Учет неустойчивости характеристик максимального стока весеннего половодья при мостовом проектировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат технических наук Васильев, Анатолий Александрович

• Васильев, Анатолий Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильев, Анатолий Александрович, 2005 год

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.