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.

Поплавки и метки течений

В практике гидрометрии еще используются простые поплавки, которые незаменимы при ускоренных измерениях. Поплавками можно измерять скорость в поверхностном слое, на различных глубинах и среднюю скорость на вертикали. Соответственно этому различают поплавки поверхностные, глубинные и интеграционные.

Наиболее проста конструкция поверхностных поплавков (рис. 3.8, а). Чаще всего они представляют собой деревянные цилиндры, отпиленные от бревен диаметром 8. 30 см в виде «кружков» высотой 2. 7 см; более совершенны поплавки в виде крестовин из деревянных или пенопластовых досок с подвешенным грузом. Они применяются на больших реках. При ледоходе роль поплавков играют отдельные льдины. Во всех случаях размер и форма поплавков выбираются так, чтобы они возможно меньше возвышались над водой и были хорошо видны с берега.

Скорость поплавка должна определяться путем деления расстояния между створами на время, занимаемое поплавком для преодоления этого расстояния. Для перерасчета скорости поплавка в среднюю скорость течения следует использовать коэффициент, выведенный из измерений вертушкой на месте на уровне, по возможности близком к уровню, который был во время измерений поплавком, а именно:

• • 0,84. 0,90 для поверхностных поплавков, более высокие значения для ровных русел;
• • 1,0 для глубинных поплавков при 0,6 глубины и 0,96 при 0,5 глубины.

Глубинные поплавки служат для измерения скоростей течения на заданной глубине. Они представляют собой небольшие сосуды шаровидной формы из стекла или синтетических материалов (рис. 3.8, б). Поплавок имеет относительную плотность при которой он не всплывает и не останавливается даже при неровном дне. Размер верхнего поверхностного поплавка в 4-5 раз меньше глубинного (он лишь служит указателем местоположения), поэтому скорость движения системы практически не отличается от скорости на глубине погружения нижнего поплавка.

Принцип измерения скорости поплавками непосредственно вытекает из ее определения как пути, пройденного в единицу времени.

Рис. 3.8. Поверхностные (а) и глубинные (б) поплавки [28]

Поплавки-интеграторы служат для измерения средних скоростей на вертикали. На дно потока опускают шарик, который легче воды, или пузырьки газа, которые сносятся течением и всплывают на некотором расстоянии от места пуска. При всплытии поплавки интегрируют скорости течения; расстояние их сноса L зависит от средней скорости на вертикали v и времени всплытия t, следовательно:

где К_инт — коэффициент поплавочной интеграции, зависящий от инерционных свойств поплавка.

Электролитический отметчик скорости для измерения малых скоростей течения основан на внесении в поток меток в виде солевого раствора. Для ввода раствора в поток служит шприц, смонтированный на штанге, и трубка. На кронштейне, закрепленном на корпусе от вертушки, образующем переменный базис измерения (длиной от 20 до 60 см), закреплены подвижные электроды. В момент, когда через них проходит солевое облако, замыкается цепь сигнальной лампочки [28]. Скорость течения определяется так же, как указано выше.

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.

11 Измерение скорости течения поверхностными поплавками.

В качестве поплав­ков обычно используют деревянные кружки высотой 5. 6 см, отпиленные от тонкого бревна. Гидроствор при этом способе из­мерения скорости состоит из четырех створов (рис. 18). В глав­ном створе 3 снимают поперечный профиль, а также фиксируют места прохождения поплавков по натянутому и размеченному тросу или засечками, как это пояснялось ранее. Вспомогательные створы 2 к 4 предназначаются для определения времени прохож­дения между ними поплавков; расстояние между створами дол­жно быть таким, чтобы поплавок проходил его не быстрее, чем за 20 с. Пусковой створ 1 — место сброса на воду поплавков — располагают от верхнего вспомогательного створа на расстоянии 5. 10 м. Все створы закрепляют на берегах вехами. Расстояние между вспомогательными створами L тщательно измеряют.

Для установления распределения скоростей поплавки пускают таким образом, чтобы они пересекали главный створ в 3. 8 точ­ках по ширине реки. Поплавки пускают так, чтобы примерно через одну и ту же точку главного створа прошло по 2. 4 поплавка. Следовательно, при измерении скоростей пускают от 2 до 8 групп поплавков по 2. 4 поплавка в каждой.

Наблюдатель с рабочими фиксирует секундомером время про­хождения каждого поплавка t между вспомогательными створами

и расстояние от постоянного начала до точки пересечения по­плавком главного створа.

Для каждой группы поплавков определяют величиныи

(поплавки, имевшие задержки в пути, не учитываются). Средние координаты прохождения групп поплавковнаносят

на поперечный профиль, а границы отсеков устанавливают посе­редине между ними.

Затем определяют среднюю поверхностную скорость течения.

12 Измерение скорости течения. Конструкция гидрометрической вертушки.

Измеряют скорости течения гидрометрической вертушкой — прибором для измерения скорости течения в любой точке потока. Существует много типов вертушек; одной из наи­более распространенных является вертушка Жестовского Ж-3 (рис. 16). Основными частями вертушки Ж-3 являются лопастный винт, корпус и хвост. В полости винта расположена втулка, соединен­ная через контактный механизм с муфтой. Втулка вместе с вин­том вращается вокруг неподвижной оси. Клеммы подключаются к электрической цепи, состоящей из сухой батареи напряжением 3. 6 В и звонка или лампочки. Контактный механизм замыкает цепь через 20 оборотов лопасти, в результате чего раздается зво-

нок или загорается лампочка. Вертушка насаживается на штангу или канат через втулку и закрепляется на ней винтами. При измерении скорости потока вертушку устанавливают ло­пастью навстречу течению. Частота вращения лопасти зависит от скорости потока. Каждая вертушка имеет в своем паспорте тарировочную кривую или график, показывающие связь между числом оборотов лопасти в секунду п и скоростью потока в дан­ной точке u=f(n). Чтобы измерить скорость потока в какой-либо его точке, нужно: собрать вертушку, подключить ее к электрической цепи, опустить в заданную точку потока, замерить по секундомеру времяt, за которое раздается т звонков (обычно пять считая от начального), подсчитать число оборотов лопасти вертушки в се­кунду:

n= 20m/tи определить по тарировочной кривой или таблице скорость потока в данной точке и, м/с. Измерение скорости проводят на скоростных вертикалях, число которых в зависимости от ширины реки составляет от 3 до 7. Для того чтобы учесть изменение скорости на вертикали, скорость из­меряют в нескольких точках по глубине. Наиболее распространенытрехточечный, двухточечный и одноточечный способы. Средние на вертикали скорости потока определяют по формулам:

(53)

В этих формулах индексы 0,2h, 0,6hи 0,8hпоказывают, на ка­кую часть глубины от водной поверхности следует опускать вер­тушку. При глубинеh 3 м — на тросе, к концу которого подвешен груз.