Глава 5. ВОДНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ГАБАРИТЫПУТИ
Исследования и изыскания на водных объектах имеют комплексный характер и проводятся в интересах различных отраслей народного хозяйства. В первую очередь это бывает необходимо при проектировании и строительстве различных водохозяйственных систем и гидротехнических сооружений на реках, озерах и водохранилищах. Материалы водных исследований используются для обеспечения работы водного транспорта, при проведении мелиорации, при организации водоснабжения и для целей рыбного хозяйства.
Гидрологические характеристики водных объектов, а также их размеры: глубины, очертания береговой полосы и русловых форм непрерывно изменяются c течением времени. Поэтому для решения практических вопросов необходимо иметь данные наблюдений за периоды времени от 10 до 50 лет. Основные гидрологические материалы могут быть получены по данным регулярных наблюдений на гидрологических постах. Наряду с государственными и ведомственными станциями и постами изучение вод ведется также путем организации экспедиций. Экспедиционные исследования выполняются различными ведомствами и охватывают широкий круг вопросов: промеры глубин в водоемах, русловые съемки, гидрологические и гидрометеорологические наблюдения и др. Такие исследования – эффективное средство для быстрого получения гидрологических данных. Работы, осуществляемые экспедиционными методами, называются водными изысканиями.
Изыскания, выполняемые на водоемах в связи со строительством гидротехнических сооружений, носят название гидротехнических изысканий. В зависимости от целей гидротехнического строительства они подразделяются на водноэнергетические, воднотранспортные, лесосплавные и др.
Воднотранспортные изыскания производят для получения материалов, необходимых как для проектирования и строительства различных объектов на водном транспорте, так и для эксплуатации водных путей. В состав воднотранспортных изысканий входят следующие виды работ: топографические, геодезические, гидрографические, гидрологические, метеорологические и другие.
Главной целью топографических и геодезических работ является получение планов береговых участков. Эти работы представляют основу для выполнения других видов работ.
Гидрографические работы заключаются в промерах глубин рек и водоемов, изучении уклонов водной поверхности. Планы, полученные в этом цикле работ, называются гидрографическими планами.
Гидрологические работы включают наблюдения за уровнями воды, измерение скоростей течения и расходов воды, изучение стока влекомых и взвешенных наносов, наблюдения за деформациями дна и берегов, изучение волнения водной поверхности и другие виды работ.
В зависимости от стадии проектирования, степени подробности, методики производства и характера исследуемых объектов воднотранспортные изыскания подразделяют на облегченные, подробные и специальные.
Облегченные изыскания выполняют на больших по протяженности участках рек, а также на озерах и водохранилищах для разработки рекомендаций по их транспортному освоению. Они характеризуются измерениями глубин в отдельных точках и позволяют установить лишь общую конфигурацию донного рельефа.
Подробные гидрографические изыскания предназначены для обоснования проектов гидротехнических сооружений, проектов путевых мероприятий и т.д. К ним относятся эксплуатационные съемки, выполняемые на внутренних водных путях. Подробные изыскания выполняют на ограниченных по протяженности участках рек.
Специальные гидротехнические изыскания производятся под рабочую документацию гидротехнических сооружений. Гидрографические съемки в данном случае выполняются в более крупных масштабах, чем при других видах изысканий.
Все виды работ, выполняемые на водных изысканиях, подразделяются на полевые и камеральные. Для проведения полевых работ создаются специальные экспедиционные партии и отряды. Эксплуатационные изыскания на внутренних водных путях осуществляют производственные объединения пути, имеющие в своем составе специализированные и русловые изыскательские партии. За каждой партией закрепляется определенный участок реки, в пределах которого они выполняют свои работы. Изыскательские партии оснащаются плавсредством – несамоходной брандвахтой для проживания и необходимым оборудованием и инструментом для производства гидрографических работ. Перестановку брандвахты с одного участка реки на другой осуществляет буксировщик.
Одновременно с полевыми работами выполняется необходимая первичная камеральная обработка. Окончательно материалы исследований обрабатываются и оформляются по завершении полевого сезона в стационарных лабораториях.
Изыскания, выполняемые для нужд водного транспорта, позволяют получить материалы для изучения руслового и гидрологического режимов реки. По этим данным контролируется состояние судовых ходов и разрабатывается необходимая документация для проектирования путевых мероприятий, оценивается эффективность путевых работ, а также составляются и корректируются навигационные пособия.
Плановая и высотная съемки
Гидрографические изыскания проводят на затруднительных для судоходства участках рек с целью получения необходимых материалов для разработки на их основе рекомендаций по обеспечению и улучшению судоходных условий. Подготовительная работа заключается в создании планового и высотного обоснования на участке. С использованием пунктов этого обоснования производятся плановая и высотная съемки участка реки. Эти пункты используются также при проведении других видов полевых работ.
Для производства исследований на участке реки разбивают опорную сеть. Она представляет собой систему закрепленных на местности пунктов – сваек и реперов. Эти точки устанавливают на местности по обоим берегам реки на характерных изломах местности. От точки к точке прокладывают магистральные ходы. При этом выполняют следующие виды работ. Для создания опорной сети необходимо обеспечить видимость каждой ее точки по меньшей мере с двух соседних пунктов, поэтому в случае необходимости производится рубка просек на залесенных берегах реки. С помощью геодезических инструментов – мерной ленты или дальномера измеряются расстояния между пунктами планового обоснования.
Для вычисления координат пунктов планового обоснования с помощью теодолита измеряются горизонтальные углы между магистральными линиями хода. Теодолит (рис. 5.1) – оптический прибор, укрепленный на штативе, позволяет с высокой точностью измерять на местности горизонтальные и вертикальные углы.
В ходе наблюдений теодолит последовательно устанавливается на каждом из пунктов планового обоснования, а результаты измерений записываются в специальном журнале.
Камеральная обработка заключается в вычислении координат пунктов магистрального хода. При этом оцениваются погрешности измерений углов и длин хода. Если они окажутся больше допустимых величин, то полевые измерения производятся повторно. После получения координат пунктов планового обоснования они наносятся на планшет в определенном масштабе в зависимости от вида изысканий.
Плановая съемка предусматривает получение конфигурации исследуемого участка в плане. Для этого на планшет наносится положение уреза, знаки навигационного ограждения, очертания берегов и другие характерные особенности рельефа. Основным видом плановой съемки является мензульная съемка, применение которой значительно сокращает время на камеральные работы по составлению планов.
Мензула состоит из кипрегеля, представляющего собой укрепленную на плоском основании – линейке оптическую трубу с горизонтальной осью вращения и планшетной доски на штативе (рис. 5.2).
Перед съемкой мензула центрируется над точкой планового обоснования, координаты которой нанесены на планшете. Затем планшетная доска приводится в горизонтальное положение и ориентируется по странам света. Вращением линейки кипрегеля относительно места стоянки на планшете отмечается направление на устанавливаемую в характерных местах геодезическую рейку с делениями. Расстояния до этих точек определяются по оптическому дальномеру и откладываются в масштабе на планшете.
После завершения съемки с одного пункта планового обоснования мензульный комплект переносится и устанавливается над другим пунктом. Соединяя одноименные точки съемки плавными линиями, получают плановую картину участка непосредственно в полевых условиях в заданном масштабе. Местоположение неприступных точек на плане определяют засечками с нескольких пунктов планового обоснования. На рис. 5.3 представлена схема мензульной съемки.
Рис. 5.3. Схема мензульной съемки:
М, М1, М2… – положение пунктов планового обоснования
В некоторых случаях съемка может осуществляться с помощью теодолита. При этом объем камеральных работ увеличивается.
Для получения отметок уровней воды и топографической съемки береговой полосы производят высотную съемку участка. Подготовительная работа заключается в создании высотного обоснования. Работы по высотному обоснованию выполняются с помощью специального геодезического прибора – нивелира, который позволяет получать превышения характерных точек местности относительно друг друга. Нивелир представляет собой установленную на штативе оптическую трубу, имеющую вертикальную ось вращения. С помощью цилиндрического уровня ось трубы может приводиться в горизонтальное положение. Для определения превышения одной точки над другой нивелир располагают посредине расстояния между этими точками и снимают отсчеты по нивелирным рейкам, установленным в точках наблюдения (рис. 5.4). Разница отсчетов по рейкам дает величину превышения. Так могут быть получены отметки у всех пунктов обоснования. Исходными точками для нивелирования яв
 |
ляются реперы, привязанные к государственной опорной сети.
При топографической съемке береговой полосы плановое и высотное положение характерных точек рельефа обычно определяют одновременно в ходе мензульной съемки. Это позволяет получить план участка в горизонталях – линиях равных высот. Ширина береговой полосы русловых съемок составляет 100-200 м от пойменной бровки. Кроме береговой полосы на план наносятся русловые образования – косы, побочни и острова, а также отдельно стоящие объекты на берегах, которые могут служить дополнительными ориентирами для судоводителей.
Для изучения уклонов свободной поверхности на участке реки выполняют однодневную связку уровней воды. С этой целью в определенный момент времени в характерных местах по берегам реки – в районе перекатов и плесовых лощин забиваются урезовые колья вровень с поверхностью воды. Затем нивелированием определяются отметки этих кольев. Это позволяет построить продольный профиль и определить уклоны свободной поверхности на участке. Выполняя такие измерения несколько раз в течение навигации, можно исследовать уклоны воды при различных наполнениях русла.
При составлении планов и карт протяженных участков рек используются данные аэрофотосъемки.
Промеры глубин
Промеры глубин выполняют для получения материалов, характеризующих подводный рельеф дна водоема. Промерные работы составляют один из важнейших разделов водных изысканий. Они позволяют выявить и нанести на план участка положение глубоких и мелких мест в русле реки. По этим данным разрабатываются необходимые мероприятия для обеспечения судоходных условий. Подводный рельеф дна водоемов на планах изображается в горизонталях или изобатах – линиях равных глубин.
Промеры ведут по линиям, пересекающим водоем на определенном расстоянии друг от друга. Эти линии называются галсами или промерными профилями. По отношению к направлению течения реки галсы бывают поперечными, продольными и косыми. На практике обычно применяются поперечные галсы. Отдельные точки на галсах, в которых измеряются глубины, называются промерными точками. Плановое положение промерных точек служит для составления плана участка реки. Существует несколько способов проложения галсов. На реках поперечные галсы чаще всего прокладывают по береговым створам, а на озерах и водохранилищах – по компасу.
Промерные работы на водоемах осуществляются с помощью специально оборудованного промерного судна, катера или мотолодки. В зависимости от технического оснащения и способа производства работ промерный отряд состоит обычно из 4-6 человек. Часть отряда размещается на промерном судне, управляет его движением и осуществляет измерение глубин. Другая часть с помощью геодезических инструментов, установленных на берегу, производит координирование промеров – определение планового положения промерного судна в момент измерения глубин. Допускается также измерение глубин в зимний период со льда водоема. Однако эти промеры являются наиболее трудоемкими.
При гидрографических работах применяют следующие основные способы определения планового положения промерных точек: без инструментальных засечек; с инструментальными засечками; с применением спутниковых систем координирования промеров.
При облегченном виде изысканий допускается проведение промеров глубин без координирования. В этом случае необходимо обеспечить равномерное движение промерного судна на галсе, а измерение глубин следует производить через равные интервалы времени. На плане измеренные глубины наносятся равномерно по длине галса от уреза до уреза между начальной и конечной точками. Такой способ удовлетворяет требованиям рекогносцировочного промера.
Более точные материалы получаются при координировании промеров с помощью геодезических инструментов. При определении местоположения промерного судна можно пользоваться либо одним инструментом – мензулой, либо двумя – мензулой и теодолитом. В первом случае при подготовке к промеру необходимо предварительно разбить на местности положение промерных галсов. В ходе промера глубин на этих точках устанавливаются специальные створные вехи, по которым ориентируется судоводитель. Тогда плановое положение промерного судна в любой момент времени будет определяться пересечением двух линий: направлением галса и направлением визирной оси кипрегеля в момент засечки с одного из пунктов планового обоснования М с известными координатами (рис. 5.5, а). После прохождения галса промерным судном створные вехи устанавливаются на следующем галсе.
В случае использования двух геодезических инструментов при координировании не требуется предварительной разбивки промерных галсов на берегу. Теодолит и мензула устанавливаются на двух пунктах обоснования с известными координатами соответственно в точках Т и М (рис. 5.5, б).
Промерное судно в этом случае движется по свободным галсам. Его плановое положение в момент измерения глубины определяется пересечением двух линий – визирных осей теодолита и кипрегеля. Свои засечки наблюдатели на берегу производят одновременно по команде, подаваемой с промерного судна по рации или с помощью флагов-отмашек.
В последние годы все большее применение на водных изысканиях находят спутниковые системы координирования промеров. Наибольшее распространение получили приборы, работающие в глобальной позиционной системе (GPS), принадлежащей США, и системы ГЛОНАСС, находящейся в ведении России. Такая система содержит обычно два спутниковых приемника, один из которых располагается на движущемся промерном судне, а другой, называемый базовой станцией, на берегу.
С береговой станции осуществляется непрерывная передача собственных координат на бортовой комплекс, что позволяет значительно повысить точность определения планового положения промерного судна на водной акватории. Применение таких систем наиболее эффективно при выполнении промеров глубин на широких водных пространствах – на озерах и водохранилищах. Их использование позволяет уменьшить численность промерного отряда, что приводит к резкому повышению производительности труда на водных изысканиях.
Измерение глубин можно производить наметкой, лотами и эхолотом.
Наметка представляет собой деревянный шест круглого сечения длиной 3.5-6 м и диаметром 5-6 см. На наметке краской наносится разметка с дециметровыми делениями, считая от ее нижнего конца – пятки. Пятка снабжена металлическим башмаком, предохраняющим наметку от продавливания в грунт при измерении глубины. Наметкой измеряют глубины до 5 метров с точностью до 5 см. В настоящее время при измерении глубин наметки используются редко, так как это требует применения ручного труда.
Лоты бывают ручные и опускаемые с лебедки (рыбалоты). Ручной лот состоит из груза массой до 4 кг, подвешенного на капроновом или пеньковом канате (лотлине) диаметром 6-8 мм и длиной до 30 м. Лотлинь размечается на деления через 0.1-0.2 м.
Лот применяется для промеров на озерах и водохранилищах. Точность этого способа ниже и составляет 0.1-0.2 м. Снижение точности измерений происходит за счет прогиба каната и сноса лота течением.
При больших глубинах и скоростях течения более 1 м/с для измерения глубин используется рыбалот. Он состоит из металлического груза обтекаемой рыбовидной формы массой до 30 кг и стального маркированного троса. При измерении глубины груз опускается на дно и в момент касания считывается значение глубины по тросу или по счетчику, установленному на лебедке. Затем груз немного приподнимается и поддерживается в подвешенном состоянии до следующей промерной точки.
Эхолот основан на использовании гидроакустического способа измерения глубин. Сущность измерения заключается в определении времени прохождения ультразвукового сигнала от источника излучения до дна водоема и обратно к приемнику (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Схема измерения глубин эхолотом:
И – излучатель; П – приемник ультразвуковых сигналов
Ультразвуковой сигнал излучается в виде узкого направленного пучка и способен отражаться от твердых поверхностей. Таким образом, зная расстояние между излучателем и приемником и скорость распространения ультразвука в воде, измеряемая глубина может быть найдена по формуле
(5.1)
где: С – скорость распространения ультразвука в воде;
t – время прохождения сигнала от излучателя до приемника;
l – база прибора – половина расстояния от излучателя до приемника.
Конструкция эхолотов одного типа позволяет непрерывно измерять глубины по ходу движения промерного судна и автоматически записывать их в масштабе на бумажную ленту – эхограмму. На эхограмме специальными оперативными отметками указываются глубины, измеряемые в момент координирования планового положения промерного судна. В современных эхолотах другого типа измеряемые глубины представляются на индикаторе в цифровом виде, а их хранение обеспечивается на различного рода магнитных носителях – лентах или дисках. Точность измерения глубин эхолотом в диапазоне 0.2-20 м составляет 0.05-0.1 м.
На рис. 5.7 показана функциональная схема современного промерного комплекса для производства водных изысканий.
Рис. 5.7. Функциональная схема промерного изыскательского комплекса
5.4. Составление плана участка реки
хода. Камеральная обработка промеров производится с целью составления гидрографических планов. При этом глубины, измеренные при разных рабочих уровнях воды, приводятся к определенному условному (срезочному) уровню воды. Обычно в качестве срезочного уровня принимают так называемый проектный уровень путевых работ, к которому относится (привязывается) транзитная глубина судового
Отметка проектного уровня на участке пути устанавливается по кривой среднемноголетней обеспеченности по опорному гидрологическому посту. Значения обеспеченности проектного уровня принимают для I группы путей 95-99%, для П группы – 90-95%, для Ш-IV групп – 80-90%. От положения проектного уровня зависят затраты по поддержанию рек в судоходном состоянии и экономические показатели работы транспортного флота. На больших судоходных реках он близок к низкому навигационному уровню маловодных лет. На бесприточном участке реки проектный уровень, назначенный по опорному гидрологическому посту, переносится на соседние посты путем построения графиков связи соответственных уровней воды. Кроме этого определяются отметки проектного уровня по всем постам и реперам, расположенным по длине судоходного плеса.
Обработка эхограмм, полученных в ходе промеров, заключается в выборе характерных значений глубин, которые будут нанесены на план, и приведении измеренных глубин к проектному уровню воды. Вычисления производятся по формуле
(5.2)
где: hприв – приведенная глубина в промерной точке при проектном уровне воды, м;
hраб – глубина при рабочем уровне воды, м;
DНс – величина срезки глубин, т.е. разница между отметками рабочего Нраб и проектного Нпр уровней воды, м.
Величина срезки подставляется в эту формулу с учетом знака (при Нраб>Нпр значение DНс > 0, а при Нраб<Нпр значение DНс<0. Графически схема определения срезки у репера приводится на рис. 5.8.
После обработки журнала промера глубин на план участка наносятся закоординированные промерные точки с соответствующими значениями приведенных глубин. Плановое положение промежуточных промерных точек, глубины в которых измерялись без координирования, определяется интерполяцией между закоординированными точками с учетом направления движения промерного судна. Глубины в этих точках выписываются также с учетом срезки, путем приведения их к проектному уровню путевых работ. В прибрежной области в целом ряде точек рабочие глубины могут оказаться меньше величины срезки. Приведенные глубины в этих точках показывают со знаком плюс (+).
Одновременно с глубинами на план наносятся все предметы и объекты, представляющие опасность для судоходства, а также показывается положение знаков навигационного ограждения.
После выписки глубин приступают к изображению рельефа. С этой целью на плане в соответствии с положением промерных точек проводятся линии равных глубин – изобаты. Они ограничивают часть акватории водоема, внутри которой глубины больше или меньше значения, указанного на подписи изобаты. На промерном плане (рис. 5.9) сплошной линией показывается положение оси судового хода и километраж по длине реки и пунктирной линией урез воды при рабочем уровне.
Рис. 5.9. План участка реки в изобатах
1 – изобаты; 2 – горизонтали (линии равных высот берега);
3 – ось судового хода; 4 – магистраль
При составлении выкопировки с плана участка реки положение промерных точек и глубин на них не показывается. Рельеф на таких планах закрепляется либо в виде изобат, либо в виде горизонталей – линий равных отметок.
В течение длительного времени на протяженных участках пути положение проектных уровней обычно остается неизменным. Это позволяет сопоставлять между собой промерные планы одно и того же участка за разные годы. По результатам таких исследований можно изучать характер и интенсивность руслового процесса на участке и с учетом этого проектировать мероприятия по обеспечению судоходных условий.
Габариты водного пути
На внутренних водных путях движение судов допускается не по всей ширине водного пространства, а только по той части, которая подготовлена для судоходства и обозначена на местности специальными знаками – навигационным ограждением. Эту часть называют судовым ходом. Основные размеры судового хода – глубина hсх, ширина Всх и радиус закругления Rсх являются габаритами водного пути. Чем больше габаритные размеры судового хода, тем выше пропускная способность пути. Минимальные габариты, поддерживаемые при проектном уровне путевых работ, называются гарантированными габаритами судового хода. Их размеры устанавливаются на основании технико-экономических расчетов.
Для обеспечения безопасности плавания, габариты судового хода устанавливают таким образом, чтобы при прохождении наибольших судов, допущенных к плаванию по данному водному пути, обеспечивались минимальные запасы воды под днищем, запасы по ширине при расхождении и обгоне судов и необходимые радиусы закругления.
Глубина судового хода складывается из осадки судна hос и запаса воды под днищем Dh, определяемого согласно Правилам плавания
(5.3)
где: Dh = 0.10-0.20 м при hсх < 1.5 м;
Dh = 0.15-0.25 м при hсх = 1.5-3.0 м;
Dh = 0.20-0.30 м при hсх > 3.0 м.
Ширина судового хода при одностороннем движении определяется как сумма ширины расчетного судна или состава и запаса ширины до кромки судового хода
. (5.4)
При двустороннем движении ширина судового хода складывается из значений ширин расчетных судов низового и верхового направлений, запаса ширины до кромки судового хода и запаса между бортами судов при их расхождении
. (5.5)
Схема определения минимальных габаритов пути приведена на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Схема определения минимальных габаритов
На участках со свальным течением и изгибах русла ширина судового хода увеличивается сверх указанных значений на величину, определяемую опытным путем.
Минимальный радиус кривизны судового хода устанавливается в соответствии с длиной 
расчетного судна.
(5.6)
При движении жестко учаленных составов это соотношение имеет вид
(5.7)
где: Lс – в данном случае длина состава, м.
В результате проведения путевых мероприятий на реках судоходные глубины могут быть увеличены. На ряде рек гарантированные габариты пути возросли в два и более раза по сравнению с их бытовым состоянием. Дальнейший рост судоходных глубин на свободных реках необходимо планировать с учетом двух аспектов: экономического и экологического.
Самые выгодные или оптимальные габариты судового хода для участка пути получили название экономически целесообразных. Для их определения при конкретном грузообороте на исследуемом участке реки рассматривается несколько вариантов гарантированных габаритов пути с различными значениями глубины hсх и ширины Bсх. Для каждого варианта подсчитываются капитальные вложения и эксплуатационные расходы по транспортному флоту и пути. По результатам вычислений строится график зависимости (рис. 5.11) приведенных затрат по флоту и пути от габаритов судового хода. С увеличением габаритов пути затраты по транспортному флоту снижаются, а затраты на содержание пути возрастают. В таком случае суммарная кривая приведенных затрат всегда будет иметь минимум, отвечающий экономически целесообразным габаритам пути.
Другой критерий, ограничивающий возможное увеличение размеров судового хода, определяется гидравлическими возможностями реки. Опыт проведения путевых работ показывает, что на ряде рек в результате чрезмерного переуглубления судового хода произошли необратимые изменения, связанные со снижением бытовых уровней воды. Это явление, получившее название просадки уровней, является неблагоприятным с точки
зрения охраны окружающей среды. Для предотвращения возможного снижения уровня воды от воздействия путевых мероприятий разработана специальная методика по определению гидравлически допустимых габаритов судового хода. Получаемые в результате таких вычислений значения hсх и Bсх являются предельными по экологическим соображениям. Здесь следует заметить, что в том и другом случаях речь идет об установлении предельных (или оптимальных) габаритах судового хода, поддерживаемых при низких меженных (проектных) уровнях воды. Гарантированные габариты пути назначаются с учетом этих данных и принятой обеспеченности проектного уровня путевых работ.
В связи с большими колебаниями уровней воды в реках в течение года, в период половодья на перекатах могут обеспечиваться значительно большие размеры судового хода, чем в межень. Это позволяет более эффективно использовать возможности транспортного флота. Для нормирования габаритов пути при уровнях, превышающих проектный, строится так называемая кривая дифференцированной гарантии глубин (рис. 5.12).
При ее построении используются сведения о минимальных глубинах на судоходном плесе за последние пять навигаций и соответствующие им данные об уровнях воды по опорному гидрологическому посту. Парные значения hсх(min)=f(H) наносятся на график и полученные точки за каждый год соединяются между собой ломаными линиями. Затем проводится верхняя огибающая, проходящая через точку с координатами (hсх(г), Нпр). По этой кривой может быть определена минимальная гарантированная глубина на судовом ходу при любом интересующем уровне воды. Аналогичным образом строится кривая дифгарантии ширин судового хода.
Для всех участков судоходных рек России ежегодно утверждается Программа гарантированных габаритов судовых ходов.
На ее основе в линейных подразделениях пути составляются производственно-оперативные планы путевых работ на навигацию.