Принципы технико-экономического обоснования

оптимальных вариантов МП

ТЭО вариантов МП, как известно, выполняется в составе соответствующих расчетов при проектировании участка дороги в целом.

Сравнение вариантов производится по стоимостным показателям, включающим капитальные вложения и эксплуатационные затраты. Однако, не все показатели можно свести к стоимостным. Имеется еще ряд других, в частности социальные и экологические. Поэтому, задача сравнения вариантов МП зачастую является многокритериальной задачей.

Если исходить из стоимостных показателей, то типовой график их изменения в зависимости, например, от коэффициента общего размыва грунта под мостом будет иметь вид (рис. 27).

 

Рис. 27. Схема ТЭО мостового перехода

(а- зависимость коэффициента размыва от ширины

отверстия МП, б- зависимость стоимостных показателей

основных элементов МП от коэффициента размыва)

 

Тема 11

Основы гидрометрии

При проектировании и эксплуатации ГТС, включая, системы водоснабжения и водоотведения, мостовые переходы, водопропускные сооружения и пр., необходимо располагать определенным объемом информации о состоянии и гидрологическом режиме водного объекта. Эта информация получается в результате проведения систематических многолетних наблюдений, а также эпизодических гидрометрических работ.

Инженерная гидрометрия – это раздел речной или морской гидрологии, который рассматривает средства и методику наблюдений за гидрологическим режимом и состоянием водных объектов, связанных со строительством и эксплуатацией ГТС.

Основными задачами инженерной гидрометрии, как и гидрометрии в целом является:

- организация и проведение гидрологических наблюдений,

- обработка и первичный анализ материалов наблюдений.

Гидрологические наблюдения проводятся на гидрологических станциях и постах.

В зависимости от длительности наблюдений различают постоянные и временные станции и посты.

На постоянных станциях (постах) гидрологические наблюдения ведет Роскомгидромет – специализированная служба мониторинга природной среды, в частности, природных вод России. Кроме того, такие наблюдения ведут различные ведомства и организации, которые используют гидрологическую информацию в своей работе (например, министерства энергетики, транспорта и др.).

Временные гидрологические посты организуют, как правило, на 2…5 сезонов при проведении проектно-изыскательских работ по средним и крупным ГТС.

При массовом проектировании ГТС проводят кратковременные (в течении 1…2 сезонов) наблюдения в составе инженерно-гидрологических изысканий.

На постоянных станциях и постах ведутся следующие наблюдения:

- уровнем воды,

- расходом воды,

- температурой воды,

- ледовой обстановкой,

- расходом наносов,

- волнением,

- химическим составом воды.

Полный комплекс наблюдений ведется только на небольшом числе станций. Так, расходы наносов и химический состав воды наблюдаются не более чем на 10% от общего количества станций. Это дорогие виды наблюдений. Расходы воды на реках измеряются примерно на половине станций и постов.

Организация и проведение наблюдений на гидрологических станциях и постах регламентируется Наставлениями Роскомгидромета, действующих с 50…60 годов ХХ века.

Результаты гидрологических наблюдений после их анализа и обработки ежегодно публикуются в Гидрологических ежегодниках, которые являются частью единого Государственного водного кадастра России (ГВК).

На временных специализированных постах, организуемых при изысканиях, состав гидрологических наблюдений зависит от вида проектируемого ГТС, изученности и особенностей водного объекта. Но практически всегда измеряют уровень и расходы воды. Наряду с этими наблюдениями, при инженерно-гидрологических изысканиях проводятся следующие гидрометрические работы:

- промеры глубин,

- определение уклона водной поверхности,

- определение меток ГВВ и ГНВ,

- измерение скорости и направления течения воды,

- оценка степени размыва русла и берегов и др..

В задания на изыскания могут быть также включены:

- измерения расхода наносов,

- отбор проб и определение химического состава воды,

- морфометрические измерения дна русла.

Следует отметить, что при выборе местоположения гидрологического поста на водотоке необходимо учитывать следующие требования:

- максимально возможную близость к проектируемому или эксплуатируемому ГТС,

- прямолинейность водотока и отсутствие поймы на участке реки, в пределах которого устраивается пост,

- однозначность изменения площади живого сечения водотока,

- отсутствие бокового притока.

Приведем основную информацию по отдельным видам наблюдений.

Уровень воды (УВ) – высотное положение поверхности воды в абсолютных или условных (над нулем графика – плоскостью сравнения) отметках. Дается для конкретной точки водного объекта в конкретное время.

УВ измеряется на:

- на водомерном (основном) посту,

- на уклонных постах,

- на гидростворах, где измеряются расходы воды и наносов.

По конструкции водомерные посты подразделяются на реечные, свайные и реечно-свайные (комбинированные). Реечный пост- это вертикальная или наклонные размеченные рейки, установленные на устоях мостов, стенках шлюзов, плотин и т.п.

Свайные посты организуются на большинстве рек с пологими берегами. Он состоит из ряда свай диаметром 10…15 см, вкопанных поперек берега реки или водоема.

Схема реечно-свайного поста приведена на рис. 28.

Рис. 28. Реечно – свайный водомерный пост

 

УВ отсчитывается по переносной водомерной рейке, которая устанавливается на оголовок ближайшей затопленной сваи. Прибавляя этот отсчет к величине приводки, получим УВ над «0» графика поста. Приводка – это разность между отметкой оголовка сваи и «0» графика поста. Наблюдения за УВ ведутся ежедневно в 8 и 20 часов, а в периоды паводков чаще – до 6-8 раз в сутки.

С вопросом организации и проведения наблюдений за УВ можно детально ознакомиться в рекомендуемой литературе, например, в МУ «Учебная практика по гидрологии и гидрометрии». СПб, 2005.

Для непрерывной регистрации УВ применяют самописцы УВ типа «Валдай» или ГР-80. В них движение поплавка и УВ передаются на барабан с диаграммной лентой, вдоль которого с помощью часового механизма перемещается перо. Самописцы устанавливаются в колодцах или будках на берегу. В развитых странах получили распространение различного типа дистанционные устройства, в которых с заданной частотой измеряется УВ электроконтактным датчиком (сенсорного типа) и передается по сотовой связи на диспетчерский компьютер

Для измерения уклона водной поверхности также проводятся измерения УВ на специальных уклонных постах. Уклон необходимо измерять для определения расходов воды редкой повторяемости. Уклонные посты располагаются друг от друга таким образом, чтобы перепад УВ был не менее 0,2 м. В этом случае расстояние между постами составит от 200 м до 2 км. Организация уклонных постов и технология измерения уклонов воды на реках приведены в рекомендуемой литературе. Следует отметить важность измерения уклонов при каждом измерении расхода воды или наносов.

Измерение глубин. Глубина воды (ГВ) – это расстояние от поверхности до дна водного объекта. Измеряется она с целью построения плана глубин на рассматриваемом участке, а также для определения площади поперечного сечения реки.

Промерные работы необходимы для обеспечения судоходства, лесосплава, проектирования и эксплуатации ГТС.

В состав промерных работ, кроме измерения глуьин, входит определение в плане положения каждой промерной вертикали, т.е. вертикали, где измеряется глубина воды. При ширине потока до 300 м и скорости до 1.5 м/с это делается по тросу, который протягивается через промерный створ реки. В иных случаях применяются геодезические способы, например, способом засечек с помощью теодолита, мензулы или нивелира.

Для измерения глубин применяют:

-металлическую или деревянную наметки (до 5 м),

- ручные или механические лоты,

- ультразвуковые эхолоты.

Наметка – это шест с разметкой, Лот – груз 2…5 кг, опускаемый на размеченном тросе вручную или с помощью лебедки.

Эхолот – прибор, основанный на регистрации отраженного от дна ультразвукового сигнала. GPS – навигатор позволяет в комплекте с эхолотом определить местоположение промерной вертикали. Устанавливается на катере или лодке, которые при промерных работах на рассматриваемом участке водного объекта продвигается по створам или «галсами».

К основным особенностям современных профессиональных эхолотов относят:

совмещение GPS навигатора, картплоттера и эхолота в одном устройстве;

подключение к ПК для обмена точками и обновления внутренней программы;

встроенный датчик температуры воды и возможность подключения датчика скорости;

возможность подключения погодного датчика давления, и ПК.

После обработки данных по глубинам воды, их наносят на план реки и проводят линии равных глубин – изобаты. Кроме того, для промерных створов строят поперечные профили, определяют площадь водного сечения, среднюю глубину, смоченный периметр, гидравлический радиус (рис.29). При использовании эхолотов, подключенных к ПК, указанные работы выполняются автоматически по специальным программам, а при необходимости в объемном режиме 3D.

Рис. 29. Поперечный профиль реки

Определение скорости течения и расходов воды. Наряду с УВ, расход воды является основной характеристикой потока, используемой для определения расчетный его значений, от которых зависят параметры конструкций систем водоснабжения и водоотведения.

Как известно, под расходом воды понимается объем воды, протекающий через рассматриваемое поперечное сечение потока в ед. времени (1 с),

Таким образом, для его определения необходимо:

провести промеры глубин в рассматриваемом створе – гидростворе,

измерить скорость потока.

Скорость потока измеряется различными способами:

поплавками,

гидрометрической вертушкой,

ультразвуковым способом,

электромагнитным измерителем скорости течения,

Поплавочный способ состоит в измерении скорости прохождения поплавков. Выше и ниже основного гидроствора закрепляют на местности 2 створа. Выше верхнего створа запускают поплавки и фиксируют время и местоположение их прохождения через дополнительные створы. Это делают наблюдатели на берегу. При большой ширине потока местоположение поплавков фиксируют теодолитом с берега или же секстантом с катера. Применяются как поверхностные, так и глубинные поплавки.

Наиболее распространенным и точным прибором для определения скорости течения воды являются гидрометрические вертушки, напримертипа ИСП-1, основанные на измерении частоты вращения лопасти вертушки (частоты импульсов) пропорциональной скорости течения.

Вертушка закрепляется на гидрометрической штанге с указателем положения (или опускается на тросе с помощью лебедки).

Скорости течения определяются по основному гидроствору на скоростных вертикалях, которые выбираются в местах перелома поперечного профиля дна реки. На каждой скоростной вертикали находим:

глубину воды,

количество возможных точек измерения скорости на вертикали; как правило. до 5 (1, 2, 3 или 5),

глубину расположения каждой точки на вертикали (табл.П.1). В положении «поверхность» и «дно» ось вертушки должна находится на глубине от поверхности воды или дна не менее чем на 10 см.

Устанавливаем вертушку на заданную глубину и включаем счетчик импульсов. Через 1…2 мин на дисплее определяем скорость течения. Измерения проводятся в 2…3-кратной повторности. Разница в частоте вращения по повторностям не должна отличатся более чем на 2…5%.

Рассчитываем среднюю скорость течения по вертикали:

при одноточечном измерении

V_с = V_{0,6 h},

при двухточечном измерении

V_с = 0,5*(V_0,3h + V_0,8h),

При трехточечном измерении

V_с = 0,1 * (3*V_пов + 5*V_0,6h + 2*V_дно).

Электромагнитный измеритель скорости течения основан на измерении напряженности электромагнитного поля, которое изменяется пропорционально скорости движения воды, обтекающий датчик. Способ перспективный, но, к сожалению отечественная промышленность их уже не выпускает.

Ультразвуковой способ также весьма перспективен. Это тот же эхолот, фиксирующий отраженный сигнал с противоположного берега. Приемник и датчик эхолота погружают у берегов под уровень воды. Таким образом, определяют интегральная скорость течения по ширине реки.

После определения скорости потока вычисляется расход воды. Для этого применяют, как правило, графоаналитический способ.

Суть графоаналитического способа состоит в том, что по результатам промеров глубин строится поперечный профиль реки. По данным измерения скоростей строятся эпюры распределения скоростей по вертикали и ширине реки. Причем для построения эпюры по ширине потока берутся средние скорости по вертикали. Для каждой промерной вертикали вычисляются элементарные расходы воды по формуле : q = V * h (где h – глубина) и строится эпюра распределения элементарных расходов по ширине реки Рис. 30). Наконец, суммируются элементарные расходы через площади треугольников и трапеций в пределах эпюры элементарных расходов и определяется расход воды.

Рис. 30.

 

Для определения расхода воды для метки ГВВ, когда нет измерений скорости воды, скорость потока вычисляется по формуле (Шези, используя данные измерений уклона поверхности и коэффициента шероховатости русла и поймы.

Направления течения воды, необходимые для выбора правильного местоположения водозабора или выпусков сточных вод, наиболее часто определяются поплавочным или аэрометрическим (для больших рек) способами. Эти работы целесообразно проводить при высоких и низких горизонтах воды (на подъеме, пике и спаде половодья и паводка), а также в межень.

Расход наносов. Расход наносов – это масса взвешенных и донных наносов, проходящих через рассматриваемое поперечное сечение потока в ед. времени: Qн = 0,001 * ρ * Q (кг/с), где ρ - средняя мутность потока, г/м3.

Величину мутности определяют на скоростных вертикалях с помощью батометра – прибора для взятия проб на мутность воды в потоке. Наиболее распространенным батометром в России является батометр Молчанова, состоящий из двух емкостей, которые опускаются на заданную глубину. Там открываются запорные крышки и производится забор воды. После этого крышки закрываются и батометр поднимают. Пробы воды сдаются на анализ количества и механического состава наносов. Таким образом, определяется мутность воды и расход наносов.

Измерения расходов наносов производится по 2…3 раза на подъеме, спаде половодья и паводка, а также в периоды межени. По измеренным значениям ρ, Q и G строятся кривые связи, по которым определяются значения расходов и сток наносов за сутки, месяцы, сезоны и год.

Химический и бактериологический состав воды, забираемой для коммунального и промышленного водоснабжения, определяется с целью оценки качества воды и необходимости её подготовки перед использованием. Заборы проб воды на химанализ производят также в характерные периоды гидрологического года (аналогично отборам проб на мутность воды).

Наблюдения за ледовой обстановкой на гидрологических станциях и постах ведутся ежедневно или раз в 3…5 дней в зависимости от хпрпактера развития ледовой обстановки на участке реки протяженностью до 0,5…1 км. При этом отмечаются условия и сроки образования и разрушения ледяного покрова, рост толщины льда, характер его пов5рхности, наличие снега, образование внутриводного льда и шуги.

Наблюдают также за густотой осеннего и весеннего ледохода, заторами и зажорами на реке.

Данные по ледовому режиму водного объекта необходимы для обоснования выбора конструктивных элементов ГТС и разработке мероприятий по борьбе с отрицательным влиянием ледовых явлений на работу этих сооружений. В частности, ледохода - на опоры мостов, водозаборные сооружения и т.д. Крайне негативное влияние оказывает внутриводный лед на работу ГТС. Забиваются решетки водоприемников и водозаборов, что ведет к остановке турбин и отключению водопроводных систем.

 

Тема 12

Гидротехнические сооружения

1. Основные положения

Гидротехническими сооружениями (ГТС) называются инженерные сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов или же для борьбы с вредным воздействием природных вод (паводки, размывы и пр.) В отличие от других видов сооружений, ГТС подвержены статическому и динамическому воздействию поверхностных и подземных вод. Их разрушение, особенно напорных сооружений, может привести к катастрофическим социально-экономическим и экологическим последствиям.

В области водоснабжения и водоотведения основны­ми вопросами, которыми занимается гидротехника, являются опти­мальное использование существующих источников водоснабжения, изменение при необходимости естественного водного режима водо­токов, создание искусственных запасов воды и прокладка новых водотоков, очистка стоков, защита окружающей среды от возмож­ных негативных последствий гидротехнического строительства и эксплуатации промышленных предприятий, в частности от загряз­нения сточными водами рек и водоемов.

Для решения этих вопросов строят комплекс гидротехнических сооружений — гидроузел.

В соответствии с назначением различают: энергетические, транс­портные, водозаборные и водохранилищные (регулирующие сток) гидроузлы.

При наличии в составе гидроузла водоподпорных со­оружений гидроузел называют напорным, при их отсутствии — безнапорным. В настоящее время в большинстве случаев крупные гидроузлы строят комплексными, т. е. удовлетворяющими запросы нескольких отраслей экономики.

В состав гидроузла, кроме гидротехнических, входят и негидро­технические сооружения, необходимые для нормального его функ­ционирования, например, вспомогательные здания и сооружения.

Основными гидротехническими сооружениями являются: плоти­ны, дамбы, водозаборные сооружения, судоходные, магистральные и оросительные каналы, водосбросные сооружения, туннели, трубопроводы, коллекторы, различные типы бассейнов, резервуаров и емкостей, накопители отходов промышленных про­изводств, регуляционные (выправительные) сооружения, здания гидроэлектростанций, шлюзы, судоподъемники и причалы, насос­ные станции, охлаждающие устройства в системах оборотного во­доснабжения, рыбопропускные и рыбозаградительные сооружения.

Второстепенными гидротехническими сооружениями являются временные причалы, перемычки, отводные каналы, ремонтные за­творы и др

Классификация ГТС.

По виду водных объектов различают:

а) морские, б) речные, в) озерные ГТС.

По целевому назначению различают ГТС:

а) общего назначения, т.е. используемые всеми отраслями экономики.

б) специальные ГТС, используемые для нужд одной отрасли (мелиоративные, транспортные, энергетические и пр.).

По условиям использования:

а) постоянные

б) временные.

Постоянные ГТС подразделяются в свою очередь на:

а) основные (авария ГТС приводит к остановке объекта или к существенному снижению эффективности его действия),

б) второстепенные – выход из строя позволяет продолжать эксплуатацию ГТС.

Постоянные гидротехнические сооружения по капитальности делят на четыре класса. Класс устанавливают в соответствии с требованиями СНиПа по значению объектов в экономике, последствиям возможной аварии или нарушения их эксплуатации. При обосновании класса гидротехнического сооруже­ния принимают во внимание наличие в зоне возможного затопле­ния населенных пунктов, промышленных предприятий и транспорт­ных магистралей, а также высоту сооружения, геологическое строение грун­тов основания и другие факторы. Так, к 1-ому классу относят высоконапорные плотины на скальном основании, имеющие высоту свыше 100 м, к 4-ому классу – плотины, шлюзы, здания ГЭС, построенных на пластичных глинах и имеющую высоту менее 10…15 м.

Плотины

Плотины – водоподпорные ГТС, перегораживающие водоток и его долину и служащие для создания запасов воды в запасных водохранилищах или же для снижения максимальных расходов воды в реке (противопаводковые водохранилища).

В процессе эксплуатации плотины испытывают различные постоянные и кратковременные нагрузки, которые предопределяют выбор конструкции и параметров плотин. На рис. 31 представлена схема основных нагрузок на плотину.

К постоянным нагрузкам относят:

Wв – гидростатическое давление со стороны верхнего бьефа при отметке уровня воды в нем, равной НПУ.

Wнб - тоже, но со стороны нижнего бьефа,

G –вес сооружения,

Wвзв – взвешивающее (архимедово) давление снизу,

Wф – фильтрационное давление снизу,

Wн – давление наносов, накопляемых у плотины.

К кратковременным нагрузкам следует отнести:

Wл – давление льда,

Wвол – волновое давление,

Wдин – динамическое давление от сброса воды в НБ.

 

 

 

Рис. 32. Элементы грунтовой плотины

1 - водоупор

2 - основание

3 - 4 - верхняя-нижняя призмы

5 - противофильтрационное устройство в теле

6 - то же в основании

7 - дренажное устройство

8 - бермы

9 - крепление откоса

10 - гребень

 

Суммарное воздействие всех видов указанных нагрузок рассматривают как основное сочетание нагрузок. Кроме того, необходимо в расчетах предусмотреть и особое сочетания нагрузок, состоящее в том, что наряду с основными нагрузками необходимо учесть и нагрузки, возникающие в чрезвычайных условиях. Например, при гидростатическом давлении со стороны ВБ при ФПУ, при нарушении работы противофильтрационных устройств, при сейсмическом воздействии на плотину – Wс, т.е. при землетрясениях.

 

УНБ

 

 

Рис. 31. Нагрузки на плотину

 

Постоянные:

G - вес сооружения

Wв - гидростатическое давление со стороны ВБ при НПУ

Wнб - то же со стороны НБ

Wвзв - взвешивающее давление

Wф - фильтрационное давление

Wн - давление наносов

Кратковременные

Wл - давление льда

Wвол – волновое давление

Wдин - динамическое давление от сброса воды

Критические

Wв - при ФПУ

Wф - при нарушении работы противофильтрационных

устройств

Wс - сейсмическое воздействие

 

В зависимости от величин и сочетания всех указанных нагрузок производят расчеты устойчивости плотины согласно указаниям СНиПа 2.06.06 – 85, в котором рекомендуется применять метод предельных состояний для двух условий:

а) непригодности плотины к нормальной эксплуатации,

б) полной непригодности плотины вследствие её разрушения.

По виду материала тела плотины различают:

грунтовые, бетонные, ж/бетонные, деревянные, металлические, полимерные.

По условиям пропуска воды через плотину их подразделяют на:

а) глухие (сброс в НБ не предусматривается),

б) переливные (сброс воды осуществляется через гребень и водопропускные сооружения),

в) фильтрующие (фильтрующие расходы воды через тело плотины соизмеримы по величине со сбросами через водопропускные сооружения).

Грунтовые плотины (ГП).

ГП возводятся из местного грунта или из грунтов ближайших карьеров.

К преимуществам ГП можно отнести:

а) невысокую стоимость строительного материала – грунта,

б) возможность строительства в любых гидрогеологических условиях - на скальных и нескальных основаниях,

в) грунт практически не теряет своих свойств со временем,

г) возможность возведения плотины любой высоты на основе высокомеханизированных технологий.

Недостатки грунтовых плотин:

а) ограниченность возможности сброса воды через гребень плотины,

б) наличие в теле плотины фильтрационных потоков,

в) сложность укладки грунтов в тело плотины при длительных отрицательных температурах воздуха.

По способу строительства плотин различают:

а) насыпные – отсыпка грунта по слоям насухо или в воду,

б) намывные - подача грунта в виде пульпы из карьера,

в) методом направленных взрывов.

Для строительства грунтовых плотин используют практически все типы грунтов. При этом объем воднорастворимых солей, хлоридов и сульфатов не должен превышать 2%, а органических включений – 8%. Предпочтение отдается супесчаным грунтам.

Конструктивные элементы грунтовых плотин приведены на рис.32.

В грунтовых плотинах, которые выполнены их хорошо проницаемых материалов, необходимо предусматривать строительство противофильтрационных устройств (ПФУ).

Они предназначены:

а) для уменьшения фильтрационных утечек через тело плотины,

б) для повышения устойчивости низового откоса тела плотины.

При больших фильтрационных потоках, которые будут выклиниваться на низовом откосе, происходит его разрушение с потерей устойчивости всей плотины.

ПФУ могут быть выполнены из любых материалов, обладающих низкими фильтрационными свойствами.

На рис. 33 представлены основные типы ПФУ:

В теле плотины различают ПФУ:

а) с прямым и наклонным ядром,

б) экраном,

в) диафрагмой.

В основании плотины в качестве ПФУ устраивают:

а) т.н. зуб,

б) шпунтовую стенку,

в) цементную завесу (цементный, битумный, глинистый раствор закачивается в скважины),

г) понур - из бетона, глины, суглинки, пленки (для увеличения пути фильтрации).

 

 

Рис. 33. Противофильтрационные устройства

В теле плотины: 1 – прямое ядро, 2 – наклонное ядро

3 - экран, 4 – диафрагма

В основании: 5 – зуб, 6 – шпунтовая стенка,

7 - цементная завеса, 8 - понур

 

 

Необходимым элементом грунтовых плотин являются дренажные устройства (ДУ). Они предназначены для приема и отвода воды и имеют повышенную водопроницаемость по сравнению с прилегающим грунтом. Цель их строительства – исключить разрушение нижнего откоса из-за выпора грунта и выноса мелких частиц – суффозии грунта.

В задачу ДУ входит понижение кривой депрессии фильтрационного потока и недопущение её выхода на нижней откос плотины.

Различают следующие виды ДУ (рис. 34):

а) наслонный (он не понижает кривую депрессии, но защищает нижний откос от фильтрационных деформаций - выпора, суффозии). Отсыпают в виде обратного фильтра,

б) дренажная призма – банкет,

в) плоский дренаж,

г) трубчатый дренаж.

Для обоснования конструкций и расчета ДУ применяют:

а) экспериментальные физические модели. (они строятся и используются в лабораторных условиях),

б) метод ЭГДА,

в) гидромеханические формулы.

 

 

Рис. 34. Дренажные устройства в грунтовой плотине

а) Наслонный дренаж б) Дренажная призма

в) Плоский дренаж г) Трубчатый дренаж