Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Учет неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья при мостовом проектировании

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Учет неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья при мостовом проектировании"

Министерство образования и науки Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГТМУ)

На правах рукописи УДК 556.166 «321»:624.21

Васильев Анатолий Александрович

УЧЕТ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ ПРИ МОСТОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В. В. Коваленко

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Н. Б. Барышников доктор технических наук, В. А. Лобанов.

Ведущая организация: Институт озероведения РАН

Защита диссертация состоится «28» апреля 2005 г., в 15— часов на заседании специализированного совета (Д.212.197.02) Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «28» марта 2005 г.

Ученый секретарь специализированно/о совета, кандидат географических наук

Воробьев В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие транспортной системы России, строительство автомобильных и железных дорог на новых территориях, а также реконструкция старых дорог требуют постоянного совершенствования методов проектирования мостовых переходов в условиях изменения климатических и гидрологических условий.

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

Анализ разрушений мостов при прохождении весенних половодий показывает, что основной причиной аварий является подмыв русловых опор и превышение гидрологических характеристик над проектными. В связи с этим актуальной становится задача надежного определения максимальных расходов воды. От правильного его определения зависит бесперебойность работы моста и безопасность прилегающих к нему населенных пунктов, а также стоимость сооружений.

На элементы мостовых переходов воздействуют различные типы нагрузок: транспортные, климатические, гидрогеологические. Все эти процессы имеют вероятностный характер и их учет при совместном воздействии составляет задачу одного из разделов теории надежности сооружений. В настоящее время в мостовом проектировании, основанном на нормативных документах, выявлено много «слабых мест», требующих тщательного анализа и усовершенствования. Одним из них является неопределенность вероятностных характеристик максимального стока, причиной которой может быть как'

физическая, так и расчетная неустойчивость. В последние годы под сомнение ставится устойчивость самого вероятностного процесса формирования стока. В связи с этим становится актуальным учет неустойчивости характеристик максимального стока при мостовом проектировании.

Цели и задачи исследования. 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».

Методика исследований и исходный материал. Решение поставленных задач, связанных с оценкой степени неустойчивости вероятностных характери-

стик максимального стока весеннего половодья, осуществлялось по методике, разработанной в РГТМУ. В ее основе лежит модель линейного формирующего фильтра, прошедшая апробацию применительно к годовому, минимальному, а также частично и к максимальному стоку.

При учете влияния степени неустойчивости гидрологических характеристик на результаты гидравлических и русловых расчетов использовалась методика МАДИ (проф. Г. А. Федотов).

Реализация методик осуществлялась на персональном компьютере.

Достоверность результатов работы обосновывается использованием в качестве модели формирования максимального стока широко апробированного в гидрологии за последние 15 лет уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), приводящего в стационарном случае к семейству кривых распределения Пирсона. Исходным материалом для проведения расчетов служили данные изысканий ОАО «Трансмост», а также опубликованные материалы гидрометеорологических наблюдений.

Научная новизна и практическая значимость. В ходе проведенного в диссертации исследования были получены следующие основные результаты:

1. Путем анализа стохастической модели формирования речного стока выявлен критерий, позволяющий оценивать устойчивость расчетных характеристик максимального стока весеннего половодья. Предложена методика его численной оценки на основе стандартной гидрометеорологической информации, публикуемой в открытой печати.

2. В результате картирования параметра, характеризующего неустойчивость моментов распределения плотности вероятности слоя весеннего половодья на территории России и сопредельных государств, выявлены регионы с различной степенью неустойчивости стока.

3. Построены региональные зависимости, показывающие влияние физико-географических факторов (коэффициента стока, коэффициентов автокор-

реляции, густоты речной сети и др.) на степень устойчивости начальных моментов распределения плотности максимального стока весеннего половодья.

4. Впервые в практике мостостроения предложен способ учета степени неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья в гидравлических и русловых расчетах в рамках нормативной программы «РОМА», позволивший:

а) исследовать путем математического моделирования основные характеристики стесненного русла при прохождении расчетных паводков на реальных мостовых переходах;

б) предложить статистический метод учета русловых мезоформ при расчете деформаций под мостом;

в) применить статистические кривые превышения максимальных глубин общего размыва из ряда глубин, полученных путем математического моделирования;

г) исследовать вопрос о применимости смоделированных рядов максимальных расходов воды как при зависимых от предыдущего года размывах под мостом, так и при независимых испытаниях с построением кривых превышения глубин отдельно для каждого сценария.

Практическая значимость исследований определяется возможностью использования информации о неустойчивости характеристик максимального стока различными проектными организациями для повышения надежности проектируемых сооружений.

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

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной и Молодежной конференции «Экологические проблемы крупных рек-3», итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (2004 г.), на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и кафедры гидрометрии.

По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 61 источник, 9 приложений. Работа изложена на 202 страницах текста, включая 46 рисунков, 5 таблиц и 9 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе рассматривается методика гидрологических расчетов, проводимых на различных стадиях проектирования мостовых переходов, и ставятся задачи исследования. Подробно излагаются основные этапы гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов, основанных на методике проф. Г. А. Федотова.

Методика комплексного расчета русловых деформаций русел и отметок свободной поверхности основана на совместном решении следующих дифференциальных уравнений:

- баланса наносов

где О /

В„

расход наносов руслоформирующих фракций, длина по оси потока, ширина русла,

глубина потока в русле,

время;

/

- неразрывности потока

где Q - общий расход,

w- площадь живого сечения;

- неравномерного движения потока

(3)

где - бытовой уклон свободной поверхности потока,

Z отметка свободной поверхности,

- ■ корректив скорости (коэффициент Кориолиса),

8 - ускорение силы тяжести,

V - средняя скорость потока,

- ■ корректив количества движения (коэффициент Буссинеска),

К - расходная характеристика сечения.

Развитие размыва на участке русла определяется по уравнению

/ Ё^+^о Ё^+е2.

6 5/ 2& д1 g'дt к2'

М, _<>"-1)7

В А/

Врт-Ырт

д/7,

(4)

где

А А

Рт)

среднее понижение - повышение дна на wl-ом участке русла приу-том уровне за счет размыва - заноса за интервал времени

расчетные расходы наносов руслоформирующих

фракций, определяемые для начального и конечного створов расчетного участка длиною

- средняя ширина русла на участке

Расходы наносов вычисляются по формуле И. И. Леви.

Данная методика, реализованная в виде компьютерной программы «РОМА» (МАДИ), характеризуется достаточно полным учетом факторов, определяющих процесс деформаций и конечную их величину, меньшим числом допущений, принимаемых при решении дифференциальных уравнений, а также возможностью решения большого числа задач, возникающих при проектировании.

Во второй главе излагается материал, связанный с методикой оценки неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья.

Подход основан на использовании стохастической модели речного стока Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), объединяющей необходимые и случайные факторы его формирования и допускающей решение в виде кривой обеспеченности. Динамической основой модели является дифференциальное уравнение, связывающее внешние воздействие на водосбор с его реакцией и параметрами водосбора

и@/А+вИс = Х, (5)

где Q - расход в замыкающем створе, Т - эффективное время добегания; к-коэффициент стока; - внешнее воздействие осадков на водосбор.

Введя обозначения

тематические ожидания; - белые шумы с интенсивностями

и взаимной интенсивностью и применив процедуру стохастического

обобщения, приходим к уравнению ФПК, описывающему эволюцию плотности вероятности расходов воды

(здесьр(0, $ - плотность вероятности; А (О, I)иВ (О, $ - коэффициенты сноса и диффузии, соответственно).

Уравнение ФПК (6) можно аппроксимировать системой уравнений для

моментов т

йтп /ей = пМ[Ад"'1 ]+0,5п(п - 1)М [вдп'1 ].

(7)

Применяя к системе (7) математический аппарат линейной теории устойчивости, можно получить критерии, определяющие устойчивость отдельных моментов и всего распределения в целом.

В общем случае из уравнения (7) следует, что устойчивость для момента и-го порядка определяется неравенством

Таким образом, устойчивость зависит от соотношения [5 = / с . При

происходит потеря устойчивости третьего момента, при - второго, при - первого (нормы стока). Отсутствие устойчивости по всем трем моментам говорит о том, что ряды расходов не представляют собой статистическую совокупность.

Существует следующий путь нахождения параметра р. Опираясь на рассматриваемую стохастическую модель, можно получить выражение для нормированной автокорреляционной функции

из которой следует, что при годовой сдвижке т = 1 справедливо выражение

Выражение (10) применялось нами для оценки неустойчивости максимального стока весеннего половодья. В качестве исходных данных использовалась информация о слое стока весеннего половодья по 137 гидрологическим постам и - об осадках по 80 метеостанциям на территории России и сопредельных государств.

К гидрологическим станциям подбирались репрезентативные метеорологические станции. По рядам слоя половодья и сумме осадков рассчитывался среднемноголетний коэффициент стока, а по рядам стока - значения коэффициента автокорреляции.

Рассчитанные по формуле (10) значения параметра Р картировались. Картирование выполнялось в пакете Surfer совместно с В. А. Хаустовым. Интерполяция проводилась в относительной системе координат по методу Кри-гинга в узлах сетки, общим количеством более 700 точек. На полученных картах выявлялись зоны неустойчивости статистических параметров слоя стока весеннего половодья.

На рисунке 1 представлена карта распределения параметра неустойчивости Р на территории ЕТР и сопредельных государств.

(9)

р = 2Шг + 2.

(10)

60° с.ш.

70° п л

50° с.ш.

0.67

40° в .д. 60° в.д.

Рисунок 1 - Карта распределения параметра неустойчивости р на территории ЕТР и сопредельных государств

Анализ выполненных расчетов и построенных карт позволил выделить четыре области:

1) устойчивого формирования стока, р < 0,67 (центральный район ЕТР);

2) с неустойчивым третьим моментом, Р = (0,67 - 1) (ЕТР, Прибайкалье);

3) с неустойчивыми 2-ым и 3-им моментами, Р > 1 (Украина, При-уралье, Прибайкалье, Левобережная Обь);

4) с отрицательными значениями р, что противоречит физическому смыслу и требует, по-видимому, применения районированных значений коэффициентов автокорреляции.

С целью выяснения гидрологического смысла параметра Р, который получен формальным (математическим) путем, были построены эмпирические зависимости Р от параметров, характеризующих физико-географические особенности формирования стока в выделенных регионах. На рис. 2 приведен пример подобной зависимости.

*

( •

•......

• V

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

к-

Рисунок 2 - График связи Р =_Дк) (Западная Сибирь)

Для выявления связей параметра (3 с физическими характеристиками бассейнов рек на исследуемой территории были построены зависимости, связывающие параметр неустойчивости с коэффициентом густоты речной сети ¿густ, который является одним из важнейших показателей развития поверхностного стока. Значения к^ получены по карте густоты речной сети Советского Союза с осреднением по водосбору каждой реки. На полученных графиках прослеживается тенденция уменьшением коэффициента автокорреляции с увеличением

Одним из важнейших показателей речной системы является ее инерционность. Главным показателем инерционности считается время релаксации. Косвенным его показателем может служить уклон водосбора (/„вш). На графике прослеживается тенденция увеличения параметра с по-

вышением значения средневзвешенного уклона водосборов рек.

Общий вывод из подобных графиков заключается в том, что факторы стока, повышающие его динамичность, увеличивают степень неустойчивости.

В третьей главе проводилась численная оценка чувствительности гидравлических и русловых расчетов к степени неустойчивости.

На первом этапе рассматривался уровенный режим в створе мостового перехода. Производился расчет подпора перед мостовым переходом, возникающий вследствие стеснения потока подходными насыпями, так как эта характеристика потока является одной из важнейших. Расчет выполнялся на примере ж.-д. моста через р. Большой Черемшан по программе «РОМА» при двух сценариях стока: серия 1 - бытовой режим, серия 2-е учетом неустойчивости. Для суждения об изменениях величин подпора в ходе нескольких паводков расчеты производились при различных по высоте уровнях высоких вод и разных начальных отметках дна русла. Анализ численных результатов показал, что при повышении максимального расхода на 50 % максимальные подпоры увеличиваются на 30 %, причем время появления наибольшего зна-

чения можно оценить только при пропуске различных по высоте паводков с вариацией средней отметки дна.

На втором этапе проводились численные оценки влияния неустойчивости статистических моментов распределения стока на русловые размывы. Расчеты выполнялись для 4 реальных мостовых переходов: р. Стрый - ж.-д. мост, р. Луга - а.-д. мост (пос. Толмачево), р. Большой Черемшан - ж.-д. мост, р. Байбалаковская - а.-д. мост (г. Ханты-Мансийск). Все расчеты проводились по двум сериям - без учета и с учетом неустойчивости.

Наиболее важным гидравлическим параметром русла при проектировании моста является его средняя глубина, которая может меняться при прохождении мезоформ. В связи с этим при проведении расчетного эксперимента для р. Большой Черемшан помимо неустойчивости характеристик максимального стока учитывалось также влияние высоты мезоформ.

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы. При учете неустойчивости расчетные расходы превысили натурные на 45 -55 %. При расчете глубин общего размыва с учетом неустойчивости наблюдается увеличение деформации дна, но при этом погрешность расчета уменьшается. При расчетах без учета неустойчивости значения глубины размыва оказываются занижеными на 17 - 26 %. Таким образом можно сделать вывод, что учет неустойчивости стока и высоты мезоформ позволяет повысить надежность определения значений конечного размыва.

Численные эксперименты выявили также, что программа «РОМА» устойчиво работает при увеличении расчетных максимальных расходов не более чем в 1,5 - 2 раза.

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

1. Для максимального стока весеннего половодья теоретически установлен критерий, позволяющий по стандартной гидрометеорологической информации выявлять условия, при которых происходит потеря устойчиво-

ста гидрологических характеристик, определяющих расчетные расходы воды при мостовом проектировании.

2. 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.

3. Установлено, что физически неустойчивость начальных моментов максимального стока весеннего половодья вызывается факторами формирования речного стока, повышающими его динамичность.

4. 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.

В приложении представлена информация об использованной гидрометеорологической информации, результаты расчетов коэффициента автокорреляции и параметра неустойчивости стока, графическое представление статистических расчетов, а также справка об эффективности результатов исследований.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Васильев А. А. Особенности гидравлико-гидрологического расчета мостов в условиях подпора от плотин ГЭС // Вопросы гидрологии суши. -Л.: Гидрометоиздат, 1988.-С. 135-138.

2. Васильев А. А. О возможности самоорганизованной критичности формирования максимального стока и чувствительности к ней проектных решений // Тезисы докладов Международной и Молодежной конференции «Экологические проблемы крупных рек - 3», Россия, 15 - 19 сентября 2003 г..

Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. - С. 121 (в соавторстве с В. В. Коваленко, В. А. Хаустовым).

3. Васильев А. А. К вопросу о самоорганизованной критичности формирования максимального стока и чувствительности к ней проектных решений // Материалы итоговой сессии Ученого совета РГГМУ. - СПб, 2004. - С. 68 - 69 (в соавторстве с В. А. Хаустовым).

4. Васильев А. А. Неустойчивость вероятностных характеристик максимального стока и возможности ее учета в проектных решениях. Электронный журнал «Исследовано в России», 99, стр. 1081 - 1087, 2004 г. http: //zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/99.paf.

Подписано в печать с оригинал-макета 24.03.05 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать ризографическая Усл. печ. л. 0,87 Тираж 100 экз. Заказ №2403/01-Р

Мини-типография «Знак» издательства «Знак». 191025, Санкт-Петербург, ул. Восстания, д 6

25.00

^ ; * i >' *

ir i'«?ад

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Васильев, Анатолий Александрович

Нормативные ссылки.

Введение.

1 Гидрологические аспекты мостового проектирования и постановка задачи исследования.

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

1.2 Гидрологические расчеты.

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

1.3.1 Назначение программы.

1.3.2 Особенности расчетов по методике.

1.3.3 Подготовка исходных данных.

1.3.4 Информация, формируемая по результатам расчета.

1.4 Гидрологические факторы и аварийность мостов. Постановка задачи исследований.

2 Картирование зон неустойчивости максимального стока.

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

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

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

• 3.1 Уровенный режим в створе мостового перехода при различных гидравлических ситуациях.

3.1.1 Проход расчетного паводка по бытовому руслу.

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

3.2 Численные исследований влияния неустойчивости статистических моментов распределения стока на русловые размывы (по реальным мостовым переходам).

3.2.1 Учет вероятностного характера руслового процесса при численном моделировании.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Учет неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья при мостовом проектировании"

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. Применив 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.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Васильев, Анатолий Александрович

Результаты работы позволяют проектным организациям учитывать дополнительную информацию о неустойчивости максимального стока. Применив в работе карту неустойчивости стока, проектировщик может ввести коррективы в свои расчеты.

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

Дальнейшие исследования по данной теме должны идти как по проблеме неустойчивости максимального стока в целом, так и по проблеме задания расчетных параметров мостовых переходов находящихся в регионах с неустойчивостью максимального стока.

Заключение

В мостовом проектировании, основанном на нормативных документах, как в области гидрологии, так и в области строительных норм, различными авторами выявлено много «слабых мест», требующих тщательного анализа и усовершенствования. В данной диссертации внимание обращено только на гидрологические аспекты проблемы проектирования. Все остальные вопросы (конструктивные решения проектов мостовых переходов, материаловедче-ский аспект строительства мостов, экологическое обоснование проектов и т.п.) остаются за рамками настоящей работы.

Основой целью работы являлось выявление условий, при которых проявляется неустойчивость процесса формирования стока в створах проектируемых мостов, а также - оценка степени чувствительности проектных решений к отсутствию однозначных оценок расходов заданной обеспеченности. (Все вопросы, связанные с разработкой методологии устойчивой оценки стока остались за пределами данной диссертации).

Причинами, вызывающими неустойчивость процесса формирования стока, могут быть как недостаточность рядов наблюдений, так и различие в методах расчетов, нестационарность, выбор аналитических аппроксимаций.

В диссертации не ставилась задача выяснения физики неустойчивости (возможно, это «саморганизованная критичность», а возможно что-то другое), преследовалась утилитарная цель: если такая неустойчивость имеет место, то как это «скажется» на проектных решениях.

Результаты диссертации, которые можно более-менее обоснованно вынести на «защиту» сводятся к следующему: 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) построены региональные зависимости, показывающие влияние физико-географических факторов (коэффициента стока, коэффициентов автокорреляции, густоты речной сети и др.) на степень устойчивости начальных моментов распределения плотности максимального стока весеннего половодья; 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. д) впервые в практике мостостроения предложен способ учета степени неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья в гидравлических и русловых расчетах в рамках нормативной программы «РОМА», позволивший:

1) исследовать путем математического моделирования основные характеристики стесненного русла при прохождении расчетных паводков на реальных мостовых переходах;

2) предложить статистический метод учета русловых мезоформ при расчете деформаций под мостом;

3) применить статистические кривые вероятности превышения максимальных глубин общего размыва из ряда глубин, полученных путем математического моделирования;

4) исследовать вопрос о применимости смоделированных рядов максимальных расходов воды как при зависимых от предыдущего года размывах под мостом, так и при независимых испытаниях с построением кривых вероятности превышения глубин отдельно для каждого сценария.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Васильев, Анатолий Александрович, Санкт-Петербург

1. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства: СП 11-103-97 / Госстрой России. М.: Изд. ПНИИИС Госстроя России, 1997. -29 с.

2. Определение расчетных гидрологических характеристик: СНиП 2.01.14-83 / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985. - 40 с.

3. Определение расчетных гидрологических характеристик: СП 33-1012003 / Госстрой России. М.: Изд. ПНИИИС Госстроя России, 2004. - 72 с.

4. Строительные нормы и правила: СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы / Минстрой России. М., 1996. - 213 с.

5. Картвелишвили Н.А. Теория вероятностных процессов в гидрологии и регулировании речного стока. Д.: Гидрометеоиздат, 1967. - 291 с.

6. Картвелишвили Н.А. Стохастическая гидрология. JL: Гидрометеоиздат, 1981.-167 с.

7. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969. - 400 с.

8. Колмогоров А.Н. Основные понятия теории вероятностей. М.: Наука, 1974.-120 с.

9. Андреев О.В., Глаголева Т.Н., Федотов Г.А. Методика и некоторые результаты исследования переформирования речных русел под влиянием сооружений не прерывающих транспорта наносов // Динамика и термика рек. -М., 1973. С. 239-249.

10. Андреев О.В. Проектирование мостовых переходов. М.: Транспорт, 1980.-215 с.

11. Андреев О.В., Глаголева Т.Н., Федотов Г.А. Комплексный расчет основных процессов, развивающихся на мостовых переходах // Труды IV Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 10. JI.: Гидрометеоиздат, 1976 - С. 342 -349.

12. Федотов Г.А. Расчеты мостовых переходов с применением ЭЦВМ. -ж М.: Транспорт, 1977. 208 с.

13. Методические рекомендации по гидравлическим и русловым расчетам мостовых переходов. М.: Изд. Гипродорнии, 1980. - 40 с.

14. Пособие к СНИП 2.05.03 84 Мосты и трубы. ПМП-91. - М.: ПКТИтрансстрой, 1992.-411 с.

15. Мирцхулава Ц.Е. Надежность гидромелиоративных сооружений. М.: Колос, 1974.-280 с.

16. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. О нормах и технических условиях для расчета максимальных расходов воды при проектировании гидротехнических сооружений на реках // Труды III Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 4. -Л., 1959.-С. 89-98.

17. Бегам Л.Г, Цыпин В.Ш. Надежность мостовых переходов через водотоки. М.: Транспорт, 1984. - 253 с.

18. Швец В.Б., Тарасов Б.Л., Швец Н.С. Надежность оснований и фунда• ментов. М.: Стройиздат, 1980. - 158 с.

19. Болдаков Е.В. проблемы мостовых переходов. М.: Транспорт, 1974. -216с.

20. Кочерин Д.И. Вопросы инженерной гидрологии. М.: Энергоиздат, 1932.-120 с.

21. Соколовский Д.Л. Нормы максимального стока весенних паводков рек СССР и методика их расчета. Гидрометеоиздат, 1937. - 53 с.

22. Алексеев Г.А. Обоснование формулы максимального расхода паводка // Труды ГГИ. Вып. 79. - 1966. - с. 18-74.

23. Срибный М.Ф. Аналитические основы расчета скорости и максимальных расходов паводков // Проблемы паводков: Сб. трудов. М.: Изд. АН СССР, 1959.-С. 39

24. СН 2-57. Нормы и технические условия для расчета максимальных• расходов воды при проектировании гидротехнических сооружений на реках. -М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству и архитектуре, 1957. 32 с.

25. Указания по определению расчетных максимальных расходов талых вод. СН 356-66. JL: Гидрометеоиздат, 1966. - 58 с.

26. Руководство по гидрологическим расчетам при проектировании водохранилищ. JL: Гидрометеоиздат, 1983. - 284 с.

27. Коваленко В.В. Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования в эволюционной гидрометеоэкологии. СПб.: изд. РГГМУ, 2002. - 158 с.

28. Коваленко В.В. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процесса формирования речного стока. СПб.: изд. РГГМУ, 2004. - 198 с.

29. Dooge J.C. J. A general theory of the unit hydrograph // J.Geoph.Res. -1959.-Vol. 64, N. 2.

30. Nash J.E. Systematic determination of unit hydrograph parameters // J. Geoph.Res. 1959. - Vol. 64, N. 1.

31. Nash J.E. A unit hydrograph study, with particular reference to British catchments // Proc.Inst.Civ.Engr. 1960. - Vol.17, N. 5.

32. Калинин Г.П., Милюков П.И. Приближенный расчет неустановившегося движения водных масс //Труды ЦИП. 1958. - Вып. 66. - 72 с.

33. Кучмент JI.C. Математическое моделирование речного стока. JL: Гидрометеоиздат, 1972. - 192 с.

34. Коваленко В.В. Моделирование гидрологических процессов. СПб,: Гидрометеоиздат, 1993. - 256 с.

35. Антропогенные изменения климата / Под ред. М.И. Будыко, Ю.А. Израэля. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 407 с.

36. Коваленко В.В., Хаустов В.А. Критерии устойчивого развития гидрологических процессов и картирование зон ожидаемых аномалий параметров годового стока рек СНГ при антропогенном изменении климата // Метеорология и гидрология. 1998. - № 12. - С. 96 - 102.

37. Атлас мирового водного баланса. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 12 с.

38. Пространственно-временные колебания стока рек СССР/Под. Ред. А.В. Рождественского. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 376 с.

39. Румянцев В.А., Бовыкин И.В. Пространственно-временные закономерности колебаний стока рек Евразии. Л.: Наука, 1985. - 148 с.

40. Васильев А.А., Хаустов В.А. К вопросу о самоорганизованной критичности формирования максимального стока и чувствительности к ней проектных решений // Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. -СПб, 2004. С. 68 - 69 .

41. Доманицкий А.П., Дубровина Р.Г., Исаева А.И. Реки и озера Советского Союза (справочные данные). Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 104 с.

42. Коваленко В.В. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процессов развития. СПб.: Изд. РГГМУ, 1998. - 112 с.

43. Андреев О.В. Расчет русловых деформаций на мостовых переходах. — М.: Изд. ВНИИТС, 1957. 61с.

44. Беркович К.М., Виноградова Л.Д. Влияние крупных водохранилищ на гидрологический и русловой режим зоны переменного подпора (МГУ) // Водные ресурсы. 1975. - № 6. - С. 81.

45. Лысенко В.В. Русловой процесс в зоне выклинивания подпора Новосибирского водохранилища. Автореферат. канд. техн. наук. Л.: ГТИ, 1970. - 29 с.

46. Васильев А.А. Особенности гидравлико-гидрологического расчета мостов в условиях подпора от плотин ГЭС // Вопросы гидрологии суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - С. 135 - 138.

47. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство. Д.: Гидрометеоиздат, 1969. - 363 с.

48. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Д.: Гидрометеоиздат, 1982. - 270 с.

49. Шамов Г.И. Речные наносы. Д.: Гидрометеоиздат, 1954. - 200 с.

50. Россинский К.И., Дебольский В.К. Речные наносы. М.: Наука, 1980.-216 с.

51. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. М.: Изд-во стандартов, 1980.-24 с.

52. Деви И.И. Моделирование гидравлических явлений . Д.: Энергия, 967.-35 с.

53. Лукашук Л.В. Общий размыв русел на мостовых переходах. М.: Транспорт, 1976 - 120 с.

54. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Теория и методы расчета русловых процессов // Труды IV Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 1. Д., 1975.-С. 139-151.

55. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. Д.: Гидрометеоиздат, 1975. - 287 с.

56. Знаменская Н.С. Системная методология как основа изучения руслового процесса // Динамика и термика рек и водохранилищ. М., 1984. - С. 92 - 95.

57. Simons D.S., Senturk F, Sediment transport technology. Water Reseach Publ. Fort. Collins USA 80522. USA, 1977. - P. 807.

58. Писарев Ю.В., Демьяненко А.Ф. (МИИТ) Вероятностный анализ морфологии сжатых русел // Водные ресурсы. 1984. - № 5. - С. 54.

59. Рождественский А.В. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 272 с.