Учет неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья при мостовом проектировании :

Краткое описание

Нормативные ссылки... 4

Введение... 5

1 Гидрологические аспекты мостового проектирования и постановка задачи исследования... 9

1.1 Место гидрологии в проектном обосновании размеров и стоимости водопропускных сооружений... 9

1.2 Гидрологические расчеты... 12

1.3 Методика гидравлических русловых расчетов мостовых переходов по программе «РОМА»... 17

1.3.1 Назначение программы... 17

1.3.2 Особенности расчетов по методике... 24

1.3.3 Подготовка исходных данных... 26

1.3.4 Информация, формируемая по результатам расчета... 31

1.4 Гидрологические факторы и аварийность мостов. Постановка задачи исследований... 33

2 Картирование зон неустойчивости максимального стока... 41

2.1 Стохастическая модель формирования максимального стока и критерии неустойчивости моментов распределения плотности вероятности... 42

2.2 Вычисление и картирование параметра неустойчивости. Выявление регионов с различными условиями формирования максимального стока... 49

3 Чувствительность гидравлических и русловых расчетов к степени неустойчивости максимального стока... 66

3.1 Уровенный режим в створе мостового перехода при различных

гидравлических ситуациях... 67

2

3.1.1 Проход расчетного паводка по бытовому руслу... 67

3.1.2 Проход расчетного паводка в зоне переменного подпора от капитальной плотины (без учета неустойчивости)... 71

3.2 Численные исследований влияния неустойчивости статистических моментов распределения стока на русловые размывы (по

реальным мостовым переходам)... 75

3.2.1 Учет вероятностного характера руслового процесса при численном моделировании... 89

Заключение... 98

Список использованных источников... 101

Приложение А. Таблицы исходных данных и результатов статистических расчетов по гидрологическим станциям... 106

Приложение Б. Графическое представление статистических

расчетов... 127

Приложение В. Эксперимент № 1. р. Кама - а-д.мост г. Оханск... 137

с Приложение Г. Эксперимент № 2. р. Волга - а-д.мост г. Казань... 145

Приложение Д. Эксперимент №3. р. Стрый-ж-д. мост... 150

Приложение Е. Эксперимент № 4. р. Луга - а-д.мост... 161

Приложение Ж. Эксперимент № 5. Большой Черемшан -

ж-д.мост... 183

Приложение И. Эксперимент № 6. р. Байбалаковская - а-д.мост... 194

Приложение К. Справка о внедрении результатов диссертации... 201

Нормативные ссылки

В данной диссертации были использованы следующие нормативные

документы:

СП 11-103-97 -Инженерно-гидрометеорологические изыскания для

строительства. Госстрой России, 1997;

СНиП 2.01.14-83 - Определение расчетных гидрологических характеристик. Госстрой СССР, 1985;

СП 33-101-2003 — Определение расчетных гидрологических характеристик. Госстрой России,2004;

СНиП 2.05.03-84 - Строительные нормы и правила. Мосты и трубы. Минстрой России, 1996;

СН 2-57 - Нормы и технические условия для расчета максималь-

ных расходов воды при проектировании гидротехнических сооружений на реках, 1957;

СН 356-66 - Указания по определению расчетных максимальных

расходов талых вод, 1966;

ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения грануло-

метрического (зернового) и микроагрегатного состав
Введение

Введение

Развитие транспортной системы РФ и строительство автомобильных и железных дорог на новых территориях, а также реконструкция старых дорог требуют дальнейшего совершенствования методик расчета мостовых переходов в условиях изменения климатических и гидрологических условий.

Для Российской Федерации характерен рост числа природных катастроф, особенно в последние годы. Так по данным МЧС России за 10 лет (1990- 1999 гг.) было зарегистрировано 2877 событий чрезвычайного характера, связанных с опасными природными процессами. Катастрофические явления, обусловленные наводнениями, составляют 19 % общего числа. В России в подтопленном состоянии могут находиться около 800 тысяч га городских территорий. Из 1092 городов подтопление отмечается в 960 (88 %).

Подтверждением актуальности темы служит анализ разрушений мостов при прохождении высоких половодий, когда основной причиной аварии является подмыв русловых опор и превышение расчетных гидрологических характеристик потока над проектными.

Так, например, в весенний паводок 2001 г. на территории Якутии повреждено или разрушено 57 км автомобильных дорог и 165 п. м. мостов. В паводок 2002 г. в Ставропольском крае повреждено 214 автомобильных мостов и 732 км дорог. В этот паводок разрушен мост через реку Кубань с обрушением русловой опоры. На реке Баксан мост длиной 120 м смыт полностью. Кроме этого в паводок 2002 г. в Ставрополье разрушено более 2000 домов и 35300 домов подтоплено. Ущерб федеральной дорожной сети составил 700 млн. рублей.

Аналогические ситуации наблюдались при прохождении высоких половодий в Башкирии, Новгородской области, Приморском крае и в Архангельской области в 1997 - 2001 гг.

В 2004 году затоплению от весенних паводков подверглись десятки районов Кемеровской, Новосибирской областей, а также поселки в Алтайском крае и Хакасии.

Целью работы является разработка методики выявления неустойчивости вероятностных характеристик максимального стока весеннего половодья и оценка ее влияния на проектные решения в мостостроении, принимаемые на основе реализаций нормативных документов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- на основе стохастической модели формирования максимального стока весеннего половодья выявлен критерий неустойчивости ее решения в виде моментов распределения плотности вероятности, а следовательно и расчетных гидрологических характеристик;

- с использованием стандартной гидрометеорологической информации и ГИС-технологий рассчитан и закартирован параметр, определяющей степень неустойчивости характеристик стока весеннего половодья на территории РФ и сопредельных государств;

- выявлены регионы на территории РФ и Украины с различной степенью неустойчивости вероятностных характеристик стока и построены зависимости параметра неустойчивости от различных гидрологических характеристик водосборов рек;

- предложен и на реальных мостовых переходах апробирован способ практического учета неустойчивости моментов распределения плотности вероятности максимального стока при русловых расчетах;

- предложен статистический метод учета русловых мезоформ при расчете деформации под мостом под программе «РОМА».

Решение поставленных задач проводилось путем расчета параметров максимального стока для 137 гидропостов и осадков по 80 метеостанциям.

Для четырех мостовых переходов через реки, на которых имеются ряды наблюдений за максимальным стоком и данные натурных измерений глубин в русле при проходе высоких половодий, произведено математическое

моделирования по программе «РОМА» при различных сценариях гидрологической ситуации. При этом предложена методика учета неустойчивости стока при русловых расчетах.

Для двух проектируемых мостов в условиях переменного подпора проведено моделирование процесса размыва русла под мостом и предложена формула для расчета глубины общего размыва.

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

а) для максимального стока весеннего половодья теоретически установлен критерий, позволяющий по стандартной гидрометеорологической информации выявлять условия, при которых происходит потеря устойчивости гидрологических характеристик, определяющих расчетные расходы воды при мостовом проектировании;

б) построены карты распределения на территории России регионов с неустойчивыми моментами плотности вероятности максимального стока весеннего половодья, позволяющие оценивать степень риска при неправильном принятии проектных решений, основанных на существующих нормативных документах в области мостового строительства;

в) установлено, что физически неустойчивость начальных моментов максимального стока весеннего половодья вызывается факторами формирования речного стока, повышающими его динамичность;

г) на материалах реальных мостовых переходов выполнена оценка чувствительности гидравлических и русловых расчетов к возможной неопределенности в задании расчетных максимальных расходов, вызванной неустойчивостью характеристик стока весеннего половодья, что позволяет повысить надежность проектируемых мостов на автомобильных и железных дорогах, пролегающих в зонах с неустойчивым режимом.

Результаты работы позволяют проектным организациям учитывать дополнительную информацию о неустойчивости максимального стока. Приме-

нив в работе карту неустойчивости стока, проектировщик может ввести коррективы в свои расчеты.

Для мостов, находящихся в зоне закартированной неустойчивости стока, можно по формуле проверить устойчивость стока.

Учет неустойчивости максимального стока при русловых расчетах позволяет принять более обоснованные решения о заглублении опор моста.

Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек-3» (Тольятти, 15-19 сентября 2003 г.), на заседании Итоговой сессии Ученого совета Российского государственного гидрометеорологического университета (2004 г.) и научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов (2003, 2004 гг.).

Результаты работы нашли применение в ОАО «Трансмост» при гидрологическом обосновании строительства а.-д. моста на протоке Байбалаковская в г. Ханты-Мансийске.

1 Гидрологические аспекты мостового проектирования и постановка задачи исследования

1.1 Место гидрологии в проектном обосновании размеров и стоимости водопропускных сооружений

Трассы автомобильных и железных дорог пересекают многочисленные водотоки, на которых необходимо запроектировать водопропускные сооружения. Основными типами водопропускных сооружений являются мосты и трубы. Мосты или мостовые переходы по длине делятся на 3 группы: малые - длиной до 25 м, средние - длиной от 25 до 100 м, и большие - свыше 100 м.

Для расчета длины моста необходимо провести специальные гидравлические расчеты для обоснования габаритов моста и глубины заглубления опор. Основной таких расчетов являются натурные гидрологические характеристики водотока, физико-географическая характеристика его бассейна и сведения об экстремальных значениях гидрометеорологических элементов.

Согласно СП (свод правил) 11-103-97 [1] в состав гидрологических наблюдений входят следующие виды измерений: уровней воды, расходов воды, уклонов водной поверхности, расходов взвешенных и донных наносов, направления течений и скоростей потока. В необходимых случаях дополнительно производят наблюдения за сгонно-нагонными явлениями, сейшами и ледовыми явлениями.

При наличии или возможности проявления в районе проектируемого мостового перехода опасных природных явлений и процессов (таблица 1) в результате инженерных изысканий должны быть получены сведения и материалы для установления характеристик и прогноза развития отмечаемых процессов и явлений с детальностью, соответствующей стадии проектирования.

Таблица 1 - Перечень опасных гидрологических процессов и явлений

Процессы, явления Вид и характер воздействия процесса, явления Область распространения

Наводнение (затопление) Затопление сооружений, располагаемых в зоне воздействия процесса. Паводки и катастрофические прорывы плотин Дно речных долин, прибрежная зона водохранилищ, озер и морей

Цунами Затопление прибрежной зоны морей и динамическое воздействие на сооружения Прибрежная зона морей, прилегающих к океанологическому ложу с активной сейсмичностью

Селевые потоки Динамическое воздействие селевого потока на все виды сооружений, размыв русла в зоне его транспорта и отложение материала на конусах выноса Речные долины селе-носных рек и временных водотоков

Русловой процесс Аккумулятивно-эрозионное воздействие на дно берега русла и пойму реки, нарушающее устойчивость или нормальные условия эксплуатации сооружений Русло, пойма реки

Переработка берегов рек, озер, водохранилищ Эрозионное воздействие на берег с последующим его отступлением и разрушением находящихся в этой зоне сооружений Прибрежные зоны рек, озер и водохранилищ

Ледовые заторы и зажоры Динамическое воздействие на все виды сооружений, затопление территорий Дно речных долин, поймы

10

Можно дополнить перечень из таблицы 1 «несанкционированными» или нерасчетными опасными явлениями, такими как затопление территорий городов и поселков при прохождении паводков частой повторяемости, когда подъем уровня связан с бесхозяйственной деятельностью на участках малых мостов и водопропускных труб. Аналогичный эффект затопления может вызвать зимнее промораживание этих сооружений с полным или частичным забиванием их снегом и льдом. Так, например, на Архирейском логу (ВНИГЛ) максимальный расход воды в 1962 году превысил максимальный наблюденный за 20 лет в три раза из-за прорыва снежного затора, образовавшегося выше моста на дороге, пересекающей лог.

Исходная информация, используемая для определения расчетных характеристик опасных процессов и явлений, имеющих вероятностный характер распределения в многолетнем разрезе, должна содержать ряды ежегодных значений этих процессов и сведения о выдающихся максимумах.

На заключительном этапе производится камеральная обработка полученных материалов и данных наблюдений, включающая:

- окончательную обработку материалов наблюдений, выполненных за период инженерных изысканий;

- оценка стационарности условий формирования стока;

- приведение коротких рядов наблюдений к многолетнему периоду;

- оценку гидрометеорологических условий участка проектирования;

- определение расчетных гидрологических параметров для обоснования проектных решений.

Определение расчетных значений основных гидрологических характеристик режима водотока выполняется в соответствии с требованиями СНиПа 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик» [2] (до 01.01.2004), СП 33-101-2003 [3] (с января 2004 г.), а также рекомендациями Росгидромета.

11

1.2 Гидрологические расчеты

Гидрологические расчеты производятся на различных стадиях проектирования мостовых переходов и включают в себя:

- морфометрические расчеты по нахождению коэффициентов шероховатости русла и поймы;

- гидравлические расчеты при определении кривых зависимости Н = f(Q) (здесь Я- уровень воды, Q - расход воды);

- расчет ледовых нагрузок;

- волновые расчеты;

- расчет кривых обеспеченности среднегодовых и характерных уровней и расходов воды (включая максимальные);

- русловые расчеты по определению глубинных деформаций русла. Кроме вышеуказанных расчетов, в состав гидрологического отчета входят графические и плановые материалы:

- схема гидрографической сети бассейна реки;

- совмещенные профили русла реки;

- плановые материалы;

- схемы распределения скоростей и направлений течения;

- другие материалы.

Выбор значений расчетной характеристики, имеющей вероятностный характер, осуществляется на основе статистической обработки ряда ежегодных значений и расчетной вероятности превышения рекомендуемой таблицей 3 СНиПа 2.05.03-84 (Мосты и трубы) [4]. Для мостов и труб, проектируемых на дорогах I и II категории, она составляет 1 %, для дорог III, IV и V категорий - 2 %, для железных дорог 0.33 %.

«Оценка прогнозного развития вероятностного процесса должна осуществляться к концу расчетного периода службы сооружения» - это положение из п. 4.34 СП 11-103-97 требует дополнения:

12

а) экстремальное значение гидрологического параметра может наблюдаться в любой год расчетного периода, что следует из теории случайных процессов [5];

б) аварийная ситуация за расчетный период не всегда может совпадать по времени с моментом наблюдения экстремальной величины. Так, например, в эксперименте № 3 (р. Стрый - ж.д. мост) обрушение опоры произошло при расходе воды вероятностью превышения 9.1 %. Эта ситуация относится к теории вероятностного процесса для двух взаимозависимых величин, когда процесс размыва в русле является следствием прохождения максимальных расходов воды.

Эта ситуация описывается в теории случайных процессов Н. А. Картвел ишвил и [6], который указывает, что «исследовать деформации русла надо не при определенном Q^^ и не при определенном гидрографе паводка, а рассчитывать их на весь стохастический процесс речного стока за длительное время и говорить не о предельных глубинах размыва при том или ином паводке, а о распределении вероятностей глубин размыва».

Как следует из вышесказанного, все расчеты вероятностных характеристик необходимо производить статистическими методами с применением основных положений теории вероятностей.

Основное развитие теория вероятностей получила в работах Чебышева, Маркова, Ляпунова, Колмогорова, Гнеденко и др. [7, 8]. Наибольшее применение в гидрологии нашли кривые распределения случайной величины, которая показывает повторяемость или частоту их отдельных значений или группы значений.

Кривая распределения дает наглядное представление о законе распределения случайной величины. Если последовательно суммировать частоты статистического ряда от наибольшего его значения и выражать суммарное значение частот в процентах, то получим суммарную (интегральную) кривую обеспеченности (рисунок 1.1). Интегральные кривые распределения, или кривые обеспеченности, применимы к описанию распределений как непре-

13

рывных, так и прерывных, или дискретных, случайных величин, к которым относится и гидрологические ряды.

а)

4.5

3.5

2.5

1.5

1

0.5

0 i

0.2

0.4

0.6

0.8

б)

5 4 3 2 1 0

2 0

4 0 Р

6 0

8 0 % 1 0 0

Рисунок 1.1— Кривая распределения (а) и кривая обеспеченности (б) случайной величины х при Cs =2Cv

Параметры кривых распределения рассчитывают по стандартным формулам: - среднее арифметическое значение или первый начальный момент

14

J(l.l)

n

где Х; - значение характеристики за год;

п - число лет наблюдений;

- среднее квадратическое отклонение (или дисперсия) - второй центральный момент

и-1

(1.2)

- относительное среднее квадратическое отклонение называемое коэффициентом изменчивости или вариации

(1.3)

- коэффициент асимметрии

(1.4)

(n-l)-Cv3

где к- модульный коэффициент.

Для практического применения в гидрологии используются различные типы распределения, нормируемые СП [2, 3]. При надлежащем обосновании допускается применять и другие функции распределения вероятностей.

Наибольшее применение в гидрологии получила кривая распределения Пирсона III типа и ее модификация в виде распределения Крицкого-Менкеля.

15

При этом эмпирическая ежегодная вероятность превышения Р гидрологического параметра определяется по формуле:

(1-5)

по+\

где Р - вероятность превышения, выраженная в процентах; т - порядковый номер параметра в ряду; п0 - общее число членов ряда.

Сопоставление эмпирической кривой распределения и аналитической позволяет сделать вывод о правильности выбранных параметров распределения.

Статистической обработке подвергаются ряды наблюдений за расходами воды, уровнями, толщиной льда и другими гидрологическими величинами.

Если максимальные расходы и уровни воды наблюдаются в разные сезоны года, то для каждого сезона отдельно определяются статистические характеристики и по наибольшим значениям назначают габариты моста. Если при анализе гидрологического ряда невозможно выделить однородный ряд, то в качестве расчетной кривой распределения гидрологической характеристики принимается обобщенная кривая распределения. При этом ежегодная вероятность превышения для каждого значения гидрологической характеристики определяется по формуле:

P = (Pl+P2 -Pj .P2).1OO%, (1.6)

где Рх— вероятность характеристики в первом ряду; Р2- вероятность во втором ряду.

Кроме статистических расчетов при проектировании мостов используются другие виды расчетов:

16

- морфометрические;

- перенос расходов и уровней с водпоста в створ мостового перехода. Основные положения методов расчета мостовых переходов приведены

в работах О.В.Андреева и Г.А.Федотова [9, 10, 11, 12] , а также в методических рекомендациях и пособиях [13 ,14].

1.3 Методика гидравлических русловых расчетов мостовых переходов по программе «РОМА»

Согласно СНиП 2.05.3-84 (Мосты и трубы, п. 1.29) расчет общего размыва под мостами следует производить на основе решения уравнения баланса наносов и уравнения движения водного потока.

В конце 70-х годов методика о проектировании мостовых переходов получила значительное развитие в работах МАДИ. Разработаны детальные методы гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов, основанных на детальном решении уравнения баланса наносов и неравномерного течения, которые позволяли решать широкий круг инженерных задач. В последние годы успешно применяется компьютерная программа «РОМА», подготовленная инж. С. Э. Шпаком по методике проф. Г. А. Федотова, которая написана на языке Clarion для Windows 2.0 . Программа «РОМА» функционирует под управлением Windows 3.1 (и более поздних версий) и Windows 95/NT.

1.3.1 Назначение программы Решаемые задачи

Универсальная методика комплексного расчета деформаций русел и свободной поверхности потока, реализованная в виде программы для ПЭВМ «РОМА», предназначена для подробных гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и других гидротехнических сооружений на реках с

17

Список литературы