§ 22. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ НА РЕКАХ
Состояние речной гидрографической сети зависит от климата и
геоморфологии отдельных районов земной поверхности. Инженерные расчеты,
связанные с изучением природных явлений на реках, охватывают большой
комплекс вопросов при проектировании гидротехнических сооружений и, в
частности, мостовых переходов.
Речные долины обычно имеют плавное очертание, но русло в пределах долины
может меандрировать в широких пределах. Для ряда гидрологических
расчетов нужно различать уклон долины, используемый, например, при
переносе расходов, и местный уклон у исследуемого створа для определения
скоростей и расходов. Живые сечения по створу поперек долины весьма
разнообразны и зависят главным образом от геологического строения долины
и величин осадков и стока (рис. VI-1). Колебания уровней на реках
зависят не только от количества осадков и стока, но и от конфигурации
долины. В узком живом сечении уровень при том же расходе выше, чем при
наличии широких пойм.
Наибольший подъем уровня, зарегистрированный в
Европе для равнинных рек, наблюдался на р. Оке у Калуги в 190$ г. и
составил 18 м. На предгорном участке Нижней Тунгуски в «щеках» подъем в
1937 г. составил 32 м. Наибольший подъем из известных наблюдался на р.
Янцзы в районе Ичана в 1876 г. — 60 м.
Значительно меньшие колебания уровней имеют реки, зарегулированные
большими озерами. К ним относится Нева, зарегулированная Ладожским
озером, Ангара — Байкалом, Свирь — Онежским озером, Нарва — Чудским и
Псковским озерами, Волхов — озером Ильмень и др. Снижение колебаний
уровней видно на примере озера Байкал (рис. VI-2). Уровень реки Селенги,
которая главным образом питает Байкал, колеблется в несколько раз
больше, чем озера.
Много рек в настоящее время частично зарегулировано плотинами. К ним
относятся реки Волга, Кама, Днепр и др. Частичноерегу-лирование
происходит, когда средние плотины высотой до 30 м сбрасывают редкие
паводки без уменьшения. Полное регулирование происходит при плотинах
высотой 100—300 м. Сбор, проверка и обработка данных по регулированию
рек обязательны при изысканиях.
Колебания уровней и расходов определяют основные параметры для расчета
всех элементов проекта перехода. В частности, необходимо определить
частоту затопления пойм, что важно для переходов с пониженной отметкой
насыпи, для железнодорожных станций, городов, поселков, предприятий
промышленности и сельского хозяйства. За последние десятилетия много
городов развиваются и занимают часть пойм. Зарегистрированы затопления
городов на ряде больших и средних рек — и даже смыв целого города Зея в
1928 г. Большие затопления территорий были и в 1970 г.
Паводки проходят в разные времена года. На большей части территории
нашей страны, а также в Канаде и Аляске они проходят весной. В зоне
муссонного климата у нас, в Японии, Китае, Индии и др. — осенью. В
Западной Европе, Иране, Афганистане, США, Алжире, Марокко — зимой от
дождей, а на Ниле — в сентябре от дождей в экваториальной Африке. В
Средней и Центральной Азии идут многопиковые паводки весной и летом;
есть реки (например, р. Селенга), где наибольший паводок проходит
осенью. На реках, текущих с Алтайских гор, как Бирюса, Уда и др.,
паводки идут летом, а на их северных притоках — весною. В зависимости от
рода паводочного питания и ряда других факторов меняется форма
гидрографа расходов (рис. VI-З). В табл. VI-1 приведена разница между
наибольшими и наименьшими наблюденными паводками за время около 100 лет
и больше для ряда рек СССР.
Из табл. VI-1 видно, что есть реки с более и менее спокойным колебанием
расходов, что зависит в некоторой степени от размеров водосбора. На
любых больших и малых реках и даже на суходолах имеются притоки, текущие
с левой и правой стороны. При малых водосборах обе стороны попадают
обычно в один климатический район, а на большом водосборе — в разные.
Например, у Амура левые притоки — Шилка, Зея, Бурея — текут с северной
части водосбора, а Аргунь, Сунгари и Уссури—с южной. Осадки там выпадают
в разное время, и поэтому то одна, то другая часть водосбора дает
большой расход.
Климат может влиять решающим образом на соотношение расходов. В южной
Сибири, где расположен водосбор р. Нура и др., бывают резкие колебания
по годам в снежном покрове и дружности весны. Отсюда и разница в
расходах на Нуре в 112 раз, а на р. Ир-гиз при водосборе, равном
примерно р. Оке у Калуги, в некоторые годы совсем не бывает паводка.
В инженерных расчетах учитывается проход редких паводков, которые
возможны за срок службы сооружения. Срок службы капитальных мостовых
переходов и малых искусственных сооружений принимают в 50—100 лет, хотя
имеется ряд мостов со сроком службы несколько сот лет и даже 2000 лет. С
другой стороны, часть мостов в последнее время реконструируется через 50
лет, как не удовлетворяющие условиям движения, нагрузкам и пр.
За время 50, 100 и более лет могут пройти разные паводки, в том числе и
с вероятностью их превышения в среднем 1 раз в 100 лет. Можно ли
связывать вероятность прохода паводка со сроком службы сооружения? Этот
вопрос является весьма серьезным для основной задачи мостового перехода
— обеспечить бесперебойность движения на дороге и надежность самого
сооружения.
Паводок со средней повторяемостью его превышения 1 раз в 100 лет — это
довольно редкий паводок для одного конкретного пункта или для данной
реки на большей части ее длины. На нашей территории 22 млн. км2 имеется
около 10 000 средних и больших рек, поэтому редкий паводок для одной
реки будет частым для всей совокупности в 10 000 рек. Действительно,
паводков с вероятностью превышения 1 раз в 100 лет будет проходить на
нашей территории в среднем 10000/100= 100 раз ежегодно.
Возможен проход паводков еще более редких, например, 1 раз
в 1000 лет. Такие паводки у нас будут проходить в среднем 10000/1000= 10
раз ежегодно. Поэтому за 100 лет службы сооружений могут быть весьма
редкие и опасные для сооружений паводки.
Проф. Б. Д. Зайков [50] провел большое исследование по наблюдавшимся
паводкам. Благодаря работе Г. И. Швеца [153] составлен ряд уровней и
расходов в 170 лет по Днепру и получены некоторые данные за несколько
тысяч лет. В приложении I приведен кадастр найденных расходов и
вероятности их превышения. Из кадастра видно, что на нашей территории
прошло не менее 10—20 очень редких паводков за последние 200 лет, из них
три — редчайших. Данные по некоторым рекам приведены также в приложении
2.
Таким образом, проход редких (катастрофических) паводков возможен в
любом месте и в любое время. Это не значит, что неизбежны аварии, в
частности на транспорте. Много здесь зависит от режима реки, принятых
технических условий, запасов, содержания сооружения и службы прогнозов
(рис. VI-4).
Для каждого сооружения, как отмечено, частота прохода паводков с
вероятностью его превышения, например 1 : 10 000, — ничтожна, но, имея в
определенном районе 10 000 сооружений, проход такого паводка реален в
среднем 1 раз в году. Неизвестно только, в каком пункте и когда он
пройдет на нашей территории. Следует ли учитывать такие паводки, зависит
от значимости перехода и эффективности капиталовложений (см. гл. XVI).
Формирование максимальных расходов на реках — процесс сложный, зависящий
от многих климатических и геоморфологических независимых или
полузависимых переменных. При весеннем половодье величина расходов
зависит от следующих основных факторов:
количества снега перед началом снеготаяния;
дружности весны, т. е. суммы положительных температур за время
снеготаяния;
весенних дождей;
экопозиции водосбора;
впитывающей способности почв, залесенности, заболоченности и пр.
В районах муссонного климата, а также на Черноморском побережье Кавказа,
южном побережье Каспийского моря и в других аналогичных районах величины
расхода зависят от общего объема выпавших осадков; интенсивности и
продолжительности их выпадения; впитывающей способности почв и
испарения; движения воздушных масс по течению или против течения реки.
чайны. Следовательно, ряды наблюдений этих факторов можно обработать
методом математической статистики и найти более редкие отклонения от их
средних величин.
Выше упоминалось, что есть реки с разной амплитудой колебания высоких
паводков. Для расчета сооружений нужно найти, в зависимости от их
значимости, максимум уровня и расхода. Надо исходить при этом из
реальных и возможных соотношений расходов на данной реке, считая, что на
исследуемом створе могут появиться большие или меньшие паводки, чем те,
которые зарегистрированы по разным источникам. Очевидно, что чем
спокойнее режим реки, тем в будущем экстремальные отклонения будут
меньше, чем на реках с более резкой разницей отклонений.
Рассматривая многолетние ряды расходов (рис. VI-5) и отдельные паводки,
прошедшие 200—300 лет назад, нельзя заметить какой-то закономерности в
колебании расходов. Если взять ряд расходов по Днепру у Киева, по
исследованию Г. И. Швеца, за 170 лет (рис. VI-6), то и здесь не
усматривается какой-либо периодичности.
Как известно, на нашей планете за 100 лет (к 1940 г.) средняя
температура поднялась почти на Г, но с 1940 г. началось некоторое ее
понижение.
Сейчас —засушливый период, который с некоторыми колебаниями может
продлиться еще 400—600 лет. Пока, до уточнения метода учета цикличности,
в статистических расчетах климат считается стабильным.
Изучая гидрологические материалы и последовательность появления паводков
в 30-х годах XX в., в США обнаружили, что в сооружениях, рассчитанных на
самый высокий исторический расход и уровень, начали проходить паводки
выше расчетных. Был разрушен ряд плотин. Вначале предполагали, что
меняется климат. К тому времени в гидрологические расчеты твердо вошла
теория вероятности, и инж. Кригер показал, что уменьшение вероятности
прохода редких паводков является результатом учета длительности
наблюдений. Чем ряд наблюдений короче, тем на большую величину
превышались паводки, что видно из табл. VI-2, составленной Кригером за
50 лет по обобщению большого количества наблюдений.
Этот процесс наблюдается и в СССР. Следовательно, чем больше лет
эксплуатации сооружений, чем больше их количество, тем больше становится
годосооружений. Поэтому увеличивается вероятность того, что где-то
прошел паводок больше предыдущих. Здесь следует решить вопрос: будет ли
бесконечное нарастание расходов, если считать, что всегда возможен
расход еще больше того, который наблюдался перед этим, или должен быть
предел нарастания расхода на каждом водосборе вне зависимости от его
размера и расположения.
В СССР обычно пользуются кривыми вероятности, уходящими в бесконечность.
При этом делается отсечка на той вероятности превышения (ВП), которая
требуется техническими условиями. В частности, для длотин принимаются ВП
0,1 и 0,01%. Эта точка зрения не была 'поддержана на Международном
симпозиуме по паводкам [84]. Представители США, Англии, Италии,
Австралии и другие указали, что у них плотины рассчитывают по предельным
осадкам и паводкам.
Вторая точка зрения была поддержана Е. В. Болдаковым, Г. П. Калининым,
Ю. Е. Яблоновым и др. Действительно, любой паводок зависит главным
образом от осадков и площади водосбора, но то и другое ограничено.
Сторонники первой точки зрения обычно исходили из следующего:
1) не важно, куда идет кривая распределения, мы отсекаем ее при той
вероятности превышения, которая требуется;
2) практически определить предельный паводок — сложная задача. Поэтому
удобней пользоваться готовой кривой распределения, что упрощает расчет,
хотя кривая и гипотетична.
Всякая кривая или формула должна иметь в обоих пределах физический
смысл. Если этого нет, то все отсечки и частные решения в равной степени
будут неверны.