Топографо-геодезические работы на водохранилищах

2.1.9.1. Общие сведения

При возведении на реке плотины бытовой уровень воды поднимается до отметки нормального подпорного уровня (НПУ), образуя в верхнем бьефе водохранилище. Длина водохранилища от плотины до хвостовой части, где выклинивается подпор, может быть подсчитана по приближенной формуле

L=KH/J (1)

где H- высота напора;

J - средний продольный уклон бытового потока;

K - коэффициент, принимаемый для плотины с затворами равным 1.5-2.2.

Вода в реке, перегороженной плотиной, имеет неравномерное движение, при этом по мере приближения к плотине глубины и площади живого сечения возрастают, а скорость потока убывает. Вследствие этого поверхность потока в продольном профиле имеет вид вогнутой кривой, называемой кривой подпора (рис. 231). Уровни смежных поперечных профилей водохранилища будут отличаться между собой на величину , которая в первом приближении определяется по формуле Шези.

Рисунок 231 - Кривая подпора

При расстоянии между поперечными профилями l величина , где i -уклон потока в водохранилище.

Подставляя значение уклона i из формулы Шези и, выражая скорость где Q - расход воды, -площадь живого сечения , имеем:

(2)

Т.к. гидравлический радиус , где р -смоченный периметр, то

(2’)

При проектировании водохранилища решаются следующие задачи:

· установление контура водохранилища при заданном НПУ и отбивка при необходимости этого контура в натуре;

· определение площади затопления и объема воды в водохранилище;

· установление подлежащих затоплению населенных пунктов, путей сообщения , ЛЭП и других объектов; подсчет стоимости убытков от затопления; разработка проектов новых населенных пунктов, путей сообщения , ЛЭП и т.д.;

· разработка проектов инженерной защиты от затопления и подтопления городов и других населенных пунктов , предприятий, ценных угодий и др., а также проектов берегоукрепительных работ;

· подсчет площадей лесосводки; выявление мест, требующих проведение санитарных и противомалярийных мероприятий, разработка проектов организации рыбного хозяйства;

· Трассирование в чаше водохранилища судовых ходов , выбор мест расположения портов , пристаней, убежищ для судов.

Для проектирования водохранилищ используют топографические карты различных масштабов.

Отдельные участки водохранилища для проектирования инженерной защиты , перенесения населенных пунктов и предприятий , выбора портов и др. снимают в крупных масштабах (1:1000-1:2000).

Съемка водохранилища производится комбинированным или стереофотограмметрическим методом. В качестве плановой основы служит триангуляция и полигонометрия. Высотная основа создается в виде полигонов нивелирования III и IV классов. При проектировании плановых и высотных сетей учитывают, что они будут служить основой не только для съемки, но и для вынесения контура водохранилища в натуру (пункты стараются закреплять вне зоны затопления). Типовая схема высотной основы для водохранилища приведена на рис. 232. Площадь водохранилища в пределах контура затопления определяют по топографическим картам при помощи планиметра (точность определения площади ).

Общий объем воды в водохранилище находят путем суммирования элементарных объемов между двумя смежными горизонталями, начиная с самой низкой высоты в чаше водохранилища и кончая горизонталью затопления.

Для уточнения величины объемов следует также учитывать форму склонов долины, речные террасы и т.д.

Рисунок 232 - Схема высотных сетей водохранилища

1-ходы нивелирования II класса; 2-ходы нивелирования III класса;

3-ходы нивелирования IV класса

По топографическим картам объем водохранилища подсчитывается с точностью порядка 3-5%, уточненным способом - 1.5-2%.

2.1.9.2. Определение на местности проектного контура водохранилища

В стадии изысканий для рабочих чертежей на территории будущего водохранилища отбивают в натуре горизонталь затопления, которая служит юридической границей для изъятия земель сельскохозяйственных и лесных угодий.

Вынос контура водохранилища состоит в обозначении на местности точек с высотой НПУ. На крупных водохранилищах его контур обозначается в натуре по высотам кривой подпора, при этом кривая разбивается на отдельные участки, в пределах которых ее можно принять за горизонтальную и назначить одну высоту (например, 100,00; 100,50; 101,00 и т. д.). Высоты этих горизонтальных участков и устанавливают в натуре. Работу выполняют техническим нивелированием.

Нивелирный ход начинают от ближайших к контуру водохранилища реперов нивелирной основы и прокладывают его в район расположения горизонтали затопления, вычисляя в поле высоты связующих точек. Когда высота связующей точки окажется близкой к проектной (в пределах м), определяют горизонт инструмента Нj. Вычитая затем из горизонта инструмента проектную высоту Нпр находят отсчет по рейке b, при котором ее пятка будет находиться на искомой горизонтали затопления, b=Нj- Нпр .

Рейку передвигают по склону до получения по средней нити требуемого отсчета b (в пределах 3 - 5 см). С этой же станции намечают через 30 - 50 м еще ряд точек, фиксируя их кольями. Затем нивелируют следующую связующую точку, близкую по высоте к проектной и, опираясь на нее, находят точки горизонтали затопления этого участка и т. д. Через 3-5 км ходы технического нивелирования по отбивке горизонтали затопления привязывают к реперам высотной основы.

Через 200 - 300 м отбиваемую линию спрямляют (рис. 233), допуская стрелы прогиба до 10 м, а в горных районах и до 30 м. Углы поворота спрямленных линий закрепляют столбами.

Рисунок 233 - Вынесение контура водохранилища в натуру

В горных районах отбивка горизонтали затопления может быть выполнена тахеометрическим способом. В залесенных труднодоступных районах для этой цели можно применить барометрическое нивелирование.

При наличии крупномасштабных фотопланов с горизонталями, на которых по проектным высотам нанесена граница затопления водохранилища, последняя может быть вынесена в натуру с достаточной точностью промерами от четких контуров.

На территориях населенных пунктов и промышленных предприятий контур водохранилища устанавливается с ошибкой по высоте не более 0,10 м. На территориях пустынь, тундры, болот, а также на незалесенных горных участках с крутыми склонами горизонталь затопления в натуре не фиксируется.

В пределах контура водохранилища выполняются крупномасштабные инвентаризационные съемки населенных пунктов и предприятий для их переселения, а также съемки зданий и сооружений вблизи водохранилища для проектирования инженерной защиты.

В наиболее низких местах чаши водохранилища производят разбивку трасс судовых ходов, установку створных знаков и речной обстановки, а также ведут изыскания для строительства портовых сооружений.

Одновременно с отбивкой на местности контура водохранилища ведут гидрологические изыскания по выявлению кривой подтопления местности грунтовыми водами.

2.1.10. Русловые съемки

2.1.10.1. Обоснование и масштабы съемок

При воднотранспортных изысканиях важнейшим вопросом являются русловые съемки рек, выполняемые для целей гидротехнического строительства и эксплуатации водных путей. Особое значение русловые съемки имеют для исследования руслового режима: глубин потока, уклонов водной поверхности, движения наносов, состояния берегов. На основании периодических русловых съемок устанавливают общее изменение русла реки и деформацию берегов за многолетний период.

Съемка русла реки и поймы ведется до границы уровня высоких вод, при этом главное внимание обращают на полноту и точность промеров глубин реки и отображение всех характерных особенностей русла. Съемка береговой ситуации может быть выполнена обобщенно. В связи с этим несколько понижаются требования к точности построения планового обоснования.

Для рек шириной 200 - 500 м планы составляют в масштабе 1: 2000 -1: 5000 с изображением рельефа дна горизонталями или глубины реки изобатами через 0,25 - 0,5 м. Для ширины более 500 м масштаб съемки уменьшается до 1: 10 000 при высоте сечения 0,5 - 1 м.

Наземные съемки целесообразно дополнять аэрофотосъемкой, дающей наглядное представление о морфологических особенностях реки.

Плановое обоснование русловых съемок строится в виде рядов триангуляции 1 разряда, линейно-угловых сетей из базовых треугольников, полигонов светодальномерной полигонометрии, которые сгущаются теодолитными ходами или цепочками микротриангуляции.

При больших участках съемки плановое обоснование привязывается к государственным сетям, при этом средняя квадратическая ошибка в положении пунктов в слабых местах уравненного обоснования не должна превышать 0,5 мм в масштабе составляемого плана, а сетей сгущения (съемочных сетей) -1 мм. Общая ошибка в положении промерных точек и контуров речной обстановки и береговой ситуации не должна превышать 1,5 мм.

Высотная основа русловых съемок равнинных рек создается в виде ходов и полигонов нивелирования III класса, сгущаемых ходами нивелирования IV класса и технического. Длины этих ходов рассчитывают из условия, чтобы невязки f_h ходов и замкнутых полигонов на исследуемых участках были

, (1)

где h- падение реки.

2.1.10.2. Промерные работы

Детальное изображение рельефа дна реки или глубины потока производят по поперечным профилям, называемым галсами, которые, как правило, располагаются перпендикулярно к оси потока на расстоянии один от другого через 1-2 см в масштабе плана. Промерные точки на галсах назначают в 2-4 раза чаще.

В состав промерных работ входит измерение глубины реки, определение планового положения промерных точек, наблюдение за высотой уровня воды в реке в момент промерных работ.

Измерение глубины потока можно проводить следующими методами:

1) с помощью наметки - деревянного шеста длиной 4-6 м, размеченного с через 0,1 м и раскрашенного;

2) с помощью ручного лота - пенькового троса, к которому прикреплен свинцовый груз весом 3-6 кг; применяется при скорости воды в реке 1 м/с и менее;

3) с помощью гидрометрической лебедки - троса, прикрепленного на лотке; при этом, лебедка снабжена счетчиком, показывающим длину выбранного троса;

4) с помощью эхолота - ультразвукового прибора, измеряемый глубину до 40 м.

Эхолот основан на принципе ультразвуковой локации и определяет глубину потока h путем измерения времени прохождения ультразвукового импульса от излучателя А до дна реки В и обратно к приемнику С (рис. 234). Зная скорость распространения ультразвуковой волны в воде ( 1500 м/с) и время t прохождения звука до дна и обратно с учетом глубины осадки катера, имеем

(2)

и (2’)

где b- половина базы эхолота;

h_o - осадка катера;

a- расстояние от плоскости излучателя АС и приемника до поверхности воды;

d- расстояние от днища катера до плоскости АС.

В речном эхолоте использован эффект магнитострикции, возникающий в пакетах из никелевых пластинок при прохождении по ним электрического тока.

Основными частями прибора являются:

· центральный прибор с индикаторным устройством в виде самописца для автоматической записи глубин на равномерно движущейся графитовой ленте (батиграмме);

· блок образования звуковых колебаний в электрическом поле;

· вибратор-излучатель ультразвуковых колебаний заданной частоты;

· вибратор-приемник ультразвуковых колебаний после отражения их от дна реки;

· усилитель вновь преобразованных звуковых колебаний в электрические импульсы;

· фильтр.

Точность измерения глубин эхолотом составляет 10 - 15 см при глубине до 5 м и с увеличением глубины понижается до 1- 2%. Случайные ошибки измерений связаны с неравномерной работой самописца и отсчетами по батиграмме. Для уменьшения влияния систематических ошибок в показания эхолота вводят поправки: - за отклонение реальной скорости распространения ультразвука в воде от расчетной; - за отклонение скорости вращения электродвигателя от расчетной; - за глубину погружения вибраторов и базы между ними.

Перед работой эхолоты тарируют (эталонируют) путем сравнения глубин, измеренных непосредственно (h_н) и эхолотом (h_э). Разность h_н-h_э характеризует суммарную поправку эхолота за влияние систематических ошибок.

Глубина погружения вибраторов при движении катера определяется по шкале, нанесенной на штангах забортового устройства.

При промерах на батиграмме фиксируются оперативными отметками:

· начало и конец промерного галса;

· точки на галсе, определяемые в плане засечками;

· привязки к пунктам радиогеодезического обоснования и др.

Рисунок 234 - Схема измерения глубины эхолотом

Рисунок 235 – Определение «чувствительности створа»

2.1.10.3. Плановая привязка промерных точек

Плановое положение промерного катера, двигающегося по галсу, может быть определено инструментальными засечками, радиодальномерными системами, фотограмметрическими методами.

Плановая привязка промерных точек на галсах производится не реже чем через 10 мм в масштабе плана, при этом обязательно определяют точки начала и конца галсов, резкого изменения скорости хода катера и глубин потока, перерыва хода промера.

А) Прямые засечки

Прямые засечки промерных точек проводят по команде, подаваемой с катера отмашками флага или по радиотелефону, с пунктов геодезического обоснования или с некоторого базиса, измеренного на берегу или острове и привязанного к пунктам обоснования, В момент засечки положение точки фиксируется (прожигается) на батиграмме и делается пояснительная надпись.

Катер при измерениях движется в створе галса по выставленным на берегу вехам, и от точности выдерживания створа(чувствительности створа) зависит качество съемки рельефа дни.

Допустим, А и В - опорные вехи на створе II (рис. 2), отрезок CD=р - отклонение промерного судна от створа, и - углы, с помощью которых определяется чувствительность створа а, тогда

(3)

Обозначим AB=l; AC=L. Тогда

(а)

и, следовательно

(б)

С учетом выражения (б)

(4)

По формуле (4) можно рассчитать такое расстояние между створными знаками, чтобы при заданных значениях L и а отклонение места наблюдателя от створной линии не превышало некоторого, заранее установленного значения р. Из формулы (4) находим:

(5)

При длинных промерных профилях значение угла будет весьма малым и член и в формуле (5) опущен, поэтому

(6)

откуда

(7)

или в радианах

(8)

Длину L можно взять с плана промерных работ, величину допускаемой нестворности р назначить по расстоянию d между смежными галсами, полагая р=0.1d.

Засечками определяются примерно треть или четверть от общего числа промерных точек; положение остальных точек определяется по секундомеру, считая, что промерный катер движется с равномерной скоростью.

При анализе прямой засечки для промерных работ следует иметь в виду, что ошибка визирования в этом случае значительно увеличивается за счет влияния реакции наблюдателя на отмашку флага, отклонения промерного катера от створа и т. д. и достигает для теодолитов при визуальной сигнализации 3 - 5' и для мензулы 7 - 10' .

Местоположение промерной точки может быть определено также обратной засечкой с движущегося катера путем измерения секстаном угла между направлениями на створные знаки и на береговой пункт планового обоснования. Наиболее надежные результаты получаются при более или менее перпендикулярном расположении измеряемого створа к базисной линии и при угле засечки в опорном пункте не менее . Однако и в этих условиях средняя квадратическая ошибка засечек промерных точек секстаном в полосе съемки 1000 м достигает10 м и более.

Применение радиодальномерных систем.

Для определения планового положения промерных точек применяют речной радиолаг, состоящий из задающей радиостанции (ЗРС),находящейся на судне, и двух отражающих радиостанций (ОРС), установленных стационарно в опорных пунктах на берегу. Радиодальномерная система работает на трех частотах:

· рабочая частота ЗРС f1- 2790 кГц;

· частоты ОРС f2=2/3f1;

· f3=3/2f1 ;

Установленная на судне ЗРС генерирует и излучает колебания строго стабилизированной частоты, которые принимаются ОРС, трансформируются и излучаются в пространство с постоянным сдвигом фазы. Принятые приемником ЗРС трансформированные колебания в сочетании с собственными попарно подаются в каналы фазового счетчика, где для каждого текущего момента определяется разность фаз между колебаниями задающей и отражающих радиостанций, характер изучая расстояния между ними.

Положение судна определяется АВ линейной засечкой по радиусам векторам RA и RB из береговых опорных станций А и В (рис. 236), которые для точки 01 равны

(9)

где - приращения расстояний, получаемые как произведение числа фазовых циклов, отсчитанных в процессе движения от точки 0, на их линейное значение.

Речной радиолаг снабжен автоматическим прокладчиком, позволяющим непрерывно фиксировать траекторию движения промерного судна в масштабах 1: 2000, 1: 5000 и 1: 10000. Координированию промера по методу радиолага предшествует геодезическая подготовка района работ, включающая привязку ОРС и обеспечение акватории съемки равномерно расположенными пунктами планового обоснования.

Места расположения ОРС выбирают с условием обеспечения стабильности работы радиоаппаратуры и геометрической надежности засечек и устанавливают на открытых возвышенностях в непосредственной близости от берегов. Их центр (мачта антенны) определяется с точностью не ниже 0,2 мм в масштабе плана.

Пунктами планового обоснования могут быть специально оборудованные плавучие вехи, сваи, причальные стенки и другие предметы, к которым может подойти промерное судно. Положение пунктов определяют прямыми и обратными засечками с ошибкой не более 0,3 мм в масштабе плана.

Рисунок 236 -Определение положения судна радиолагом

Дальнейшее сгущение пунктов осуществляют проложением радиодальномерных магистралей между пунктами планового обоснования. Пункты радиомагистрали устанавливают вдоль берега и закрепляют плавучими вехами. В зависимости от ширины водотока расстояние между пунктами радиомагистрали не должно превышать 10-20-кратного интервала между галсами.

При проложении радиомагистрали промерное судно с включенной аппаратурой перемещается от одного опорного пункта к другому; моменты сближения судна с пунктами радиомагистрали фиксируются оперативными отметками. Для контроля и повышения точности проложения магистрали каждый ход прокладывают в прямом и обратном направлениях, а полученные невязки в координатах распределяют поровну на все промежуточные вехи.

Промер глубин всегда начинают от пункта с известными координатами и заканчивают через несколько галсов на таком же пункте. Протяженность промерного хода допускают не более 10 км. Полученные невязки хода распределяют пропорционально пройденному пути промерного судна.

В процессе промерных работ оперативными отметками фиксируют:

· привязку галсов к пунктам обоснования;

· начало и конец каждого галса;

· моменты изменения курса и скорости движения промерного судна;

· знаки плавучей обстановки и т. д.

При надлежащем соблюдении углов засечки (желательно в пределах ) речной радиолаг обеспечивает точность определения промерных точек около 5- 7 м и дает высокую производительность измерений на больших водоемах.

Б) Фотограмметрические методы.

Достаточно эффективным является метод, сочетающий эхолотный промер с аэрофотосъемкой и фотограмметрической обработкой плана русла.

В этом методе плановая привязка галсов проектируется по фотопланам с использованием четких контуров местности. Для наиболее важных галсов определяются координаты точек привязки из фототриангуляции. Для засечки промерных точек на фотогалсах приборы устанавливают на берегу или острове в любой из контурных точек и ориентируют исходное направление по другому контуру. Фотопланы русла используют и для решения других гидрологических и геоморфологических задач.

Плановое положение промерных точек может быть определено способом обратных фотограмметрических засечек. С промерного катера, движущегося по створу, через некоторые интервалы времени фотографируют систему замаркированных точек обоснования, расположенных на одном из берегов (или лучше на разных берегах). Таких точек должно быть не менее четырех. При фотографировании оптическая ось измерительной камеры занимает горизонтальное положение.

По урезу воды на фотоснимках фиксируют линию горизонта, вдоль которой измеряют фотограмметрические абсциссы изобразившихся точек планового обоснования. Зная фокусное расстояние камеры fk по разности измеренных абсцисс вычисляют углы между направлениями на точки обоснования, геодезические координаты которых известны:

(10)

По координатам точек и вычисленным углам решают обратную задачу и определяют координаты промерной точки.

В момент фотосъемки береговых знаков по батиграмме делается оперативная отметка промерной точки. По исследованиям точность этого способа достаточна для составления плана русла в масштабе 1: 2000 .

По аэрофотоснимкам водной поверхности может быть определена глубина реки фотометрическим или стереофотограмметрическим методом.

В основе фотограмметрического метода лежит положение, что плотность фотоизображения водной поверхности увеличивается с глубиной по логарифмической зависимости.

При хорошей прозрачности воды и качественном изображении способ позволяет определять глубину до 5 м с точностью до 10 %. Более глубокие участки русла изображаются с постоянной плотностью (этот способ разработан проф. Малявским Б.К.).