книги / Проектирование мостовых переходов через большие водотоки

ные годы может сильно колебаться. Формирование гидрографа сто­ ка в данном году зависит от сочетания многих факторов: от количе­ ства снега на водосборном бассейне, от хода температур воздуха, от насыщенности почвы водой перед установлением снегового покрова и др.

Паводки, происходящие в результате выпадения дождей раз­

личной интенсивности, проходят, чаще всего, в летне-осенний пе­ риод. Если половодья имеют на гидрографе стока, как правило,

Рис. 15. Гидрограф предгорной реки с весенне-летними паводками смешанного характера (снего-дождевыми)

один пик, то гидрографы рек, где бывают паводки (рис. 14), обычно многомодальные (с несколькими пиками в течение года); очертание линии гидрографа неровное, переменное, зависящее от повторяе­ мости, продолжительности и интенсивности дождей. Паводки на многих реках проходят весьма бурно с быстрым подъемом воды, боль­ шими скоростями течения и сопровождаются значительными пере­ формированиями русел.

Ряд рек, имеющих смешанное питание от снега и дождей, могут иметь многомодальные гидрографы типа, приведенного на рис. 15.

Во время меоюени скорости течения и расход реки минималь­

ные. Этот период характеризуется прекращением поверхностного стока, питание реки идет за счет грунтовых вод. Низкое стояние уровня воды в реке с питанием почти исключительно грунтовыми водами может иметь место и летом и зимой. Соответственно разли­ чаются летняя и зимняя межени. По признаку внутригодового рас­ пределения стока можно выделить следующие основные группы рек: 1) р е к и с п о л о в о д ь е м , имеющие преобладающее питание от снеготаяния; 2) р е к и с п о л о в о д ь е м и п а в о д к а -

Большинство рек СССР протекает в районах, характеризующих-

В начале ледохода размеры льдин большие; на крупных реках, текущих с юга на север, плывут льдины площадью в несколько де­ сятков тысяч квадратных метров и толщиною более метра.

Приостановка движения льдин во время весеннего ледохода, вызываемая местными сужениями, поворотами русла или стесне­ нием реки искусственными сооружениями, приводит к скоплению в одном месте значительной массы еще достаточно плотного льда. Такое явление называется затором. Заторы вызывают выше по те­

чению подъем уровня воды. Под напором воды затор в конце концов прорывается. При этом происходит резкое увеличение скорости течения и значительный размыв русла. Очевидно, что образование и последующий прорыв ледяного затора — явление весьма опасное для расположенных вблизи сооружений. Прекращается весенний ледоход до спада полой воды.

На реках, текущих с севера на юг, пик половодья обычно про­ ходит уже после очищения реки от льда; на реках, текущих в северном направлении, весенний ледоход захватывает пик поло­ водья и продолжается некоторое время при спаде высокой воды.

Для беспрепятственного пропуска ледохода через отверстие моста без образования около него затора необходимо, чтобы пролеты моста в свету имели достаточные размеры. По данным исследований Транспортно-энергетического института Сибирского отделения АН СССР, на реках, текущих в южном направлении, пролеты моста должны быть не меньше приведенных в табл. 1. Для рек, текущих на север, указанные в таблице размеры пролетов рекомен­ дуется увеличивать вдвое.

Т а б л и ц а 1

Размеры пролетов моста по условию беззаторного пропуска ледохода

Данные таблицы могут корректироваться на основании обсле­ дования условий пропуска льда под существующими мостами, рас­ положенными на данной реке вблизи проектируемого мостового пе­ рехода.

При определении размеров мелких частиц наносов часто поль­ зуются понятием — гидравлическая крупность, под которой подра­ зумевается скорость равномерного падения грунтовых частиц в не­ подвижной воде, измеряемая обычно всм!сек. Между геометрическим размером частицы (d мм) и гидравлической крупностью (W см!сек) имеется вполне определенная связь. В приложении 7а даются зна­

чения гидравлической крупности в зависимости от геометрических размеров частиц.

Если дно русла сложено из смеси наносов различной крупно­ сти, находившейся первоначально при малых скоростях течения в неподвижном состоянии, то с увеличением скорости возможна есте­ ственная отмостка дна, при которой мелкие частицы приходят в движение и выносятся вниз по течению, а крупные — остаются на месте.

По длине реки крупность донных наносов в общем закономерно изменяется. В верховьях, где поток обладает большей способностью транспортировать наносы по дну, они, как правило, крупнее, к устью — мельче. Уменьшение размеров частиц в низовьях объяс­ няется также их истиранием по пути движения. На отдельных участках реки может встречаться локальное увеличение крупности донных наносов, вызванное поступлением их из впадающих притоков. По поперечному сечению реки более крупные фракции находятся обычно в наиболее глубокой его части, а меньших размеров частицы сосредотачиваются на мелкой части живого сечения, куда они отно­ сятся вследствие развитой поперечной циркуляции в речном водном потоке.

Для расчета размывов, происходящих в результате стеснения водотока мостовым переходом, существенное значение имеют две характеристики движения грунтовых частиц: 1) скорость течения во­ ды, при которой наносы на дне приходят в движение, 2) количество донных наносов, проносимых через живое сечение русла реки.

Средняя на вертикали потока скорость течения воды, при которой начинается движение грунтовых частиц, слагающих дно, назы­ вается размывающей скоростью. Термин «размывающая скорость»

введен И. И. Леви. Иногда ту же скорость называют неразмываю-

щей, поскольку она соответствует только началу движения нано­ сов. Более правильной является терминология И. И. Леви, так как формула рассматриваемой скорости выводится из условия наруше­ ния состояния покоя частицы, лежащей на дне.

В турбулентном потоке, каким является поток речной воды, осредненная (во времени) продольная скорость течения в непосред­ ственной близости к дну русла еще достаточно велика. Поэтому частица грунта у дна подвергается действию лобового давления потока; на нее также действует подъемная сила, появляющаяся вследствие отрывного обтекания и разных скоростей у нижней и

v

Рис. 16. Силовое воздействие потока на час­ тицу наносов

верхней поверхности частицы (рис. 16). Помимо указанного, на дви­ жение частицы наносов оказывают влияние вихри, периодически зарождающиеся у дна в турбулентном речном потоке. Движение частицы ввиду наличия подъемной силы начинается чаще всего в виде опрокидывания ее с последующим качением. Под действием вихрей катящиеся частицы иногда увлекаются вверх, приподни­ маются над дном и на некотором расстоянии движутся, не сопри­ касаясь с ним. При этом исчезает подъемная сила, вызывавшаяся несимметричным обтеканием частицы снизу и сверху, и она опус­ кается на дно и снова перемещается перекатыванием. Таким обра­ зом, движение частиц донных наносов носит на некоторых участках скачкообразный характер.

Формулы размывающей скорости обычно выводятся из условия равенства момента сил, опрокидывающих частицу (лобовой и подъ­ емной), моменту силы, удерживающей ее (сила тяжести). Согласно анализу влияния различных факторов на размывающую скорость, произведенному И. И. Леви, формула размывающей скорости при однородном составе наносов в общем виде записывается так:

Так как при турбулентном режиме течения в области квадра­ тичного сопротивления коэффициент к зависит от относительной

шероховатости русла (Л — глубина потока), то при опреде­

ленном размере частиц донных наносов величина размывающей скорости должна изменяться с глубиной потока: с возрастанием глу­ бины значение размывающей скорости увеличивается. Из формулы (II-1) видно, что размывающая скорость также увеличивается при более крупных наносах. При неоднородном составе речных наносов в формулу размывающей скорости должен вводиться поправочный коэффициент, величина которого, по исследованиям В. Н. Гончаро­ ва, зависит от отношения максимального диаметра частиц к среднему диаметру.

На основании многочисленных экспериментальных исследований формуле размывающей скорости (11-1) придается вид либо логариф­ мической, либо показательной зависимости от глубины h и диамет­

ра частиц d. Более простыми, получившими распространение в

И. И. Леви рекомендовал при расчете размывов в нижнем бьефе гидротехнических сооружений на участке расширения потока

Глубина и размер частиц подставляются в формулу в метрах. Г. И. Шамов для размывающей скорости, при которой начинает­ ся массовое движение донных наносов, предложил формулу (1954 г.)

В транспортных проектных организациях при расчете местного размыва у опор мостов пользуются формулой (1962 г.)

Все приведенные формулы относятся к несвязным, сыпучим грун­ там ложа реки.

Для связных грунтов задача определения размывающей ско­ рости гораздо сложней, чем для несвязных грунтов. Величина раз­ мывающей скорости зависит от силы сцепления между частицами

зо