Измерение скоростей течения

Гидрологические работы

Гидрологические характеристики реки

Гидрологические изыскания необходимы при строительстве мно­гих сооружений, и особенно при проектировании мостовых переходов и гидротехнических сооружений. Из большого и разнообразного Комплекса гидрологических исследований на долю геодезиста обычно приходится производство крупномасштабных съемочных и нивелир­ных работ на территориях водомерных постов и гидрометрических станций, на створах плотин и участках переходов через реки, производство русловых съемок, устройство водомерных постов и организация наблюдений за уров­нями; определение уклонов реки; измерение скоростей течения.

Под речной системой понимают главную реку и сеть притоков I, II, III и т. д. порядков (рис. 1). Ту часть грунта, из которой вода поступает в реку, называют бас­сейном. Размеры и конфигурация бассейна— важная характеристика речной системы, поскольку они влияют на величину и характер стока.

Речным стоком называют об­щее количество воды, поступающей в реку из разных источников.

Рис 1.Речная система

Важными характеристиками реки - ее длина, падение, уклоны, скорости течения и расход.

Живым, или водным сечением называется площадь, нормально расположенная к направлению течения реки и заполненная текущей водой (рис.2). Живое сечение характеризуется площадью W, шириной В, средней глубиной h_cp, гидравлическим радиусом R, средней скоростью V_ср, расходом Q.

Рис. 2 Живое сечение реки

Измерение скоростей течения

Скорость течения на реках измеряют для изучения режима скоростей и расходов воды, для удовлетворения нужд судоходства и для изучения наносов. Измерения скоростей течения производят на однажды выбранном и закрепленном гидростворе.

Методы измерения скоростей — поверхностные поплавки, поплавки-интеграторы, гид­рометрические вертушки.

Определение скорости поверхностными поплавками

Определение скорости поверхностными поплав­ками широко практикуется на производстве. Поверхностные поплавки изготовляют из подручных материалов: досок, срезов толстых стволов деревьев в качестве поплавков можно использовать бутылки, частично заполненные водой

Поплавковые измерения скоростей необходимо производить в без­ветренную погоду (штиль), чаще всего в утренние или вечерние часы.

Для измерения скоростей поверхностными поплавками на реке разбивают три поперечника (створа) на равных расстояниях один от другого.

ВерхнийВ, главный Г и нижний Н створы закрепляют кольями и около каждого кола ставят вехи. Расстояние Lмежду верхним и нижним створами назначают из расчета, чтобы поплавок на самом быстром участке реки (стрежне) проходил его за 30—40 с. Отрезок Lна местности откладывают рулеткой.

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 моменткогда поплавок пересекает верхний створ, фиксируется время; 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 меставремени 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.

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

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

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 слои воды с разными скоростями и как бы интегрирует их, что в конечном счете дает возможность определить среднюю скорость.

В процессе наблюдений необходимо определить время t^sвсплы­тия и место появления поплавка на поверхности воды, т. е. про­извести отсчет Lпо рейке. Скорость находят по формуле:v_ср=L/t

Поплавки – интеграторы дают хорошие результаты на реках с небольшой скоростью течения (менее 0,5 м/с). Ошибка в определении скорости этим методом составляет 5—8%.

Определение скорости гидрометрическом вертушкой

В настоящее время наиболее распространенное и точное средство для измерения скоростей — гидрометрическая вер­тушка.

Основ­ные части гидрометриче­ской вертушки: корпус 1 с втулкой 4, при помощи которой вертушка закрепляется на штанге; лопастный винт 6 с вмонтированным в его ось контактным устрой­ством, позволяющим вести счет числу оборотов винта; хвост (руль) 3; вертлюг 2; клеммы 5 для присоеди­нения электропроводов. Вертушку устанавливают на требуемую глу­бину либо при помощи штанги 7, либо опускают на тросе 10; во вто­ром случае к нижнему отверстию вертлюга на небольшом отрезке троса 9 подвешивают груз 8.

Принцип измерения скорости вертушкой основан на том, что между скоростью vводного потока и скоростью вращения лопастного винта может быть установлена зависимость

v = f{n),

где п — число оборотов винта в единицу времени.

Эта зависимость устанавливается в лабораторных условиях и называется тарированием.

Тарирование выполняется в специальных бассейнах прямолиней­ного или круглого очертания, в которых вертушка погружается в стоячую воду бассейна, перемещается на специальной тележке, приводимой в движение электромотором со строго определенной скоростью.Методика измерения скоростей течения вертушкой строится таким образом, чтобы при минимальных затратах времени наиболее полно выявить характер распределения скоростей по глубине потока.В связи с этим для летних определений скоростей рекомен­дуется пятиточечный способ, а для зимних — шеститочечный.Летом гидрометрическая вертушка устанавливается на условных глу­бинах h: у поверхности, 0,2; 0,6; 0,8hи у дна, а зимой в 15—20 см от нижней кромки льда, 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 у дна.

;

Гидрометрическая вертушка дает возможность определить ско­рость с погрешностью 3—5%.

Процесс измерений начинается с определения глубины потока и расчета глубин установки вертушки. Далее вертушка на штанге или тросе опускается в воду и начинаются собственно измерения скорости;® они состоят в регулярной регистрации времени (по се­кундомеру) после каждых 20 оборотов лопастного винта (табл. 16), когда происходит замыкание электрической цепи вертушки и заго­рается контрольная лампочка (звонит звонок). Наблюдения прекра­щаются на очередном четном контакте по прошествии 2, 3, 4 или 5 мин в зависимости от требуемой продолжительности наблюдений. Для сокращения записей время можно фиксировать не на каждом кон­такте, а через контакт или через два контакта, но это уже соответ­ствует 40 или 60 оборотам лопастного винта.

Выполнив измерения скоростей на всех глубинах в данной точке, переходят на новую скоростную вертикаль. Число вертикалей назначают в зависимости от ширины реки.

Задача.