ностной оценки принимаемых к проектированию расчетных уровней ледохода.
Анализ кривых вероятностей уровней ледового режима, постро енных по ряду переходов, показал, что они обладают небольшой асимметричностью. Это облегчает графическую экстраполяцию, а также позволяет оценить вычисленные величины с помощью кривых распределения.
На большинстве переходов наиболее правомерны кривые веро ятностей в виде прямой или слабоизогнутой линии в верхней части.
Графическое построение кривой вероятностей по заданным эм пирическим точкам не представляет затруднений. Однако наряду с этим представляют интерес попытки нахождения аналитических методов экстраполяции. Поэтому могут быть использованы усечен ные кривые нормального распределения, введенные в практику рас четов муссонных осадков и максимальных уровней воды [24].
При пользовании этими кривыми в отдельных случаях возникает необходимость изменения принятой точки усечения в зависимости от характера эмпирической кривой. Смещение точки усечения мо жет происходить в диапазоне вероятностей от 20 до 70%.
В качестве норм вероятностей для максимальных уровней ледо хода могут быть применимы нормы, рекомендуемые строительными нормами для расчетных уровней. Для минимальных уровней ледо хода должно быть также установлено расчетное значение вероятно сти превышения в зависимости от того, для какой цели предназна чен этот уровень. Для мостовых переходов может быть рекомендо вано значение вероятности, равное, например, 90%, для паромных переправ — 50%. В качестве расчетных для вычисления максималь ных и минимальных уровней должны быть использованы кривые распределения наибольших годовых максимумов. Определение ми нимальных уровней производится путем экстраполяции нижней час ти этих кривых.
При определении расчетных уровней высокого ледохода следу ет иметь в виду, что они не могут быть выше уровня высокой воды в период половодья при одинаковой обеспеченности. Случаи превы шения этого уровня указывают на формальность принятой кривой вероятностей в верхнем пределе или на неоднородность выборочно го ряда уровней ледохода, в которые могли попасть заторные уровни.
При отсутствии многолетних наблюдений за уровнями ледохода в неизученных районах находят применение региональные эмпири ческие соотношения между характерными горизонтами.
В этом отношении удобно использовать горизонт высокой воды, определяемый одним из известных способов. Для определения от метки расчетного уровня высокого ледохода # вл на реках Якутской АССР была применена формула
Нвл = Яр~ * А а * , |
(Х-23) |
Кр |
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а Х-3 |
вп, % |
*Р |
«л=2 |
«/2=5 |
«/2=10 |
0,33 |
0,93—0,99 |
0,57—0,71 |
0,83—0,67 |
0,86 -0,74 |
1 |
1,0 |
0,62—0,73 |
0,86—0,72 |
0,9—0,8 |
2 |
1,05—1,01 |
0,65—0,75 |
0,87—0,76 |
0,92—0,84 |
3 |
1,08—1,03 |
0,69—0,77 |
0,85—0,89 |
0,94-0,91 |
|
|
|
|
|
где Яр — отметка уровня высокого |
половодья |
1% |
вероятности; |
/ср — переходный коэффициент |
от |
вероятности |
превышения |
уровней 1% к заданной, определяется по |
табл. |
Х-3; dmax— |
максимальная толщина льда в русле по створу перехода; кл — |
коэффициент, зависящий от района |
изысканий |
и положения |
перехода относительно длины реки, колеблется на реках СССР
в пределах от 0,5 до 2,5. Так, на севере Якутской АССР он со ответствует 0,5, а в нижнем течении р. Хопер — 2,5. При отсут ствии каких-либо данных этот коэффициент с обеспечением некоторого запаса при расчете опор моста может быть ориен тировочно принят равным 0,7—0,8.
Уровень низкого ледохода в этом районе может |
быть |
установ |
лен по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
/ / нл= |
в— |
, |
|
|
(Х-24) |
|
|
|
ч |
|
|
|
|
где Я 99— отметка уровня высокого половодья |
99% |
вероятности; |
ЯР1* — средняя глубина воды в русле при расчетном горизон |
те 1% вероятности; кв — переходный |
коэффициент, зависящий |
от глубины в период низкого |
ледохода, района |
изысканий и |
морфологии расчетного створа. Для |
средних рек |
Якутской |
АССР он равен 0,1, может изменяться в пределах от 0,5 до 0,12, |
большее |
значение |
соответствует средним |
глубинам 1—3 м9 |
меньшее — глубинам 6—8 м. |
|
|
|
|
|
Уровень первой подвижки льда и остальные горизонты ледового |
режима при |
отсутствии |
наблюдений были получены по |
формуле: |
|
|
f f a==J ^ L ; |
|
|
|
(Х - 2 5 ) |
|
|
|
К п |
|
|
|
|
где Янабл — отметка искомого уровня, наблюденного в период по левых обследований; кп — переходный коэффициент от повторя
емости обследованного паводка к требуемой вероятности пре вышения, определяется по табл. Х-3. Для определения кп по
табл. Х-3 необходимо установить по данным полевого обследо вания или любыми косвенными методами вероятность превы шения наблюденного уровня в годах; п — индекс, обозначаю
щий количество лет, соответствующее установленной повторя емости наблюденного уровня.
При наличии графика колебаний уровней воды хотя бы за один или несколько лет уровень первой подвижки возможно ориентиро вочно установить с помощью этого графика по датам его появления. Для неизученных районов целесообразно использовать метод гео графической интерполяции, с помощью которого можно расширить информацию об уровнях ледохода путем переноса в заданный рай он. С этой целью должны быть установлены опорные бассейны, на которых по данным наблюдений могут быть уточнены величины ко эффициентов /сл и /св, даты появления уровней, а также характер ные модели графиков колебаний уровней, а затем произведена их географическая интерполяция из опорных бассейнов на требуемые створы мостовых переходов.
Г л а в а XI. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЫВА ПОД МОСТОМ
§ 51. ОПТИМАЛЬНАЯ ФОРМА ЖИВОГО СЕЧЕНИЯ ПОСЛЕ РАЗМЫВА
Для обеспечения нормальной работы мостового перехода по про пуску паводков большое значение имеет не только количественный прогноз деформаций подмостового русла (например, величины среднего коэффициента размыва), но и наиболее благоприятное распределение этих деформаций лод мостом.
Это распределение деформаций зависит от правильного сочета ния размещения отверстия моста, связанного с очертанием русла и мощностью пойм, срезки грунта под мостом или расчистки живо го сечения, размеров и формы струенаправляющих дамб.
Общей целью этих мероприятий является обеспечение оптималь ной формы живого сечения под мостом после размыва.
Если рассматривать два живых сечения под мостом одинаковой площади — прямоугольное и треугольное — [16], то треугольное про пустит больший расход.
Следовательно, при пропуске одинакового расхода прямоуголь ное живое сечение будет иметь большую площадь, чем треугольное. Анализ показывает, что реальные формы живых сечений под мос тами в более чем 90% случаях занимают промежуточное положе ние между близкими к прямоугольным и треугольным. Соотноше ние между расходом в треугольном сечении Q& и в прямоугольном
Q □ при одинаковых площадях живых сечений [16]:
|
QA ^ |
2 |
(ХМ) |
|
Qn |
2 |
|
|
|
где х — показатель в формуле скорости v на вертикали |
с глуби |
|
ной h |
ahx. |
(XI-2) |
|
v = |
Полагая я = 2/з, получаем
Qn
Чтобы расход в прямоугольном сечении повысился на 19%, не обходимо, чтобы повысилась глубина h и новая глубина в этом сечении h\ составила бы
(h i |
|
|
|
h i Y*+i |
hi = |
1,12ft. |
|
1,19, откуда |
( Х М ) |
При этом скорость должна повыситься в соотношении |
|
т ч ^ г = > |
. о |
, |
(XI-5) |
Максимальная глубина в треугольном сечении ftm a x = 2 ft, |
а в пря |
моугольном, как указано, — 1,12ft.
Соотношение между максимальными глубинами в сечениях со ставит:
<Х 1 - 6 >
Таким образом, при пропуске одинакового расхода прямоуголь ное живое сечение по сравнению с треугольным характеризуется следующими относительными значениями расходов, площадей, ско
ростей, максимальных глубин и подпоров перед |
мостом |
Дz |
(табл. Х М ). |
сечение по всем |
Из таблицы видно, что .прямоугольное живое |
показателям предпочтительнее треугольного, так |
как |
при том |
же |
расходе оно имеет большую площадь и меньшие скорость, макси мальную глубину и подпор, чем в треугольном.
Поэтому задачей мероприятий по обеспечению оптимальной фор мы живого сечения под мостом является создание живого сечения, приближающегося к прямоугольному.
Из табл. XI-1 ясно, что понятие общего размыва, выражающего ся коэффициентом Р (VIII-1), является неполным, так как его зна
чение зависит от формы живого сечения. Коэффициент размыва по
|
Т а б л и ц а |
ХМ |
максимальной глубине может не |
|
Формы живого сечения |
совпадать с тем же коэффициен |
|
|
|
|
том |
по средней глубине. Соотно |
Величины |
Треугольная |
Прямоугольная |
шение между этими коэффициен |
|
|
|
|
|
тами зависит от характера дефор |
Q |
|
|
|
маций живого сечения под |
мос |
1 , 0 |
1 , 0 |
|
том. |
строго |
прямоугольном |
жи |
(л) |
1 , 0 |
1 , 1 2 |
|
В |
V |
1 , 0 |
0 , 8 9 |
|
вом |
сечении |
под мостом, где |
нет- |
^шах |
1 , 0 |
0 , 5 6 |
|
|
ясно выраженного фарватера,при |
Д-гг |
1 , 0 |
0 , 8 0 |
, |
низких уровнях могут возникнуть затруднения для судоходства и сплава.
Данные о коэффициентах формы живых сечений a (VIII-4) под
мостами при расчетном уровне вероятностью превышения 1—2% более чем по 50 переходам, собранные Л. Г. Бегамом, показали, что этот коэффициент независимо от того, произошел ли размыв, не бы вает менее 1,20. Это значение коэффициента и следует считать прак тическим пределом приближения живого сечения под мостом к прямоугольному. При снижении уровня по сравнению с расчетным судоходным средняя глубина под мостом будет уменьшаться отно сительно больше, чем максимальная, и поэтому коэффициент а бу дет увеличиваться.
Следовательно, при достижении под мостом формы живого сече ния, близкой к оптимальной, максимальная глубина будет ясно вы ражена и сомнений относительно возможных препятствий для су
|
|
|
|
доходства и сплава под мостом не должно возникнуть. |
распреде |
Комплекс мероприятий по обеспечению оптимального |
ления размыва под мостом определяется тем, включает |
ли отвер |
стие моста только русло или, кроме того, еще |
и участки |
пойм. |
В первом случае отпадает срезка, а размещение |
отверстия |
моста |
строго фиксировано, и обеспечение распределения размыва дости
гается лишь работой струенаправляющих дамб. |
приводит к |
Во втором случае выполняемая срезка под мостом |
выравниванию глубин до размыва, а если срезка не |
будет |
зано |
ситься, то выравненные глубины сохранятся также и |
после |
раз |
мыва. |
цель, чтобы |
Размещение отверстия в этом случае преследует |
пойменные потоки проходили бы на пойменных участках моста, а русловой поток в русловой части отверстия. Если скорость поймен ных потоков под мостом близка к скоростям руслового потока, то при близких глубинах из-за срезки будут обеспечены условия для формирования живого сечения, близкого к прямоугольному.
При формировании такого живого сечения задача струенаправ ляющих дамб состоит в том, чтобы направить пойменные потоки на пойменные участки подмостового сечения. Эти участки при равно мерном распределении скоростей и глубин определяют по форму-
. |
Q l l H у |
у |
Q ЛИу |
/ л л |
л |
лам /пп = |
—— /м и /лп = |
— |
/м, где Q, Qnn и Улп — соответствен- |
|
У |
|
У |
|
|
но расходы общий, проходящие по правой и левой поймам; /м, /пп, /лп — соответственно отверстие моста, право- и левопойменные его участки.
В условиях переформирования русла, вызванного естественным русловым процессом, комплекс мероприятий, осуществленный при постройке мостового перехода и отвечающий своему назначению при ином положении и очертании русла, может оказаться неприем лемым. Поскольку размещение отверстия моста и обычно срезка под мостом в процессе эксплуатации не изменяются, на выправле ние живого сечения под мостом Должны влиять струенаправляю-
Рис. XI-1. Уширение русла на мостовом переходе
щие дамбы, которые в связи с русловым 'процессом может потребоваться переустраи вать. В натуре такую перестройку, как пра вило, не выполняют. Следствием этого яв ляются часто встречающиеся недостатки в работе эксплуатируемых мостовых перехо дов, связанные с неудовлетворительной ра ботой струенаправляющих дамб.
Материалы, собранные Л. Г. Бегамом по 24 дефектным мостовым переходам, показа ли, что 80% из них имеют дефекты, связан ные с неудовлетворительной работой струе направляющих дамб, характеризуемые со средоточенными размывами и неравномер ной загрузкой пролетов моста.
Признаком, который характеризует бла гоприятный ход общих деформаций русла под эксплуатируемым мостом, перекрываю щим русло и участки пойм, является уши рение бытового русла на участке моста (рис. XI-1). Наличие этого признака показы
вает, что пойменные участки моста размыты и объединились с бы товым руслом, и форма подмостового русла при этом стала ближе к прямоугольной, чем до размыва.
§ 52. СРЕЗКА, РАСЧИСТКА, СПРЯМЛЕНИЕ РУСЛА
Срезка грунта на пойменных участках живого сечения под мос том способствует выравниванию глубин и приближению живого се чения под мостом к оптимальной форме.
Увеличивая площадь под мостом, срезка позволяет при той же величине коэффициента общего размыва сократить отверстие моста. Грунт из срезки часто может быть использован для отсыпки дамб и насыпи подходов, поэтому срезка оказывается экономически целе сообразным мероприятием, однако при условии, что на срезке не будут откладываться наносы и с течением времени русло под мос том в результате объединения с пойменными участками отверстия уширится (см. рис. Х1-1).
Чтобы срезка не заносилась, необходимо иметь в виду ряд обстоятельств.
Срезку не следует делать под мостами через блуждающие реки, перемещающие большие массы наносов. Такая срезка будет в ко роткое время полностью занесена. Например, на переходе через блуждающую р. Карадарью, еще до окончания работ по устройству срезки она была занесена.
При расположении мостового перехода на криволинейном участ ке русла срезку выпуклого берега русла делать нецелесообразно, так как она будет занесена, поскольку такая срезка противоречит
|
естественному ходу русло- |
|
Т а б л и ц а XI-2 |
|
вого процесса, |
когда про |
|
|
|
|
исходит размыв вогнутого |
|
Процент |
Наблю |
|
берега русла и отложение |
Река |
расхода, |
денный |
|
проходя |
коэффици |
|
наносов |
на |
выпуклом бе |
|
щего по |
ент |
|
регу. |
|
|
|
|
|
|
поймам |
размыва |
|
бытовом |
состоянии |
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
русло |
реки |
вырабатыва |
Ока у Белева |
65 |
1,52 |
|
ется |
под |
воздействием |
Урал у Оренбурга |
69 |
1,49 |
|
главным |
образом |
часто |
Вопь |
65 |
1,30 |
|
Нерусса (линия Навля — |
|
|
|
повторяющихся русловых |
60 |
1,40 |
|
Конотоп) |
|
расходов. Во время высо |
Сейм у Конотопа |
48 |
1,52 |
|
ких паводков |
по |
поймам |
Днепр (линия Вязь |
57 |
1,23 |
|
проходит |
|
значительная |
ма — Духовская) |
|
|
доля полного расхода, ко торая, если и влияет на формирование русла, то только как вре менный фактор.
При стеснении живого сечения реки подходами к мосту поймен ные расходы направляются под мост и к бытовым руслоформирую щим расходам прибавляются еще пойменные расходы.
Если наиболее часто встречающиеся максимальные расходы и уровни лежат выше средней отметки пойм, то пойменные расходы будут представлять собой постоянный фактор формирования ново го русла под мостом и срезка будет эффективной. Если же наибо лее часто встречающиеся расходы и уровни располагаются ниже средней отметки пойм, пойменные расходы не будут формировать русло, которое, несмотря на срезку, восстановит свою бытовую ши рину. Условие частоты затопления пойм для эффективности работы срезки является необходимым, но еще недостаточным.
Если в сечении под мостом срезка занимает большую площадь, например, когда под мостом не допускается значительного общего размыва, скорости на срезке будут малы, что будет способствовать отложению наносов на ней.
Мостовые переходы, на которых не откладывались наносы на срезке или русло уширилось, объединившись с пойменными участ ками моста, характеризуются сравнительно высокой долей расчет ного расхода, проходящего по пойме, а также значительной вели чиной коэффициента размыва.
Данные по таким переходам приведены в табл. XI-2, откуда видно, что рассчитывать на хорошую работу срезки можно при на личии пойменного расхода, составляющего 50 и более процентов расчетного расхода и при коэффициенте общего размыва более
1,25— 1,30.
Преувеличенная срезка под мостом будет влиять на ее работу аналогично неправильному размещению отверстия моста, когда больший пойменный участок его расположен со стороны малодея тельной поймы. Срезка также не будет удовлетворительно рабо тать, если направление потока под действием струенаправляющих дамб будет способствовать отложению наносов на ней.
297
Рис. XI-2. Схема расположения срезки на мостовом перехо
де; |
а — план; б — профиль по оси перехода; |
в — профиль |
по |
оси перехода при наклонной плоскости |
срезки; УС — |
|
уровень срезки; УМ — уровень межени |
Для того чтобы поток приобрел глубину и ско рость, соответствующие срезке, она должна быть продолжена вверх и вниз от моста, а плоскость срезки должна плавно сопрягаться с поверх ностью земли. Поэтому срезку выводят до голов ных частей струенаправляющих дамб (рис. XI-2), а сопряжение срезки с поверхностью поймы де лают с откосами крутизной 1: 5— 1: 10 с верхо вой стороны и 1 : 10— 1 :20 — с низовой. Направ ление откосов принимают нормально . направле нию течения у головных частей дамб.
Уровень срезки назначают таким, чтобы была обеспечена воз можность выполнить работы — на 0,3—0,4 м выше уровня средней
межени |
(рис. XI-2, б). |
Когда разность между отметками поймы и межени велика, плос |
кости |
срезки назначают не горизонтальными, а наклонными |
(рис., XI-2, в). |
Если средняя отметка поймы близка к отметке средней межени или когда по местным условиям срезка экономически нецелесооб разна, ее не назначают и ограничиваются расчисткой от раститель ности площади не менее той, которую занимала бы срезка.
Значение расчистки видно из того, что на заросшей пойме ше
роховатость, характеризуемая величиной — в формуле Шези —
п
Маннинга составляет 6, а на расчищенной пойме — 30; Следова
тельно, на расчищенной пойме скорость потока будет в 5 раз выше, чем на заросшей.
Недооценка расчистки и ее невыполнение могут привести к сни
жению водопропускной способности пойменных пролетов моста, вызвать перегрузку русловых пролетов и увеличение подпора.
Ввысокий паводок 1968 г. на почти построенном переходе через
р.Томь, вследствие недостаточной расчистки поймы подпор перед мостом превысил расчетную величину и возникла опасность затоп ления ценных пригородных хозяйств. Чтобы избежать такой опас ности, потребовалось взорвать насыпь подхода, которая в короткое время была размыта на участке значительного протяжения.
При пересечении трассой дороги меандрирующих рек бывают случаи, когда переход на прямолинейном участке русла из-за раз вития линии нецелесообразен. В таких случаях переход располага ют на спрямленном русле (рис. XI-3, а). Наличие излучины, угро-
61
Рис. XI-3. План спрямлений русла:
а — на мостовом переходе; б — для защиты земляного полотна от подмыва;
1 — участки спрямленного русла; 2 — запруды
жающей насыпи подхода, вызывает также необходимость спрямле ния русла (рис. XI-3, б).
По этой причине был сделан ряд спрямлений на р. Сакмаре, ко торые успешно решили задачу защиты земляного полотна железной дороги от подмыва. Обычно спрямляют русла сравнительноне больших несудоходных и 'несплавных рек.
Размеры спрямляемого русла рассчитывают на пропуск расхо да, проходящего в бровках бытового русла. При расчете учитывают увеличение уклона в спрямленном русле за счет уменьшения длины спрямленного участка русла по сравнению с выключенной излучи ной.
Площадь спрямленного русла соср определяют по формуле
где (Эбрр — расход в бровках бытового русла, мъ/сек\ |
t>6pp— ско |
рость потока в бытовом русле при наполнении его |
до бровок, |
м/сек; £бР — длина выключаемого участка бытового русла, м; |
/ср — длина спрямления, м. |
|
Глубину спрямленного участка русла определяют по проектному |
продольному профилю, а ширину русла — исходя из |
известных |
площади и глубины.
Для ускорения отложения наносов в выключаемом участке рус ла в нижней его части устраивают запруду. Верх запруды назнача ют не выше бровок русла.
§ 53. СТРУЕНАПРАВЛЯЮЩИЕ ДАМБЫ
Регуляционные сооружения, применяемые на мостовых перехо дах, можно разделить на две группы: регулирующие русловой поток и регулирующие пойменный поток. Сооружения, относящиеся к первой группе, куда входят продольные и поперечные русловые со-
Рис. XI-4. Деформация русла на переходе через р. Вопь (цифры обозначают глу бину от уровня поймы, цифры в кружках — проценты расчетного расхода по пой мам и руслу)
оружения, имеют на мостовых переходах через равнинные реки ог раниченное применение.
Из сооружений, регулирующих пойменные потоки на мостовых переходах, применяют струенаправляющие дамбы и траверсы для защиты пойменных насыпей, а также водоразделительные дамбы для разграничения расхода между сооружениями, расположенны ми в общей пойме.
Верховые струенаправляющие дамбы направляют пойменные потоки под мост и обеспечивают равномерное распределение размы ва под мостом.
Низовые дамбы обеспечивают плавное и, постепенное растека ние потока, выходящего из-под моста.
