Определение скоростей течения при помощи поплавков — геодезия

Скорость течения у сооружений на реке необходимо знать для составления проектов укрепления берегов и дна у сооружений, для суждения о возможной силе удара судов и плавающих в воде предметов при столкновении их с опорами моста, а также для расчета величины расхода воды.

Определение скоростей течения

Скорость течения можно определять при помощи поплавков. При этом применяются способы:

засечками на створы угломерным инструментом с берегов,

Для проведения работы нужно изготовить поплавки.

Поплавки

Если они будут использоваться периодически, то нужно их изготовить 12 штук и после работы вылавливать.

В этом случае их изготовляют в виде дисков толщиной 6 см, отпиленных от торца соснового бревна диаметром 25—30 см.

В этих дисках выдалбливается сердцевина на 1/3 диаметра (рис. 71), что уменьшает растрескивание их при хранении.

Поплавки для лучшей их видимости на воде рекомендуется покрасить в ярко-красный цвет (суриком или киноварью) и занумеровать черной или белой краской. Рекомендуется при промерах укреплять на них флажки.

Для единовременного использования поплавками могут служить также бутылки, заполненные примерно на 1/3 водой или песком, закрытые засмоленной пробкой.

Иногда вместо пробки в горлышко бутылки плотно вставляется и смолится палочка длиной 10—15 см с прикрепленным к ней бумажным или ситцевым флажком яркого цвета.

Таких поплавков нужно изготовить (с небольшим запасом) столько, на скольких струях будет определяться скорость. Если скорость определяется для расчета расхода воды, то число поплавков должно быть таким, чтобы охватить течение равномерно по ширине реки.

Можно для выбора числа поплавков руководствоваться данными, приведенными в табл. 15:

Иногда поплавки изготовляют в виде врубленных ребром друг в друга накрест досок (рис. 72) толщиной 2,5—4 см и длиной 0,3— 0,5 м.

К ним прибивают флажок и, чтобы их меньше относило ветром, привязывают на веревке ниже поплавка на 0,25 м кирпич, камень или мешок с песком весом до 10 кг.

При определении скоростей течения поплавками по створам поступают следующим образом: на реке поперек ее разбивают и закрепляют хорошо видимыми вехами два створа на расстоянии 50— 100 м друг от друга.

Выше верхнего створа на расстоянии 25—30 м разбивается еще третий — пусковой створ.

Для работы нужно иметь лодку или моторный катер на пусковом створе и еще дежурную лодку ниже створа, если поплавки будут вылавливаться. На верховой лодке нужно иметь гребца и рулевого.

Лодка должна иметь якорь. В нее грузится запас поплавков.

У каждого створа становится рабочий с флажком — махальщик, а между створами на видном со всех створов месте становится техник — руководитель работ с секундомером, флажком и журналом.

Лодка на пусковом створе выезжает на вертикаль и бросает якорь. По сигналу руководителя с нее сбрасывают поплавок, после чего лодка перемещается на следующую вертикаль.

Махальщик

В момент прохода поплавком верхнего створа махальщик машет флагом, а руководитель отпускает стрелку секундомера. Махальщик нижнего створа таким же образом сообщает о проходе створа поплавком.

Руководитель в этот момент останавливает стрелку секундомера, записывает показания его в журнал и подает сигнал о пуске следующего поплавка с новой вертикали.

Процесс наблюдений, таким образом, повторяется до тех пор, пока не будут спущены поплавки по всей ширине реки. Вылавливание поплавков делают с нижней дежурной лодки.

Если нужно получить не только скорость, но и направление струй, то между створами на берегу устанавливают угломерный инструмент.

Привязав его стоянку к начальным пунктам обоих створов, ориентируют инструмент по одной из точек начала створов и затем следят в трубу теодолита за поплавками и производят отсчеты по горизонтальному кругу в момент прохода верхнего и нижнего створов каждым поплавком по сигналам махальщиков.

Эти отсчеты записывают в особый журнал.

Скорость течения равна:

L — расстояние между створами;

t — время прохода поплавка между ними.

Направление движения поплавка получают по плану, на котором показано положение точек пересечения створов поплавками на основе теодолитных засечек.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ПОПЛАВКОВ

Любое тело, удельный вес которого меньше удельного веса воды, опущенное в поток, приобретает скорость, равную скорости потока. В гидрометрии применяют поверхностные и глубинные поплавки.

Поверхностные поплавки применяют для измерения поверхностных скоростей и направлений течения. Их обычно изготавливают из дерева в виде цилиндров или крестовин, для лучшего наблюдения за их движением с берега, поплавки снабжаются яркими флажками (рис. 21, а).

Рис. 21. Поплавки:

? поверхностный; б — глубинный

Глубинные поплавки (рис. 21, б) применяются для измерения скоростей и направления течения на некоторой глубине. Они состоят из двух, соединенных между собой тонкой нитью поплавков. Верхний находится на поверхности воды, а нижний погружен на некоторую глубину. Верхний поплавок изготавливается из пробки или пенопласта и должен иметь необходимую плавучесть для поддержания нижнего поплавка. Нижний поплавок должен иметь удельный вес несколько больше, чем удельный вес воды. Если нижний поплавок по своим размерам намного больше верхнего, то скорость движения всей системы приблизительно равна скорости течения па глубине погружения нижнего поплавка.

Рис. 22. Схема всплывания поплавка-интегратора

Интеграционные поплавки позволяют сразу измерить среднюю по вертикали (глубине) скорость течения. В качестве поплавков- интеграторов применяют деревянные, пенопластовые или другие легкие шарики. Для измерения скорости поплавок (рис. 22) погружают на дно, а затем выпускают его. Поплавок всплывает на поверхность с постоянной скоростью XV и одновременно сносится течением на расстояние /. с переменными по глубине скоростями и. Измерив время всплытия /, можно определить среднюю скорость на вертикали как Г_в = Ьи. Измерение времени всплытия можно исключить, если известна глубина на вертикали И, так как его можно вычислить по формуле / = И/м, если заранее определить опытным путем скорость всплывания поплавка в стоячей воде XV. Поплавок-интегратор дает погрешность измерения более 10 %.

2.2. Измерение скорости течения

Скорость течения на реке-полигоне измеряют для определения скоростей расходов воды и наносов. Измерение скоростей течения производят на однажды выбранном и закрепленном гидростворе.

Рассмотрим наиболее употребительные и представляющие производственный интерес средства и методы измерения скоростей – поверхностные поплавки и поплавки-интеграторы.

2.2.1. Определение скорости поверхностными поплавками

Определение скорости поверхностными поплавками широко практикуется на производстве. Поверхностные поплавки изготавливают из подручных материалов: досок, срезов толстых стволов деревьев; в качестве поплавков можно использовать бутылки, частично заполненные водой. При изготовлении поплавков желательно выдерживать определенные размеры, показанные на рис. 5.

Рис. 5. Поверхностные поплавки

Поплавковые измерения скоростей необходимо производить в безветренную погоду.

Для измерения скоростей поверхностными поплавками на реке разбивают три поперечника (створа) на равных расстояниях один от другого (рис. 6). Верхний (В), главный (Г) и нижний (Н) створы закрепляют кольями и около каждого кола ставят вехи. Расстояние между верхним и нижним створами ( L ) назначают из расчета, чтобы поплавок на самом быстром участке реки (стрежне) проходил его за 30–40 с. Если расстояние L принять больше, то это, с одной стороны, вызовет неоправданную затяжку наблюдений и снизит их точность, т. к. путь поплавка в таком случае будет более L (поплавок может плыть не по кратчайшему расстоянию между створами), и, с другой стороны, вычисленное значение скорости будет относиться не к главному, а к какому-то другому неопределенному створу. Уменьшение расстояние между створами нежелательно, т. к. тогда на результатах измерений будут заметно сказываться ошибки фикса-

ции моментов прохождения поплавков через створ. Отрезок L на местности откладывают рулеткой.

Рис. 6. Определение скоростей течения поверхностными поплавками: b – расстояние от точки наблюдения до главного створа

Для фиксации места прохождения поплавка через главный створ на берегу разбивают базис, с конца которого засекают поплавки, или для этой же цели через реку натягивают размеченный трос. Поплавки пускают с лодки на 5–10 м выше верхнего створа, т. е. с так называемого пускового створа, который обычно на местности не обозначается. В момент, когда поплавок пересекает верхний створ, фиксируется время (пускают секундомер); при прохождении поплавком главного створа вновь отмечается время, и местоположение поплавка определяется засечкой теодолитом или мензулой; при прохождении нижнего створа производят заключительный отсчет, отмечают время до десятых долей секунды (секундомер останавливают). Поскольку скорость речного потока не остается постоянной во времени, для уточнения результатов, после пуска первого поплавка, примерно с того же места пускают еще минимум два, засекают их положение и время прохождения через створы. Кроме того, при этом уменьшается влияние ошибки фиксации времени при прохождении поплавка через створы. Результаты измерений скорости после пуска трех поплавков считают удовлетворительными, если расхождения между результатами трех измерений времени не превышают 10 % от времени хода поплавка между верхним и нижним створами.

Закончив измерения на первой точке, переходят на новую, где пускают новую группу поплавков. Так последовательно определяют скорости по всей ширине реки.

Погрешность в определении скорости при помощи поверхностных поплавков зависит от величины самой скорости, от характера русла, состояния погоды и составляет 8–15 %.

Метод поверхностных поплавков может быть применен почти на всех реках достаточной глубины. Этот метод широко применяется для определения скорости течения во время ледохода.

Описанный выше метод позволяет определить поверхностные скорости течения, однако для последующих вычислений или исследований часто требуется знать скорости средние. Переход к средним скоростям, которые обычно меньше поверхностных, может быть совершен при помощи поправочного коэффициента K , который либо специально определяется для места на реке, либо применяется приближенно равным K = 0,80–0,85. В итоге среднюю скорость находят так:

2.2.2. Определение скорости поплавками-интеграторами

Поплавки-интеграторы представляют собой простое и оригинальное устройство, позволяющее определять среднюю скорость течения. Это устройство состоит из штанги и рейки с делениями, из небольших шарообразных пустотелых поплавков из пластмассы и устройства (полусферы на шарнире) для удержания поплавка у основания штанги (рис. 7).

Рис. 7. Поплавки-интеграторы

При определении скорости штангу вместе с одним поплавком устанавливают на дно реки; рейку, шарнирно соединенную со штангой, кладут на поверхность воды по направлению течения; при помощи тросика полусферу отводят в сторону и поплавок всплывает. В процессе всплывания поплавок проходит слой воды с разными скоростями и как бы интегрирует их, что в конечном счете дает возможность определить среднюю скорость.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ПОПЛАВКОВ

Измерения расхода поверхностными поплавками имеют существенно более низкую точность, чем измерения с помощью вертушек, поэтому поверхностные поплавки применяются при рекогносцировочных обследованиях рек, выходе вертушек из строя. При интенсивном ледоходе, когда измерения вертушками становятся невозможными, в качестве поплавков могут служить отдельные льдины.

Рис. 31. Схема определения расхода воды поплавками:

АВ — пусковой створ; I — базис; 2 — верхний; 3 — главный;

4 — нижний створы реки

Поплавочные измерения проводят при штиле или небольшом ветре 2-3 м/с. Для измерения скоростей поверхностными поплавками па участке реки, удовлетворяющем требованиям к гидрометрическим створам, по берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и па ней выбирается базис — I (рис. 31). Перпендикулярно к нему разбиваются три створа: верхний — 2, главный — 3 (посредине) и нижний — 4. Расстояние между створами назначается такое, чтобы продолжительность хода поплавков между ними составляла не менее 20 с. Главный створ 3 разбивается примерно посередине базиса.

Если для упрощения и ускорения проведения гидрометрических работ используется мост, то главный створ совмещают со створом моста.

Положение базиса и створов на местности фиксируется колышками и вехами. В створах могут натягиваться над водой размеченные через 1 м тросы. На всех створах по урезу воды забиваются колья; их расстояние до базиса измеряют мерной лентой. Для запуска поплавков дополнительно разбивается пусковой створ АВ на 5-10 м выше верхнего створа.

Производят промеры глубин и определяют площадь живого сечения по основному створу. Промеры проводят под каждой меткой размеченного троса, начиная от «постоянного начала» (урезного кола). Результаты измерений заносятся в таблицу. При отсутствии размеченного троса в створе расстояние от промерной вертикали до берега определяется методом засечек, т.е. путем измерения горизонтального угла между базисом и линией визирования (см. рис. 15). Нахождение точки промера в створе контролируется по выставленным на берегу вехам.

Измерение скоростей течения воды поплавками проводится в следующем порядке. На пусковом створе бросают в воду последовательно 15-25 поплавков, распределенных приблизительно равномерно по ширине реки. При прохождении поплавка через створы наблюдатели подают сигналы отмашкой или голосом. В эти моменты фиксируется место прохождения (расстояния от берега) поплавка в каждом створе методом засечек или наблюдателем на мосту по разметочным тросам. Одновременно секундомером измеряют время прохождения поплавка от верхнего до нижнего створа.

Рис. 32. Распределение продолжительности хода поплавков по ширине реки

Результаты измерений скорости поплавков записываются в таблицу. Причем записи по прибившимся к берегу поплавкам исключаются. На рис. 32 показано распределение продолжительности хода поплавков по ширине реки. На графике по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного начала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вертикальной оси — продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами. По нанесенным точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине реки. Скоростные вертикали проводят через равные расстояния и в местах перегиба эпюры. Назначается не менее 5-6 скоростных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления расстояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры. Запись результатов измерений расходов воды поплавками ведется в таблице.

Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей на них, получают частичные фиктивные расходы воды. Их сумма, с учетом краевых коэффициентов, дает общий фиктивный расход воды (2ф :

где vi, v„ — поверхностные скорости на скоростных вертикалях; coi, . со„ — площади живых сечений между скоростными вертикалями; к — коэффициент для урезного участка, равный 0,7.

Действительный расход вычисляется по формуле:

где К — переходный коэффициент, от фиктивного расхода к действительному.

Величину переходного коэффициента A^i можно найти по таблицам или определить по формуле 5.6, если Q — расход, определенный одновременно по измерениям вертушкой и поплавками. Можно также определять К по формуле:

где С — коэффициент Шези, который рекомендуется вычислять по формуле Н.Н. Павловского:

где при R 1 м; п — коэффициент

шероховатости, определяемый по таблицам в гидравлических справочниках.

Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, например на реках с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока, расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5-10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три с наибольшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени не более чем на 10 %; при большем отклонении продолжительности хода пускается еще 5-6 поплавков.

Если с помощью поплавков измерена наибольшая поверхностная скорость, то она используется для вычисления расхода воды