уровня воды Нi , м	Общая ширина разлива воды Вi,м	Ширина разлива воды на пойме b i,м	Площадь живого сечения ω i, м²	Средняя глубина воды ħi i м	Параметр y i	Уклон водной поверхности Ii	Скорость течения воды v i, м/с	Расход воды Q i, м³/с
206,5	85	85	230	2,7059	0,213	0,002513	2,912	669,827
207	100	100	276,25	2,7625	0,213	0,002532	2,967	819,567
208	300	100	376,25	3,7625	0,21	0,002785	3,863	1453,432
209	500	100	476,25	4,7625	0,285	0,003038	5,362	2553,639
210	700	100	576,25	5,7625	0,2065	0,003291	5,649	3255,275
212	940	100	776,25	7,7625	0,203	0,003595	7,235	5616,300
215	1330	100	1076,25	10,7625	0,2	0,004089	9,640	10374,616

 

Первая из перечисленных  зависимостей является общей для  всего морфоствора, т.е.зависимость I(H) используют при производстве вычислений на каждом j–ом участке. Поэтому графические построения начинают с этой кривой (рис.1.6.2). Убедившись, что зависимость I(H) рассчитана верно (существенные изменения в характере ее очертания следует связывать лишь с геометрической формой поперечного профиля реки в створе водомерного поста – всего морфоствора), можно переходить к соответствующим расчетам для каждого выделенного участка морфоствора. При этом кривые w_j(H), v_j(H) и Q_j(H), соответствующие каждому j–му участку, следует расположить на отдельном графике (рис.1.6.3), что облегчает совместный анализ их на предмет оценки правильности очертания этих зависимостей.

Следует иметь ввиду, что существенные нарушения плавности кривой w_j(H) могут объясняться только особенностями геометрической формы данного участка морфоствора, которые определяются расположением точек перелома рельефа на этом участке. Значительные изменения в конфигурации зависимости v_j(H) могут являться следствием совместимости влияния очертаний кривых I(H) и w_j(H).В конечном счете, в очертании каждой из всех четырех перечисленных кривых должны отразится особенности геометрической формы рассматриваемого участка и морфоствора в целом.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.6.4.

Расчет зависимости  расхода воды от уровня в створе водомерного поста (для правой поймы р. Деп).

Отметка уровня воды Нi , м	Общая ширина разлива  воды В i,м	Ширина разлива воды на пойме b i,м	Площадь живого сечения ω i, м²	Средняя глубина воды ħi i м	Параметр y i	Уклон водной поверхности Ii	Скорость течения воды v i, м/с	Расход воды Q i, м³/с
206,5	85	-	-	-	-	0,002513	-	-
207	100	-	-	-	-	0,002532	-	-
208	300	100	50	0,5000	0,36	0,002785	0,363	18,172
209	500	200	200	1,0000	0,3575	0,003038	0,689	137,795
210	700	300	450	1,5000	0,3545	0,003291	1,014	456,316
212	940	450	1200	2,6667	0,35	0,003595	1,725	2070,190
215	1330	700	2950	4,2143	0,342	0,004089	2,684	7916,575

 

Данный гидрологический  расчет целесообразно завершить вычислением при различных отметках уровня воды средней скорости течения во всем живом сечении водотока – для всего морфоствора:

. (1.6.6)

Этому расчету соответствуют  три последних столбца в табл.1.6.5., причем в столбце 3 указаны значения общей величины расхода воды при разных уровнях, т.е. зависимость Q(H) для морфоствора в целом.

Очертания кривой v_ср(H), как и абсолютные значения средней скорости течения, необходимо подвергнуть тщательному анализу. Нередко наличие петли в конфигурации кривой v_ср(H) объясняется так называемым кинематическим эффектом при выходе воды (в процессе подъема ее в паводок) из русла на пойму.

 

 

 

 

 

Рис 1.6.2. График зависимостей уклона водной поверхности от уровня воды I(H) реки Деп.

 

Рис. 1.6.3. График зависимостей

и Q(Н) для правой поймы реки Деп.

 

Рис. 1.6.4.График зависимостей и Q(Н) для русла реки Деп.

 

Рис. 1.6.5 График зависимостей

и Q(Н) для левой поймы реки Деп.

 

Таблица 1.6.5

Расчёт зависимости  расхода воды от уровня в створе водомерного поста ( для потока в  целом для р. Деп).

Отметка уровня воды Нi , м	Суммарная площадь живого сечения Σωi, м²	Суммарный расход воды ΣQi, м³/с	Средняя скорость течения воды v(ср)i, м/с
1	2	3	4
206,5	230	670	2,912
207	276,25	820	2,966
208	476,25	1490	3,128
209	876,25	2829	3,228
210	1476,25	4168	2,823
212	3116,25	9808	3,147
215	6538,75	25790	3,944

 

 

Рис. 1.6.6 График зависимостей

и Q(Н) для реки Деп в целом.

 

Для рассматриваемого в  дипломном проекте случая на рис.1.6.1. представлен поперечный профиль долины р. Деп в створе водомерного поста – морфоствор, а в табл. 1.6.2–1.6.4 приведены результаты данного расчета. Соответствующие графические зависимости представлены на рис.1.6.2.-1.6.5. Зависимость Q(H) для морфоствора в целом, наряду с кривыми w(H) и v_ср(H), показана на рис.1.6.6.

 

1.6.3 Определение расходов и уровней воды

требуемой вероятности превышения

 

Нормы проектирования мостовых переходов регламентируют расчетные значения основных гидрологических характеристик пересекаемого водотока – максимального (на пике паводка) расхода Q и соответствующего ему уровня воды Н – через вероятность их превышения (обеспеченность) р. На железных дорогах России мостовые переходы проектируют (рассчитывают) на два максимальных расхода – расчетный и наибольший. Наибольший расход по сравнению с расчетным имеет меньшую вероятность превышения. Согласно СНиП 2.05.03-84^* и СТН Ц-01-95 , вероятность превышения расходов и соответствующих им уровней воды на пике паводков следует принимать для линий III категории и выше – 1:100 (1%) при расчетном паводке и 1:300 (0,33%) при наибольшем.

Поскольку исходный ряд  гидрометрических наблюдений относится к максимальным уровням воды (на пике паводков), то предварительно, используя полученную выше для створа водомерного поста зависимость Q(H), устанавливают максимальные в этом створе расходы воды, соответствующие указанным уровням. Эти ежегодные максимальные расходы принимаются в качестве исходного статистического ряда наблюдений.

Основную часть расчета выполняется  в табличной форме. Исходный статистический ряд ранжируется в порядке  уменьшения уровня (расхода).

Эмпирическую вероятность превышения (в процентах) каждого члена ряда вычисляют по формуле

,  (1.6.7)

где – порядковый номер данного члена ряда в ранжированной последовательности; – общее число членов ряда (число лет наблюдений).

Для сглаживания и  экстраполяции эмпирических кривых распределения ежегодных вероятностей превышения максимальных расходов принимают, как правило, трехпараметрическое  гамма-распределение при любом  отношении коэффициента асимметрии C_s к коэффициенту вариации (изменчивости) C_v. Положительным свойством гамма-распределения является то, что при любом отношении C_s/C_v никогда не появляется отрицательных значений характеристик стока (противоречащих физической сущности явления) в нижней части кривых, т.е. это распределение имеет нижний предел, равный нулю. Параметры аналитической кривой гамма-распределения – среднее многолетнее значение максимального расхода , коэффициент вариации C_v и отношение C_s/C_v – устанавливают по гидрологическому ряду наблюдений ежегодных максимальных расходов (исходный статистический ряд) методом наибольшего правдоподобия. Для этого вычисляют статистики и :