§ 39. РАСЧЕТЫ ОТВЕРСТИЙ В УСЛОВИЯХ
ПРИЛИВНО-ОТЛИВНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Почти все океаны, моря, заливы и проливы подвержены кратковременным
колебательным движениям водных масс, которые определяют приливный
характер рек в устьевых участках. Приливные волны являются результатом
астрономических и метеорологических явлений и вызывают однократный или
двукратный подъем и спад воды за полный цикл продолжительностью около 25
ч.
Приливные волны распространяются внутрь материка через устья, приливные
дельты, протоки и низинные реки и медленно погашаются на некотором
расстоянии от моря. Однако характер приливной волны с одним или двумя
приливами и одним или двумя отливами за полный ее цикл сохраняется на
всем протяжении реки, где происходит гашение прилива. Продвигаясь внутрь
материка, сила прилива постепенно ослабевает из-за встречного
сопротивления ее движению в устьях и дельтах рек, от ветра и встречного
речного потока воды, стекающего к морю. Сила прилива, уменьшаясь,
становится незаметной на определенном расстоянии от моря, выше которого
реки имеют обычный гидрологический режим. Длина участка реки, на котором
наблюдаются приливные явления, изменяется в течение года. В периоды
высоких паводков это расстояние уменьшается, сдвигаясь в сторону моря, а
в межень увеличивается, продвигаясь в глубь суши.
В сильно разветвленных устьях рек влияние прилива сказывается
неодинаково в различных рукавах и протоках. В главном русле может
наблюдаться едва заметное поднятие уровня воды, а в малых рукавах и
протоках — полный или частичный поворот течения в сторону реки.
Приливные явления могут быть обнаружены путем наблюдений за режимом рек
в период изыскательских работ на конкретном мостовом переходе.
Приливы и отливы вызывают непрерывное изменение уровня воды в реке, а
также изменения скоростей течения и их направления (рис. VIII-11). На
участках рек, подверженных действиям приливов, создаются условия
переменного подпора, в результате чего течение воды замедляется и
постепенно принимает обратное направление. При отливах создаются условия
спада, и течение воды ускоряется. Количество воды, поступающее во время
прилива через заданный створ реки, определяет приливной объем, а
количество воды, стекающее в период отлива, является отливным объемом
(см. рис. VIII-11). Величина этих объемов увеличивается вниз по реке по
мере приближения к прибрежному устью (морю).
При смене прилива на отлив и наоборот наступает момент, когда движение
воды отсутствует. Образование стоячей воды при приливе происходит спустя
некоторое время после наступления максимального уровня воды. Стоячая
вода отлива наблюдается не при самом низком уровне, а в течение
некоторого времени с начала прилива. Промежуток времени между стоячими
водами прилива или отлива и соответственно приливом или отливом зависит
от местных условий и может продолжаться от 1 до 1,5 ч (рис. VIII-12).
Как видно из рис. VIII-12, стоячая вода наблюдается при более низком
уровне, чем уровень прилива, и выше уровня отлива.
Смена приливного течения на отливное и наоборот происходит не сразу по
всему сечению потока, а постепенно, начиная от дна к поверхности и от
берегов к стержню. Таким образом, в некоторые часы приливно-отливной
фазы могут наблюдаться два противоположно направленных течения.
Наибольшие скорости течения появляются в середине спада и подъема кривой
изменения уровней во времени. В период отлива из-за значительного уклона
зеркала воды скорости течения могут приобретать большие значения. В
северных реках СССР эти скорости достигают 1—2 м/сек и более. В
экваториальных реках скорости при отливе составляют 1,5—3,0 м]сек, а в
ряде случаев доходят до 4— 5 м/сек.
Приливным явлениям присуще ежедневное непостоянство прилива, которое
заключается в том, что после окончания одного приливного цикла уровень
воды оказывается ниже или выше, чем при начале цикла. Поэтому, чтобы
исключить влияние ежедневного колебания прилива на оценку объемов
прилива и отлива, эти объемы рассчитывают по измерениям всего периода,
охватывающего полный приливный цикл, т. е. 25 ч.
Поскольку на реке наблюдается собственный сток, то последний во время
прилива подпирается приливными водами и, следовательно, должен
накапливаться в приливном бассейне. Во время отлива подпорные явления
исчезают, а накопившийся объем воды вместе с водой прилива стекает в
море. Поэтому фактическая величина отливов бывает всегда больше расхода
приливов.
При увеличении паводковых расходов в реке приливы
ослабевают, а отливы становятся сильнее (рис. VIII-13). Такая же картина
наблюдается при продвижении приливной волны в глубь материка.
Колебания уровней в устьях рек и эстуариях иногда могут прекращаться в
период паводков из-за резкого подъема уровней воды от речных вод (рис.
VIII-14). Это объясняется [40] ростом уклона в эстуарии в результате
повышения уровня воды в его верхней части и увеличения скоростей течения
при высоких уровнях.
Для мостовых переходов, расположенных в зоне активного действия
приливов, расчетными являются условия, создающиеся в паводковый период,
поскольку они характеризуют наивысшие колебания уровней воды во
внутригодовом режиме уровней. За каждый год наблюдений должен быть
установлен максимальный уровень, характеризующий суммарное влияние
паводка и максимального прилива.
Учитывая, что влияние приливов является постоянно действующим фактором
на формирование уровенного режима водотока на определенном участке реки,
а величина прилива зависит от величин паводковых расходов, значения
максимальных ежегодных уровней воды от суммарного воздействия стока и
приливов могут служить исходными величинами для вычисления расчетного
уровня высокой воды.
Для определения отверстия моста и размывов подмостового русла необходимо
иметь данные измерений в период сильных приливов и период мелководных.
Сильный прилив (сизигийный) с высоким приливом и низким отливом
возникает 1 раз в 14—15 дней при совместном действии астрономических сил
солнца и луны. Этот прилив постепенно теряет силу, а через неделю
наступает самый слабый прилив, называемый квадратурным или мелководным.
В квадратурный прилив уровень воды прилива низкий, а отлива высокий
(рис. VII1-15).
Из этих особенностей приливных явлений следует, что количество воды,
поступающее в приливную зону и вытекающее из нее во время сизигийных
приливов, значительно больше, чем в квадратурный период. Эти явления
сказываются и на скоростях течения воды. Что касается величины
собственного максимального расхода реки, то для его определения можно
производить наблюдения в любое время независимо от периода приливного
цикла.
На уровенный режим, кроме основных факторов
расходов собственного стока и от действия приливов в ряде районов
земного шара, могут оказывать существенное влияние и местные факторы:
резкие подъемы уровней в бассейнах небольших рек из-за выпадения
значительных дождевых осадков, сильный штормовой ветер, направленный
вдоль реки или под небольшим углом.
По данным работы [40], ураган в августе 1933 г. на р. Потомак (США)
.повысил уровень воды в прилив на 2,5 м. В мае 1965 г. в Восточном
Пакистане сильный циклон вызвал подъем максимального уровня на станции
Иньза Гхат на 1,8 м.
В ряде прибрежных районов морей и океанов наблюдается сезонная смена
преобладающих ветров. Наиболее опасным для мостовых переходов является
совпадение такого ветра с направлением приливной волны в период
формирования максимального годового уровня, в результате чего возможно
увеличение приливной волны. Поэтому при проектировании мостовых
переходов необходимо производить учет возможного увеличения расчетного
уровня высокой воды о,т действия попутного ветра. Уровень моря подвержен
сезонным изменениям, вызванным метеорологическими факторами, а не
приливными условиями. Однако эти колебания невелики и их влияние
чувствуется только в прибрежных зонах. На побережье Восточного Пакистана
они составляют 0,5—0,6 м.
Для проектирования мостовых переходов отделение колебаний уровня моря от
колебаний уровней, вызываемых собственным стоком реки, не обязательно
из-за их незначительной величины, а также из-за того, что они уже
учитываются при определении средних уровней за полный приливный цикл по
фазам/
При определении максимального расчетного уровня высоких вод необходимо
учитывать возможное несовпадение во времени собственного пика паводка и
максимума сизигийного прилива.
Ввиду сложности проведения гидрометрических
измерений наблюдения за расходами на устьевых участках больших рек,
подверженных приливно-отливным явлениям, чрезвычайно бедны. В то же
время наблюдения за уровнями воды ведутся давно на большинстве крупных
рек. Население районов, подверженных подтоплению, как правило, хорошо
помнит выдающиеся наводнения и передает эти сведения из поколения в
поколение. На крупных реках в ряде стран для судоходства составляют
атласы уровней на каждый месяц, по данным гидрографических и
навигационных изысканий и служб.
Изменение уровня моря может быть принято для расчетов по данным
существующих таблиц прилива.
Все эти материалы необходимо использовать для проектирования мостовых
переходов.
При отсутствии данных многолетних наблюдений за уровнями определяют
следы паводков прошлых лет путем тщательного обследования местности и
опроса населения. Такой способ позволяет получать надежные сведения о
максимальных колебаниях уровней в районе перехода. Однако и в этом
случае необходим учет возможных несовпадений пиков паводков с максимумом
сизигийного периода.
Для определения уровней воды, соответствующих собственному расходу
водотока, существует несколько способов. Наиболее надежен метод связи
средних уровней, по которому на заданном вод-посту в течение года
определяется средний уровень воды за периоды в 15 дней.
По вычисленным двухнедельным средним уровням строится график изменения
во времени года уровней воды, в котором приливные явления полностью
исключены (рис. VIII-16).
Аналогичный график строится по близлежащему водпосту, на котором влияние
приливов не наблюдается. Годовые максимумы средних уровней за
двухнедельные периоды могут быть подвергнуты статистической обработке с
последующим вычислением расчетных величин требуемой вероятности
превышения.
Сопоставление указанных графиков по нескольким водпостам позволяет
оценить колебания уровней воды от собственного стока реки между
заданными пунктами. Для определения отверстия моста необходимо
определить максимальную величину среднего уровня в году требуемой ВП в
створе мостового перехода.
Так как максимумы уровней за двухнедельный период занижены при
осреднении за счет низких уровней, график уровней собственного стока
целесообразно использовать только для определения расхода притока.
Применение этого графика для определения расчетного уровня не может быть
рекомендовано без дополнительного анализа и учета всех факторов,
влияющих на формирование максимального уро-вня от суммарного действия
приливно-отливных явлений и собственного стока реки. Такой анализ
возможен при наличии достаточных данных многолетних наблюдений.
Определение расчетного расхода может быть выполнено на том основании,
что разность расходов воды, проходящих через два сечения реки за единицу
времени, должна равняться количеству воды, скопившейся между этими
сечениями за то же время.
Количество накопившейся или ушедшей при отливе воды можно определить с
помощью детальных гидрометрических работ на одном или нескольких
створах.
Отверстие моста назначают из условия минимального
стеснения живого сечения реки, что определяется нежелательными
подпорными явлениями, которые могут возникнуть при приливах и отливах.
При этом надо учитывать не только характер движения волны прилива, но и
большие разливы рек в устьевых участках, которые в паводочный сезон
затапливают ценные угодья и подтапливают населенные пункты.
В устьях рек, подверженных приливам, русловые
деформации происходят интенсивно. Изменения руслового рельефа происходят
непрерывно и достигают в крупных дельтах значительных размеров. Поэтому
при расчетах размывов подмостовых сечений необходимо учитывать все
возможные в этих условиях факторы, влияющие на Деформации русел рек.
Оценку каждого из перечисленных факторов следует
производить конкретно на каждом переходе в зависимости от местных
условий.
На некоторых реках иногда наблюдается прерывная волна прилива (бор).
Образование бора наблюдается в период перехода воды к приливу в виде
внезапного и быстрого повышения уровня, распространяющегося со
значительной скоростью вверх по руслу. В ряде случаев наблюдается
распространение бора вверх по реке до границы влияния приливов. Высота
бора [40] в момент сизигий на р. Хугли в Индии достигает 3 м, на
Тунцзяне в Китае больше 3 м, на некоторых реках Англии, Канады и Франции
она составляет 1 —
2 м. Максимальная скорость движения бора достигает 25 км/ч, после его
прохождения уровень прилива продолжает медленно повышаться. Обычно бор
наблюдается только в сизигийные приливы, но если глубина воды выше по
течению уменьшается, то бор может появляться и при низких приливах.
Такие условия могут создаваться при значительном оттеснении потока
сооружениями мостового перехода, аккумуляцией стока в верхнем бьефе и
некоторым понижением глубин в нижнем бьефе. Возможность образования бора
у моста подтверждается Р. Триккером [135] на примере р. Северн в Англии,
где бор обычно начинается немного выше моста и распространяется выше по
реке. Иногда он образуется ниже моста, но быстро исчезает.
Анализ условий образования бора показывает на необходимость учета при
назначении отметок низа пролетных строений высоты волны бора и
дополнительного подъема воды вверх по опоре, возникающего от лобового
удара волны по ее передней грани.
Другой особенностью рек, подверженных приливным явлениям, является
проникание морских соленых вод с волной прилива вверх по реке.
Это вызывает неравномерность засоленности воды в реке по всей ее длине и
требует учета при проектировании путем взятия проб воды на химический
анализ по всему поперечному сечению потока и установлению максимальной
агрессивности воды в створе перехода.