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