книги / Переходы через водотоки

взаимодействием двух сред — воды и грунта, причем характер взаимодействия будет различным для несвязных и связных грун­ тов [65].

При изыскании и проектировании мостовых переходов удобней пользоваться разработками ГГИ, которые позволяют на основании только картографических или аэрофотосъемочных материалов (см. § 6) установить тип руслового процесса на участке мостового перехода и дать качественный прогноз будущих русловых дефор­ маций. Для количественного прогноза потребуется выполнение то­ пографических работ по съемке русла, а также получение материа­ лов русловых съемок прежних лет, которые могут быть сопоставле­ ны с материалами съемки мостового перехода.

Прогнозы русловых деформаций, основанные на гидролого-мор­ фологической теории руслового процесса, применяют при проекти­ ровании переходов через реки ЛЭП и трубопроводов [110]. Для мостовых переходов такие прогнозы до последнего времени не про­ изводились. Впервые этот вопрос освещен в работе [16], где на ос­ нове указанной теории были даны приближенные решения, отра­ жающие специфику проектирования мостовых переходов, заклю­ чающуюся в прогнозировании наиболее невыгодных живых сечений для расчета размыва у опор моста и плановых деформаций русла для проектирования подходов и дамб.

Если отверстие моста перекрывает русло и части пойм и оно размещено на створе перехода с учетом распределения расчетного расхода, то при прогнозировании естественных русловых деформа­ ций стеснение паводочного потока подходами не учитывают по сле­ дующим соображениям.

Руслоформирующим является паводочный расход воды, прохо­ дящий в пределах русла реки, имеющий, как правило, вероятность превышения 40—60%. Затопление пойм, достаточное для возник­ новения общего размыва подмостового русла, происходит обычно в паводки вероятности превышения р^10% . Следовательно, в пе­ риод между редкими паводками (исчисляемый десятилетиями) рус­ ловой процесс на участке мостового перехода не будет отличаться от бытового и к моменту пропуска расчетного паводка под мостом могут сформироваться невыгодные по размыву живые сечения и плановые очертания русла, характерные для данного типа русло­ вого процесса. Поэтому в таких случаях применяют гидролого-мор­ фологическую методику прогноза естественных русловых дефор­ маций.

Сток воды и наносов в данных ландшафтных условиях вырабо­ тал речные русла, в которых существуют определенные соотноше­ ния между параметрами, определяющими форму русла, и гидрав­ лическими характеристиками потока. Для потоков, находящихся в состоянии динамического равновесия, такие соотношения, выявлен­ ные эмпирическим путем, называются гидроморфологическими за­ висимостями.

Различными исследователями предложено большое число гид­ роморфологических зависимостей [И, 54, ИЗ], связывающих гео­

161

метрические характеристики русла и мезоформ наносов с крупно­ стью частиц аллювия, расходом, уклоном и скоростью течения во^ ды. К такому типу эмпирических связей относится и выведенная нами зависимость (IV-8) для скорости динамического равновесия.

Гидроморфологическими зависимостями пользуются при коли­ чественной оценке русловых деформаций (см. § 30—32).

В последнее время в трудах ГГИ, посвященных исследованиям руслового процесса, находят применение статистические и вероят­ ностные методы, которые правомерно использовать при изучении сложных природных явлений, определяемых многими факторами (см. § 32).

Русловой процесс нарушается после возведения гидротехничес­ ких сооружений, причем это нарушение может охватить большой участок по длине реки. Локальные нарушения руслового процесса возможны на участке мостового перехода, если последний значи­ тельно стесняет поток, ограничивает развитие излучин или если сооружения мостового перехода не обеспечивают плавного слива пойменных вод в отверстие моста (см. § 33).

Типизация руслового процесса неизбежно схематизирует это сложное явление. Могут встретиться реки с русловым процессом, отличным от установленных ГГИ типов, например текущие в ущель­ ях горные реки с безгрядовым движением наносов, а также реки со смешанным типом руслового-(процесса.

Поэтому приводимые ниже рекомендации для типичных случаев надо применять с учетом особенностей данной реки и прогнозиро­ вать деформации мезо- и макроформ, обращая внимание на изуче­ ние топографических съемок русла за разные годы.

§ 30. РАСЧЕТ СМЕЩЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ГРЯД И ПОБОЧНЕЙ

Ленточногрядовый тип руслового процесса опознается по сле­ дующим признакам: русло прямолинейное или слабоизвилистое, повороты его совпадают с поворотами долины, берега без следов подмыва и задернованы; дно русла песчаное, в межень просвечива­ ет цепь крупных гряд наносов, занимающих всю ширину русла, по­ ложение гряд хорошо видно на аэрофотоснимках русла; поймы, как правило, отсутствуют или небольшие, ровные, без проток и староречий.

Ленточногрядовый тип характеризуют следующие параметры (см. рис. VII-1):

Хг — шаг гряды, равный расстоянию между гребнями смежных

Ьр

ширине русла 6Р, величина его находится в пределах 6—8; Аг— высота гряды, равная наибольшему превышению гребня гряды над подошвой подвалья; Дг^ 1 ,5-f-2,0 м, но может достигать и больших

значений; Сг— средняя скорость перемещения ленточных гряд, зна­ чение этой скорости составляет сотни метров в год.

162

Скорость* перемещения гряд (м/сек) мала по сравнению со ско­

ростью течения воды в русле. По В. Н. Гончарову [35]

где q06— расход наносов на метр ширины русла, м3/сек.

Максимальные скорости сползания гряд наблюдаются в паво дочный период; в это же время гряды имеют наибольшие размеры по высоте. В меженный период процесс сползания гряд затухает.

Так как скорость смещения ленточных гряд измеряется сотнями метров в год, то за срок службы моста (порядка 100 лет) через створ мостового перехода пройдет много подвальев и гребней гряд. Для расчета общего размыва с учетом гидрографа паводка необ­ ходим профиль живого сечения по подвалью гряды, так как в этом случае средняя глубина после размыва будет наибольшей. При расчете общего размыва по скорости динамического равновесия конечный результат» не зависит от исходного живого сечения под мостом, если ширина и форма русла стабильны.

Плановые деформации берегов русла при этом типе руслового процесса протекают медленно или отсутствуют; этот вид деформа­ ций при проектировании мостового перехода можно не учитывать.

Для определения общего и местного размывов у опор моста не­ обходимо знать бытовую максимальную глубину /imax в подвалье гряды, которая образуется при прохождении паводка расчетной ве­ роятности превышения (см. рис. VII-1). Эту глубину рассчитывают в соответствии с методикой [16]. В пределах расчетных вероятностей превышения паводков рж 24-0,33% величины /imax определяют по

приближенным формулам:

где Hv% — высота расчетного уровня воды заданной вероятности

превышения над средней линией дна (см. рис. VII-1).

В табл. VII-1 даны значения коэффициента К для вероятности

превышения 0,33 % < /7< 2 %.

Т а б л и ц а VII-1

163

Формула VII-1 дается для прямолинейных участков русла, а формула VII-2 — для криволинейных участков.

Если нет данных о крупности руслового аллювия, величину hmax

можно получить, используя эмпирическую зависимость высоты гря­ ды Дг от руслоформирующего расхода Q50 вероятности превышения

Наибольшая глубина в подвалье гряды hm3iX не имеет фиксиро­

ванного положения по ширине русла и должна учитываться при расчете местного размыва у всех русловых опор, если нет ограни­ чений по геологическим условиям.

Створ мостового перехода через реку с ленточногрядовым ти­ пом руслового процесса располагают нормально к руслу. Поймы при этом типе обычно незначительны, без проток и стариц, и пере­ сечение их возможно без специальных требований к плану трассы, без регуляционных сооружений и водоотвода. Учет руслового про­ цесса в этом случае сводится к определению наибольшей глубины воды, которая образуется в подвалье гряды при расчетном па­ водке.

Пример расчета. Река на участке автодорожного мостового перехода течет по неширокой долине, пойменная часть которой представлена ровным лугом; русло шириной 50—60 м изогнуто по пологой кривой, следуя общему повороту долины. По руслу сползают ленточные гряды, берега задернованы, без следов боковой эрозии; средний диаметр донных наносов dCp=0,8 мм. Руслоформирующий расход Q50=34Q м*/сек.

Превышение расчетного уровня воды (УВВ2%) над средней линией дна на участке перехода Н2%=5,65 м. Так как

то коэффициент К по табл. VII-1 равен 0,25. Наибольшую глубину для криволи­ нейных русел рассчитываем по формуле (VII-2); тогда

hmax = 5,65(1 + 0,25) = 7 ,0 6 м.

По формуле (VI1-3) величина Ятах несколько меньше:

А тах«5,65 + 0,12-340°-37« 6 ,7 м.

По геологическому разрезу в створе перехода находим, что базальный слой более крупного аллювия (dcp= 2 мм) залегает на глубине 8,4 м, следовательно, глубина hmах=7,06 м может образоваться при проходе расчетного паводка; эту бытовую глубину принимают за исходную при расчете общего и местного раз­ мывов у русловых опор моста.

При побочневом типе руслового процесса движение наносов также происходит грядами, занимающими всю ширину русла, но сильно перекошенными в плане. Возвышенные части гряд примыка­ ют к противоположным берегам русла и вследствие перекоса рас­ полагаются в шахматном порядке; в межень они обсыхают, обра­ зуя побочни, которые хорошо опознаются на крупномасштабных картах и аэрофотоснимках.

164

Рис. VII-2. План побочневого русла:

/ — средняя линия меженного русла; 2 средняя линия паводочкого русла; 3 — изобаты; 4 —плесовые лощины; 5 — перекаты; 6 —побочни

Шахматное расположение побочней приводит к искривлению меженного потока и образованию поперечной циркуляции на за­ круглении; поток, размывая плесовую лощину у вогнутого берега, переносит наносы к выпуклому берегу, наращивая противолежа­ щий побочень.

Плесовые лощины меженного русла отделены друг от друга по­ ниженными частями перекошенных гряд наносов, образующими перекаты. В паводок по руслу сползает вся гряда со скоростью, зависящей от устойчивости русла; плесовые лощины углубляются, а гребни перекатов наращиваются. В межень побочни неподвижны и размываются лишь гребни перекатов, а плесовые лощины частич­ но заносятся.

При побочневом типе не происходит значительных изменений плана коренных берегов русла и переформирования пойм, однако коренные берега менее устойчивы, чем при ленточногрядовом типе. Побочни, сползая вниз по течению, прикрывают от размыва те уча­ стки берега, к которым они примыкают, а прижимные участки бе­ рега между грядами, где расположены плесовые лощины, размы­ ваются, что приводит к периодическому расширению и сужению русла. При расширении возможны отторжения побочней и переме­ щения в образовавшийся рукав главного русла. Поймы обычно не­ широкие, рельеф их состоит из вытянутых по направлению течения рядов параллельных грив; встречающиеся при этом типе руслового процесса широкие поймы являются реликтовыми или имеют озер­ ное происхождение.

Признаками периодически расширяющихся русел являются об­ рывистые подмываемые берега, а также следы отторжений побоч­ ней и спрямлений русла. План русла побочневого типа представлен на рис. VII-2. Побочневый тип характеризуют параметры:

Яп — шаг побочня, равный расстоянию по прямой^между смеж­ ными точками перегибов средней линии меженного русла; bv — ши­ рина меженного русла; BQV — ширина русла в его пойменных бров-

165

ках; — — относительный шаг побочня; Сп— средняя скорость спол-

6р зания побочней (ее устанавливают по совмещению съемок

различных лет); величина Сп составляет от десятков до сотен мет­ ров в год.

участке (на перекатном участке Вбр^ 1,0— 1,5&р).

Для периодически расширяющихся русел устанавливают вели­ чину Вшах, равную ширине русла в пойменных бровках в момент его наибольшего расширения (см. § 17). Для оценки устойчивости русел предложено много показателей.

По Н. А. Ржаницыну [112], обобщенный критерий устойчивости имеет вид

Для устойчивых русел У ^Ю 0, для среднеустойчивых 10< У < <100, для неустойчивых У<10.

Если нет русловых съемок за различные годы, то величину У ис­ пользуют для установления Сп по аналогии с рекой такого же типа,

где есть русловые съемки разных лет. При выборе аналога следует также иметь в виду, что устойчивость побочней и других русловых форм зависит не только от грунтовых и гидравлических характери­ стик русла, учитываемых формулой (VII-4)*

Подвижность этих морфологических образований зависит так­ же от режима жидкого и твердого стока — длительный многопи­ ковый лаводочный период и большой объем донных наносов при прочих равных условиях увеличивают интенсивность руслового процесса.

Движение побочней приводит к переформированиям живого се­ чения русла в створе мостового перехода; при сползании под мост правобережного побочня наибольшие глубины будут у левого бе­ рега, а при сползании под мост левобережного побочня — наи­ большие глубины будут у правого берега; средняя часть русла бу­ дет находиться в более стабильном положении, так как через нее всегда будут проходить перекатные участки гряд.

Скорости переформирований русла побочневого типа указыва­ ют на возможность образования за период службы моста плесовой лощины как у правого, так и у левого берегов. Следует учитывать и возможное расширение коренного паводочного русла по сравне­ нию с его размерами, снятыми в момент изысканий. По материалам русловой съемки выбирают три живых сечения (например, I, II и

166

III на рис. VII-2), два из которых соответствуют наибольшим глу­ бинам у правого и левого берегов русла, а третье — перекату с наи­ большей глубиной.

Эти сечения совмещаются на створе мостового перехода А — Б по общей осевой линии, представляющей собой среднюю линию русла в пойменных бровках (см. рис. VI1-2).

Построение трех прогнозируемых живых сечений производят с учетом возможных ограничений по геологическому строению русла в створе перехода.

167

Расчеты общего размыва производят для всех трех сечений и строят объемлющую наинизшую линию возможного размыва под мостом (рис. VI1-3).

Величину 5 тах определяют методом, изложенным <в § 17 на мор­ фологически однородном участке реки.

Если получить данные для такого определения нельзя, то Вшах принимают равной наибольшему расширению побочневого русла на участке мостового перехода.

Створ мостового перехода через реку с побочневым руслом (ес­ ли нет специальных требований судоходства и сплава), распола­ гают нормально к руслу в пойменных бровках, не считаясь с поло­ жением нестабильного меженного русла. Струенаправляющие дамбы должны обеспечить возможно меньшее нарушение естест­ венного руслового процесса, направив пойменные потоки в поймен­ ные части отверстия моста. Отверстие моста назначают не менее ширины русла в -пойменных бровках ВбР, даже если коэффициент общего размыва будет ниже допускаемого. При меньшем отверстии стеснение коренного русла подходными насыпями вызовет сосредо­ точенный размыв у конусов и устоев моста во время прохода побочней в створе перехода.

Если 5бР< £ тах, то целесообразно рассмотреть варианты уве­ личения отверстия моста до Вшах или укрепления берегов расши­

ряющегося русла.

Пример расчета. Трасса проектируемой железнодорожной линии пересекает реку с периодически расширяющимся руслом шириной #бр=420 м, пропускающим 77% расчетного расхода воды. Поймы незначительны: левая пойма пропускает 16%, а правая пойма — 7% расчетного расхода. Наибольшая ширина русла на участке реки с однородными условиями стока Ят а х=450 м. По руслу движутся побочни, сложенные гравием с песком и мелкой галькой (dcр« 8 мм); ширина меженного русла, сжатого побочнем, 6Р« 8 0 м. Сопоставлением планов русла, снятых в 1931_и в 1955 гг., установлено, что побочни сползают вниз по течению

со скоростью Сп « 20 м/год.

Показатель устойчивости меженного русла при уклоне 0,0004 и средней глу-

ветствует среднеустойчивым руслам.

Как видно на рис. VII-3, в 1931 г. наибольшие глубины находились у левого берега русла, а в 1955 г. — у правого берега; в 1939—1941 гг. перекат проходил в середине коренного русла.

Перекрытие мостом русла в пойменных бровках хмало стесняет паводочный поток, поэтому увеличивать отверстие до наибольшей ширины русла Втах нецеле­ сообразно.

Принято решение укрепить берега коренного русла (рис. VII-3, а). Для трех характерных положений меженного русла (1931, 1939 и 1955 гг.) построены про­ фили живых сечений (рис. VII-3, б), по которым рассчитан общий размыв под­ мостового русла.

Получены следующие коэффициенты общего размыва: для профиля 1955 г. /7=1,26, для профиля 1931 г. /7=1,27 и для профиля 1939 г. /7=1,04. Как видно из этих цифр, при крайних положениях меженного русла коэффициенты размыва получены близкими, а при среднем положении русла, когда через створ моста проходит перекат, коэффициент размыва резко уменьшается, так как площадь живого сечения под мостом до размыва в этот момент будет наибольшей.

Положение пунктирной линии на рис. VII-3, б изображает возможное наинизшее положение размытого дна русла.

168

§ 31. РАСЧЕТ СМЕЩЕНИЯ МЕАНДРОВ ПРИ ОГРАНИЧЕННОМ « СВОБОДНОМ МЕАНДРИРОВАНИИ. НЕЗАВЕРШЕННОЕ МЕАНДРИРОВАНИЕ

И ПОЙМЕННАЯ МНОГОРУКАВНОСТЬ

Ограниченное меандрирование является промежуточным типом руслового процесса между побочневым типом и свободным меандрированием. При замедлении транспорта донных наносов побочни закрепляются растительностью и превращаются в изолированные пойменные массивы, примыкающие к бортам сравнительно узкой долины, которая ограничивает развитие излучин (меандров) русла, имеющих в плане вид синусоиды.

Пойменные массивы размываются с верховой и наращиваются с низовой стороны. Сползание вниз по течению слабовыраженных меандров русла происходит с сохранением их очертаний и разме­ ров— русло передвигается параллельно самому себе (рис. VII-4). Перекаты расположены косо к направлению течения и проходят ниже точек перегиба русла. Наибольшие глубины находятся у под­ мываемого верхового берега пойменного массива. В межень пере­ каты размываются, а в половодье наращиваются: в плесовых ло­ щинах происходит обратный процесс. В процессе сползания излу­ чин пойменные массивы полностью перерабатываются и бывают сложены тем же аллювиальным материалом, что и русло.

Рис. VII-4. Схема мостового перехода через реку с ограниченно меандрирующим руслом:

7 — плесовая лощина

169

Ограниченное меандрирование русла характеризуют следующие параметры (см. рис. VII-4):

Яи — шаг излучины, равный расстоянию по прямой между двумя смежными точками перегиба средней линии меженного русла; Ьр — ширина меженного русла; Впм— ширина пояса ограниченного ме-

андрирования, равная сумме наибольших на обследуемом участке ширин меженного русла и пойменного массива; г — средний радиус

кривизны излучин на обследуемом участке реки; аи — угол разво­ рота излучины, равный обычно 60—80° и не превышающий 120°; Си— средняя скорость сползания излучины, определяемая по сред­

нему смещению точек перегибов излучин за отрезок времени между последовательными съемками русла; величина Си составляет метры

и (реже) десятки метров в год.

Образование в створе перехода трех характерных живых сече­ ний (плесовые глубины у правой границы пояса меандрирования, перекат по середине и плесовые глубины у левой границы пояса меандрирования) возможно только при сдвижке излучины на вели­ чину ^Яи. Такая сдвижка за период службы моста при ограничен­ ном меандрировании возможна не всегда. Согласно исследованиям

лет) обязательно образуются все характерные сечения. Для всех остальных случаев надо знать, на какую долю Яи сместится из­ лучина и соответственно этому смещению построив характерные живые сечения под мостом. Для такого расчета необходимо знать величину Си (м/год). Эту величину определяют по _совмещению планов русла по съемкам различных лет. Величина Си находится

делением среднего на участке смещения точек перегибов русла в

прямолинейном участке; Грасч— расчетное время, в течение ко­ торого при прохождении среднего паводка средняя скорость те­ чения в русле превышала неразмывающую скорость, сек\ у — объемный вес грунта русла в естественном залегании, кг/мг\

Я л — средняя за расчетное время глубина воды плесовой лощи­ ны на протяжении вогнутого берега, м.

Величины ^т.кр и ^т.пр определяют по формуле И. И. Леви:

170