книги / Проектирование мостовых переходов через большие водотоки

время. Слой воды на поймах при этом небольшой, и поэтому стои­ мость сооружения погонного метра земляных пойменных насыпей вместе с укреплениями значительно дешевле стоимости погонного метра мостов.

Назначая отверстия со стеснением водотока насыпями, необхо­ димо считаться не только с условиями устойчивости сооружений мостового перехода и минимумом затрат на его возведение и эксплу­ атацию, но и с отдельными особенностями реки и выбранного места перехода. Особенности эти могут потребовать увеличения отверстий. Так, на переходе равнинной реки с широкими поймами и пологими берегами, на которых непосредственно выше места перехода распо­ лагаются населенные пункты, приходится иногда увеличивать от­ верстия, чтобы снизить подпор и избежать затопления ценных уго­ дий и зданий. В некоторых случаях недопустимо пересыпать под­ ходами рукава и протоки на пойме из-за того, что это может нанести ущерб рыбному промыслу или водоснабжению населенных пунктов.

Для соблюдения требований судоходства и сплава леса при на­ значении отверстий мостов необходимо принимать во внимание сле­ дующее: 1) увеличение скорости течения по сравнению с бытовыми

условиями в глубокой русловой части отверстия, где располагаются судоходные пролеты моста, не должно быть чрезмерным; 2) подмо­

стовые габариты (размеры пролетов моста и возвышение низа про­ летных строений над расчетным судоходным горизонтом РСГ) должны быть достаточными для пропуска судов и плотов, которые будут обращаться на данной реке; 3) размещение отверстий и раз­ бивка на пролеты должны учитывать возможное перемещение судо­ вого хода за время эксплуатации моста вследствие естественных рус­ ловых процессов, происходящих в реке.

В настоящее время требования судоходства и сплава при устрой­ стве мостов регламентированы специальными нормами (НСП 103—

нение режима речного потока, вызванное стеснением его сооруже­ ниями мостового перехода. В основном расчет отверстий сводится: 1) к прогнозу размывов русел и пойм у моста, чем определяется глу­

бина заложения фундаментов опор и отчасти сам тип фундаментов; 2) к нахождению величины подпора, от которого зависит необхо­

димое возвышение подходов к мосту и регуляционных сооружений, в также затопление местности выше по течению от перехода.

Как определение величины размывов, так и нахождение подпо­ ров производятся для некоторого расчетного максимального расхода воды. Вероятность превышения расчетного .максимального расхода принимается в зависимости от капитальности сооружения, устанав­ ливаемого по категории дороги (т:абл. 4, гл. IV). \

Расчеты отверстий в силу неизбежной схематизации и прини­ маемого упрощения процесса движения стесненного речного потока

носят приближенный характер, в особенности это относится к рас­ чету размывов.

Расчет подпора был рассмотрен в гл. V. Он представляет собой гидравлический расчет и, следовательно, относится к определенному положению дна речного русла. Рассчитывая отверстия, определение подпора производят для двух случаев: вначале без учета размыва

Рис. 87. Схема, поясняющая сложение трех видов размыва:

смытые слои грунта: ftc — сосредоточенный размыв, h0 —общий

размьш, Лв —местный размыв

2) м е с т н ы й размыв у опор моста, являющийся следствием ло­

кального изменения кинематической структуры потока при обте­ кании опор (см. рис. 99); 3) с о с р е д о т о ч е н н ы й размыв, воз­ никающий в результате естественного переформирования речных русел. Условно считается, что все три вида размывов протекают неза­ висимо друг от друга, так как они вызываются разными причинами. А потому для нахождения окончательной глубины размыва допусти­ мо просто складывать их (рис. 87).

Углубление живых сечений потока у моста вследствие о б- щ е г о р а з м ы в а захватывает вверх и вниз по течению от соо­ ружения значительную площадь (см. рис. 90). Поэтому объем выно­ симого при размыве грунта довольно велик. Б связи с указанным процесс общего размыва обычно протекает долго, в течение ряда лет. Год, в котором сформируется дно, соответствующее наибольшему общему размыву, зависит от чередования высоких и низких павод­ ков. В промежуточные периоды между паводками, в период стояния низких вод, когда нет стеснения потока, общего размыва не про­ исходит; более того, углубление дна русла у моста, образовавшееся во время паводка, в какой-то мере заносится. При очередном па-

водке размыв повторяется, но начинается он при ином положении дна, чем в предыдущий паводок. Размеры общего размыва при каждом данном паводке зависят от его высоты и продолжительно­ сти: чем многоводней паводок, тем больше размыв. Несмотря на случайный характер чередования высоких и низких паводков (см. гл. IV), можно предположить, что конечный наибольший размыв произойдет именно при прохождении самого высокого многоводного паводка. Тогда расчет общего размыва следует производить для этого паводка, принимая его за расчетный. Такая условная мето­ дика значительно упрощает отыскание величины размыва и поэто­ му применяется при проектировании мостовых переходов. Кроме того, с целью упрощения расчета принимается, что во время расчет­ ного паводка наибольшее углубление русла под мостом соответствует максимальному расходу, т. е. пику гидрографа паводка. Полагают также, что расчетный высокий паводок может наступить в год воз­ ведения мостового перехода, и поэтому за исходное положение ли­ нии дна под мостом можно брать то его положение, которое имело место в бытовых условиях — перед постройкой моста. В с е от ­ м е ч е н н о е в о т н о ш е н и и п р и н и м а е м ы х у п р о ­ щ е н и й у к а з ы в а е т на в е с ь м а о р и е н т и р о в о ч ­ н ы й х а р а к т е р р а с ч е т а о б щ е г о р а з м ы в а .

Глубину заложения фундаментов опор назначают с запасом, главным образом по причине приближенности расчета общего раз­ мыва. И. И. Херхеулидзе внес предложение принимать запас от 0,25 до 0,50 от рассчитанного слоя общего размыва. Действующие правила назначения запаса в глубине заложения фундаментов из­ ложены в § 33.

Величина предельно допускаемого общего размыва в настоящее время ограничивается техническими условиями проектирования мостов на железных и автомобильных дорогах. В табл. 23 приводятся действующие нормы допускаемого коэффициента общего размыва, разработанные Л. Г. Бегамом (ЦНИИС). П о д к о э ф ф и ц и е н ­ т о м о б щ е г о р а з м ы в а п о н и м а е т с я о т н о ш е ­ н и е п л о щ а д е й ж и в ы х с е ч е н и й п о д м о с т о м п о с л е р а з м ы в а и д о р а з м ы в а — в б ы т о в ы х

В связи с применяемой ныне методикой расчета отверстий мос­ тов необходимо дать пояснения, касающиеся принципиальных по­ ложений и некоторых установившихся терминов.

В о с н о в у в с е х п р и м е н я е м ы х в н а с т о я щ е е в р е м я р а с ч е т н ы х ф о р м у л п о л о ж е н о у р а в ­ н е н и е н е р а з р ы в н о с т и у с т а н о в и в ш е г о с я д в и ж е н и я в о д ы, о т н о с и м о е к п и к у п а в о д ­ ка и л и п о л о в о д ь я с р а с ч е т н ы м м а к с и м а л ь ­ н ы м р а с х о д о м . Согласно этому уравнению

(VI-1)

где 2 — площадь живого сечения под мостом на пике паводка или

половодья после того, как образовался общий размыв; Ун— средняя скорость потока под мостом на пике паводка или

половодья после образования общего размыва; е — коэффициент сжатия потока Мостовыми опорами (несколь­

ко меньший единицы), учитывающий уменьшение рабочей площади живого сечения, вызванное вихреобразованиямн;

Q — максимальный расчетный расход реки.

Так как коэффициент общего размыва

Q

Р

где а) — площадь живого сечения водотока в пределах отверстия моста в бытовых условиях, то

Определив площадь ш, можно найти соответствующее ей отвер­ стие моста.

Пользоваться формулой (VI-2) для расчета отверстий мостов через реки предложил Н. А. Белелюбский./

Весьма сложный вопрос об определении средней скорости на пи­ ке паводка в размытом живом сечении Ум и взаимосвязанного с ней коэффициента общего размыва Р рассмотрен в следующих пара­

графах. Здесь лишь отметим, что, как это установлено наблюдениями на существующих мостовых переходах, с к о р о с т ь Умв с е г д а

двумя причинами: 1) после размыва средняя глубина потока в под­

мостовом сечении увеличивается, причем возрастание глубины рас­ пространяется на значительное расстояние вверх и вниз по течению от моста; 2) после образования общего размыва у моста поток при

высоких водах остается стесненным подходами к мосту, вследствие чего имеется подпор с соответствующим ему увеличением уклона

водной поверхности у моста по сравнению с нестесненным водото­ ком. В указанных условиях (большая глубина и повышенный ук­ лон) скорость в отверстии после размыва обязательно будет выше бытовой.

Так как в подмостовом живом сечении реки всегда следует счи­ тать Ум>Уб.м, то, пользуясь формулой (VI-2) и приняв при этом условно, что Р = 1,0 , получим площадь, меньшую, чем площадь жи­

вого сечения нестесненной реки, и соответственно отверстие, мень­ шее ширины нестесненного потока. Это отверстие называют часто «рассчитанным без размыва». Такой термин является весьма услов­ ным, так как в действительности при всяком стеснении реки под­ ходами происходит размыв русла под мостом, в том числе и при отверстии, найденном по формуле (VI-2), когда условно считается

Р«1,0.

Впрактических расчетах при назначении отверстий мостов, как

правило, приходится рассматривать несколько возможных размеров. В качестве наибольшего возможного отверстия обычно берут отвер­ стие, «рассчитанное без размыва», а в качестве наименьшего — отверстие, равное ширине коренного русла. Между этими край­ ними значениями отверстий отыскивается величина отверстия, наи­ более выгодная в техническом и экономическом отношениях.

При пользовании табл. 23 следует иметь в виду, что удельный расход воды, приведенный в гр. 1, соответствует отверстию, «рас­

считанному без размыва», в то время как нормы коэффициента об­ щего размыва (гр. 2) являются предельно допустимыми при любом

отверстии моста. Таким образом, в процессе расчета отверстия моста предварительно находится величина отверстия, «рассчитан­ ного без размыва», чтобы определить соответствующий ему удель­ ный расход.

Нормируемые предельные коэффициенты общего размыва по­ ставлены в зависимость от удельного расхода воды в отверстии: чем больше удельный расход, тем меньше допускаемый коэффициент размыва. Связано это в общем с тем, что более высокие удельные расходы соответствуют мостам через более крупные водотоки с хо­ рошо разработанными глубокими руслами, несущими в естествен­ ных условиях большую долю общего расхода воды в реке. В этих случаях мера стеснения водотока мостовым переходом бывает меньшей и соответственно снижается допускаемый коэффициент размыва. Следует также иметь в виду и то, что в глубоком русле, даже при малом коэффициенте размыва, абсолютная величина смытого слоя грунта бывает значительной.

Таблица допускаемых коэффициентов общего размыва была со­

тировании пойменных мостов, пропускающих воду только во время половодий, допустимо превышать наибольшее значение ко­ эффициента размыва, указанное в таблице (2 ,20), так как глубина

воды на пойме может быть небольшой, и при коэффициенте, даже большем, слой размытого грунта будет невелик.

В отличие от общего размыва м е с т н ы й р а з м ы в у мостовых опор захватывает небольшую площадь. В связи с этим окончательная глубина воронки размыва у опор формируется за сравнительно короткое время, измеряемое сутками или даже часа­ ми. Во всяком случае местное максимальное углубление русла у опор может образоваться за время одного расчетного высокого па­ водка.

С о с р е д о т о ч е н н ы й р а з м ы в под мостом обуслов­ лен естественным русловым процессом, свойственным данной реке. За время эксплуатации мостового перехода профиль дна подмосто­ вого живого сечения подвержен деформации не только из-за общего и местного размывов, вызванных преграждением потока, но и вслед­ ствие движения наносных скоплений в русле и изменения его кон­ фигурации. Перемещение побочней, развитие меандр приводят к тому, что максимальные глубины под мостом в разные годы занимают по ширине отверстия различное положение. Время, в течение кото­ рого происходит ощутительное естественное переформирование русла под мостом, зависит от вида реки по типу руслового процесса. На реках с блуждающими руслами полное переформирование про­ исходит быстро, ежегодно. На реках с периодически расширяю­ щимися и с меандрирующими руслами — гораздо медленнее, на протяжении ряда лет.

Назначая глубину заложения фундаментов опор, необходимо считаться с возможным за время существования моста понижением дна около них вследствие естественного руслового процесса. Расчет сосредоточенного размыва и заключается собственно в прогнозе возможности смещения максимальных глубин к различным опорам моста. Надежность этого прогноза во многом зависит от степени изученности естественного руслового процесса на пересекаемом мостовым переходом участке реки.

§29. Основная расчетная зависимость

Врезультате расчета отверстия моста необходимо установить переформирование водного потока, дна и берегов речного русла вызываемое стеснением сооружениями перехода.

Формула (VI-2), полученная из уравнения неразрывности пото­ ка, может, вообще говоря, применяться не только к расчету подмо­ стового живого сечения в целом, но и для любой его части. Так, на­ пример, в случае многопролетного моста формулу эту можно отно­ сить к каждому отдельному пролету или, например, при наличии

резко выраженного пойменного участка в отверстии применять ее отдельно к коренному руслу и к пойме. При таком разделении жи­ вого сечения на части расход Q будет не полным расходом водотока,

а долей его, проходящей через соответствующую часть живого се­

ры стеснения водотока насыпями мостового перехода ----- с увели-

1

чением меры стеснения или с уменьшением отверстия (см. рис. 69) коэффициент и глубина размыва возрастают; 2) отношения скоро­

Возможно достоверное определение указанных четырех величин

имеет важное практическое значение. Мера стеснения потока

находится по материалам изысканий (см. гл. V). Вопрос об опре­ делении остальных сомножителей основной расчетной зависимости рассмотрен далее.

§30. Расчетная схема общего размыва. Рабочие формулы расчета отверстий

мостов

Русла рек, где влекутся наносы, имеют подвижное дно. Выноси­ мые вниз по течению из данного створа русла грунтовые частицы замещаются частицами, поступающими сверху по течению. Если количество грунта, выносимое за одно и то же время вниз по тече­ нию в виде наносов, возмещается наносами, поступающими сверху,

русла возможно только в том случае, когда вдоль потока воды не происходит изменения скорости течения, т. е. отсутствует продоль­ ный градиент скорости.

Стеснение речного потока насыпями мостового перехода приво­ дит к увеличению удельного расхода воды в русле по сравнению с бытовыми условиями. При этом вблизи моста на сжатом участке потока происходит нарастание скорости вдоль по течению. Соот­ ветственно на участке у моста способность потока водытранспорти­ ровать наносы увеличивается, и происходит нарушение динамичес­ кого равновесия русла: количество наносов, поступающее сверху, не компенсирует наносов, выносимых вниз по течению. Происходит общий размыв русла, площадь живого сечения увеличивается. При данном расходе воды это вызывает соответствующее уменьше­ ние скорости течения. Продольный градиент скорости потока умень­ шается, размыв замедляется и в конце концов приостанавливается. Но благодаря происшедшему размыву у моста образуется новое углубленное русло в виде ямы, вытянутой вдоль по течению (рис. 90).

На периодически покрываемых водой поймах рек в бытовых условиях наносы по дну не влекутся. Поэтому, если отверстие моста перекрывает только участок поймы (пойменные мосты), размыв

I

Рис. 90. Общий размыв у моста:

щ е й р а з м ы в а ю щ у ю с к о р о с т ь д л я д а н н о г о р о д а г р у н т а .

1. Расчет отверстий мостов через равнинные реки с периодически расширяющимися и меандрирующими руслами

В головных железнодорожных и автодорожных проектных ин­ ститутах Советского Союза применяется расчет отверстий мостов, разработанный Л. Л. Лиштваном и дополненный И. И. Херхеулидзе.

На основании обобщения наблюдений за существующими мо­ стовыми переходами при расчете принимаются 2 условия.

\ / 1) В результате общего размыва ширина коренного русла под мостом становится равной величине отверстия. Следовательно, ес­ ли даже до размыва подмостовое живое сечение состояло из русло­ вой и пойменной частей, то после устройства срезки и размыва ко­ ренное русло реки уширяется до величины отверстия. Наносы во время высоких вод проходят на всей ширине отверстия. Поэтому