книги / Мостовые переходы
..pdfдо его постройки и через 39 лет послевозведения мостового пере хода. Значительное переформирование подмостового русла, проис шедшее за указанный срок, в значительной мере было обусловлено естественным русловым процессом. Смещение максимальной глу бины русла к левобережной опоре стало угрожать ее устойчивости и потребовало устройства специального укрепления дна для за щиты фундамента от подмыва.
Восновном наносы пополняются за счет обломков горных пород
ипочв, сносимых с водосборного бассейна реки. Насыщение пото ка наносами указанного происхождения особенно активно осущест вляется во время паводков и по ловодий при стоке с бассейна дождевых и талых вод. В перио ды половодий и паводков проис ходит и наиболее значительная русловая эрозия, в некоторой ме ре также пополняющая наносы.
Различают глубинную и боковую эрозию русел. Глубинная эрозия ограничена высотным положени
ем базиса эрозии (уровнем водое ма в устье реки). На равнинных реках со сложившимися долина ми заметной глубинной эрозии врезания реки в глубь ложа не происходит. На горных участках рек глубинная эрозия наблюдает ся. Боковая эрозия — размыв бе
регов русла —характерное, часто встречающееся явление на рав нинных реках, русла и поймы которых сложены мелкозернистыми грунтами.
В большинстве случаев речные наносы состоят из частиц грунта различных размеров. Для характеристики крупности однородных наносов применяют определенную классификацию (табл. II.!). Устанавливают крупность и содержание фракций частиц разных размеров по гранулометрическому анализу проб грунта. Средний размер частиц определяют как средневзвешенный по формуле
d =^ L ,
100
где di — средняя крупность данной фракции, которую находят как среднюю арифметическую величину из крайних значений крупности фракции; pi — весовая доля данной фракции, %.
По участию в русловом процессе различают наносы: рус'лоформирующие, состоящие из частиц диаметром более 0,1 мм, и тран зитные, состоящие из очень мелких частиц (менее 0,1 мм), перено симые в основной своей массе к устью реки. Таким образом, пыле ватые, илистые и глинистые частицы (табл. II. 1) относятся, как правило, к транзитным наносам.
21
Кроме деления на виды по участию в русловом процессе, дви жущиеся наносы разделяют на категории по их размещению и форме движения в потоке воды: взвешенные наносы, перемещаю щиеся в толще потока, при этом концентрация изменяется по мере удаления от дна; донные наносы, передвиг^рщиеся у дна в слое некоторой толщины, в большинстве случаев' путем перекатывания
или скачками.
Т А Б Л И Ц А H.I
|
К л а с с и ф и к а ц и я н а н о с о в п о к р у п н о с т и ( д и а м е т р ч а с т и ц , м м ) |
|
|
|||||||||
|
|
Ил |
|
|
Пыль |
|
|
|
Песок |
|
|
|
«в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ас |
мелкий |
крупный |
мелкая |
крупная |
мелкий |
средний |
крупный |
|||||
ж |
||||||||||||
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< |
0 ,0 0 1 —0,005 |
0 ,0 0 5 —0,01 0 ,0 1 —0,0 5 0 ,0 5 —0,1 |
0 ,1 —0 ,2 0 ,2 —0 ,5 |
0 ,5 — 1 |
||||||||
0.001 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гравий |
|
|
Галька |
|
|
|
|
Валуны |
|
|
|
мел- |
сред* |
круп* |
мел- |
сред- |
круп- |
мел- |
|
сред- |
|
|
круп- |
|
кий |
ний |
ный |
кая |
няя |
ная |
кие |
|
ние |
|
|
ные |
|
1—2 |
2—5 |
5— 10 |
10—20 |
20—50 |
50— 100 |
100—200 200—500 j |
500— 1000 |
|||||
а) |
|
|
|
|
|
|
В категорию взвешен |
|||||
|
|
|
|
|
|
ных, |
помимо транзитных, |
|||||
|
|
|
|
|
|
входит |
значительная |
|||||
|
|
|
|
|
|
часть руслоформирующих |
||||||
|
|
|
|
|
|
наносов. Меньшую |
часть |
|||||
|
|
|
|
|
|
руслоформирующих нано |
||||||
|
|
|
|
|
|
сов |
составляют |
донные |
||||
|
|
|
|
|
|
наносы. |
При |
неоднород |
||||
|
|
|
|
|
|
ном составе наносов и оп |
||||||
|
|
|
|
|
|
ределенных |
гидравличе |
|||||
|
|
|
|
|
|
ских |
условиях |
средний |
||||
|
|
|
|
|
|
диаметр |
частиц |
взвешен |
||||
|
|
|
|
|
|
ных наносов обычно мень |
||||||
|
|
|
|
|
|
ше средней крупности на |
||||||
|
|
|
|
|
|
носов, влекомых по дну. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Характер |
|
движения |
|||
|
|
|
|
|
|
взвешенных и донных на |
||||||
Рис. Н.7. Схема силового воздействия потока |
носов |
определяется глав |
||||||||||
щ твердую частицу, лежащую на дне: |
ным образом |
турбулент |
||||||||||
|
а — продольный разрез; |
б — план |
|
ным режимом течения во |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ды в реках. Вихри, посто |
||||||
янно зарождающиеся у дна, и непрерывная пульсация |
|
скоростей |
||||||||||
течения в толще водяного потока обеспечивают |
перенос частиц |
в виде взвеси на большие расстояния. На частицы, движущиеся у
22
дна, кроме лобового давления, действует подъемная сила (рис. 11,7). Она возникает вследствие отрывного обтекания и неодинаковой ве личины продольных скоростей у верхней и нижней поверхности частицы, а также от воздействия на частицу вихрей, образующихся у дна при турбулентном режиме течения.
На основании исследований отечественных и зарубежных уче ных с многочисленными экспериментами в лабораториях, прово дившимися при однородном составе частиц грунта и при устано вившемся равномерном движении водного потока, определены ус ловия,' при которых начинается движение частиц на дне и когда наступает их перенос во взвешенном состоянии.
Среднюю скорость течения водного потока, при которой части цы, лежащие на дне потока, приходят в движение, называют раз мывающей скоростью. Термин «размывающая скорость» введен И. И. Леви. Иногда ту же скорость называют неразмывающей, по скольку она соответствует началу влечения наносов.
При скорости течения, превышающей размывающую, возникает массовое влечение донных наносов. Ввиду наличия подъемной си лы частицы опрокидываются и катятся по дну. Под действием вих рей катящиеся частицы приподнимаются над дном и на некотором расстоянии движутся, не соприкасаясь с ним. При этом исчезает подъемная сила, вызывавшаяся несимметричным обтеканием час тицы снизу и сверху, и под действием силы тяжести она снова возвращается на дно и катится по нему. Таким образом, частицы донных наносов на некоторой длине перемещаются как бы скач
ками.
Пульсации скорости турбулентного потока, особенно сильно вы раженные у дна, являются специфической особенностью его кине матической структуры; при этом истинные (актуальные) скорости течения воды неодинаковы в разных точках, расположенных на од ном и том же расстоянии от дна, и в каждой точке изменяются во времени. Под действием такого течения на плоском дне, покрытом несвязными частицами грунта, обязательно возникают неровности в форме вытянутых в продольном направлении валиков — скопле ний частиц. Как только такие неровности дна образовались, их раз меры увеличиваются, так как они уже сами способствуют неравно мерности движения воды. На верховой стороне валиков, обращен ной против течения, движение ускоренное; на гребне выступа про исходит срыв течения, а за низовым откосом образуется водяной валец с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной к на правлению основного продольного течения. В результате на дне вдоль по течению формируются гряды, следующие друг за другом и имеющие пологий верховой откос, и крутой обрывистый низовой откос — подвалье (рис. II.8).
Донные струи, движущиеся по верховому откосу гряды, уве личивают свою скорость при движении к гребню и размывают его. Сносимые частицы частично попадают в подвалье, обеспечивая тем самым перемещение гряды, а частично переносятся на следующую гряду. Вследствие указанного механизма движения наносов гря-
23
ды постепенно медленно смещаются вниз по течению. Таким обра зом, движение донных наносов происходит в форме движения гряд. Скорость смещения гряд значительно меньше скорости потока воды. В зависимости от типа реки и характера руслового процесса ско рость движения гряд составляет от нескольких метров до сотен
метров в год. '** Повышенная шероховатость дна, созданная грядами, способст
вует более интенсивному зарождению вихрей у дна в подвальях гряд и увеличивает тем самым пульсацию скорости всего потока. Некоторая часть твердых частиц переносится вихрями со дна вверх, и они переходят во взвешенное состояние (рис. II.8). Опускаясь вниз под действием силы тяжести, частицы вновь подвергаются дей ствию вихрей. Чем больше средняя скорость течения потока, тем интенсивнее идет процесс взвешивания твердых частиц и тем боль ше в толще потока оказывается взвешенных наносов. При доста точно большой скорости потока устанавливается состояние, при котором гряды смываются, наносы полностью переходят во взве шенное состояние. Эту скорость течения называют критической.
Рис. II.8. Продольный разрез гряды:
/ —гребень гряды; 2—подвалье гряды; 3—валец; 4—частицы, перемещающиеся с гря ды ва гряду; 5—частицы, переходящие во взвешенное состояние
Переход наносов полностью во взвешенное состояние с исчез новением донных гряд возможен при условии, что наносы доста точно однородны по крупности. Если же крупность частиц раз личная, то крупные движутся по дну грядами, а более мелкие — во взвешенном состоянии. В натуре на реках, даже во время редких высоких паводков на их пике, когда скорость течения велика, на блюдается движение наносов и в форме гряд по дну, и во взвешен ном состоянии. Такая одновременно существующая двоякая форма перемещения наносов обусловлена различной их крупностью.
Общая картина Движения наносов в реках гораздо сложнее, чем в лабораторных условиях, главным образом по причине неустановившегося движения водного потока. Чередование периодов высоких и низких вод с соответствующим изменением величин рас ходов воды и скоростей течения сильно влияет на количество и фор му переноса наносов.
С уменьшением скоростей течения взвешенные ранее наносы
24
опускаются и перемещаются по дну, и наоборот, с увеличением скоростей часть донных наносов будет переходить в категорию взвешенных. Во время низкой межени движение гряд приостанав ливается, а во взвеси переносятся лишь мелкие частицы, не участ вующие в формировании русел (транзитные наносы).
Свой отпечаток на картину движения наносов накладывает так
же изменение их крупности в различных частях реки. |
В общем, |
в верховьях наносы крупнее, к устью — мельче, но на |
отдельных |
участках реки встречается локальное увеличение крупности, вы званное выносами грунта из впадающих в реку притоков. По шири не речного русла донные наносы обычно крупнее в глубокой части и мельче у берегов. На отдельных участках заметное влияние на движение наносов оказывают сужения и расширения реки, где имеет место неравномерное движение воды с переменной вдоль по течению средней скоростью. На участках, где дно сложено разнородными наносами, часто наблюдается естественная отмост ка дна: мелкие частицы выносятся вниз по течению, а наиболее крупные остаются на месте и отмащивают дно.
Для оценки движения наносов необходимо знать соотношение фактической и размывающей скоростей.
Формулы для размывающей скорости несвязных грунтов обыч но выводят из условия равенства момента сил, опрокидывающих частицу (лобовой и подъемной), моменту силы, удерживающей ее (сила тяжести). Анализируя влияние различных факторов на раз мывающую скорость, И. И» Леви получил для однородного состава наносов и при равномерном движении потока воды следующую формулу:
(П. I)
где fli — коэффициент, зависящий от формы частиц и соотношения между лобовой и подъемной силами; к — коэффициент сопротивле ния русла; g — ускорение силы тяжести; d — средний диаметр час тиц.
При турбулентном режиме течения в области квадратичного сопротивления коэффициент Я зависит от относительной шерохова тости d]h (h — глубина потока), поэтому величина размывающей скорости По изменяется в зависимости от глубины: с ее увеличе нием скорость возрастает. Из формулы (II. 1) следует, что размы вающая скорость также увеличивается для более крупных наносов.
В области квадратичного сопротивления формулы коэффициен та сопротивления ру<3ла %имеют вид логарифмической или степен ной зависимости, поэтому формулы для размывающей скорости также могут быть представлены в виде логарифмической или сте пенной зависимости. Более простыми, получившими распростране ние в практических расчетах, являются степенные зависимости, пред ложенные А. М. Шамовым, А. М. Латышенковым, Б. И. Студеничниковым и др. v0—bhxdv, где коэффициент пропорциональности b и показатели степени х и у устанавливают по опытным данным.
25
В настоящее время при проектировании мостовых переходов приме няют формулу Б. И. Студеничникова
о0 = 3,6Л°>25^>я\ |
(II.2) |
где А и d (средний диаметр донных наносов}-—размеры, |
м; v0 — |
скорость, м/с.
Задача определения размывающей скорости для связных гли нистых грунтов гораздо сложней, чем для несвязных.
В случае связных грунтов, кроме силы тяжести, большое зна чение в сопротивлении срыву частиц грунта со дна приобретает сила сцепления между ними. Значительную трудность представ ляет определение размеров пластинок грунта, сносимых, потоком, а от размера частиц грунта зависит величина размывающей ско рости.
На основании экспериментальных исследований в лаборатори ях процесс размыва связных грунтов представляется в следующем виде. Первоначально с поверхности грунтового массива (образца) выносятся элементарные дисперсные частицы, благодаря чему по верхность грунта становится шероховатой; на ней остаются неболь шие выступы из более крупных и прочных отдельностей грунта (аг регатов) , подмываемые водой с лобовой стороны. Под воздействием пульсирующей динамической нагрузки (лобового давления и подъ емной силы), свойственной турбулентному режиму течения, высту пы (агрегаты) расшатываются, отрываются от грунтового масси ва и сносятся водным потоком.
Для случая равномерного движения Ц. Е. Мирцхулава предло жил формулу размывающей скорости,' учитывающую размер отры ваемых агрегатов, сцепление связного грунта, возможные отклоне ния величины сцепления от средних его значений, массу грунтовых частиц и динамические нагрузки пульсирующего потока. Им также разработаны нормы размывающих скоростей связных грунтов, ко торыми пользуются в проектных организациях.
При проектировании мостовых переходов размывающую ско рость для связных грунтов определяют, основываясь на формуле Ц. Е. Мирцхулавы, но с некоторым ее упрощением и дополнением, предложенными лабораторией мостовых переходов ЦНИИСа. В формуле принимают: постоянный размер отрываемой грунтовой частицы, среднюю величину удельного веса скелета грунта и неко торые постоянные значения коэффициентов, определяющих пульса
цию скоростей и условия |
работы |
агрегата |
при растяжении и из |
||
гибе. Учитывают: 1) |
возрастание |
величины |
размывающей |
||
скорости при полном |
развитии |
процесса |
отрыва агрегатов; |
||
2) уменьшение размывающей скорости, |
возможное |
при влечении |
песка по дну, сложенному связным грунтом, из-за абразивного дей ствия песчинок, способствующего разрушению агрегатов. Формула размывающей скорости связного грунта принимает следующий вид:
у0 = — ( 3 ,3 4 + Ig A ) У 0 , 1 5 + С р , |
(II.3 ) |
S |
|
26
где Ср— расчетное сцепление, в т/м2, которое определяют в зави симости от величины среднего (нормативного) значения сцепления лежащего на поверхности слоя капиллярно-водонасыщенного грун та при полной влагоемкости (определяется вдавливанием сфери ческого штампа или срезным прибором) и с учетом однородности связного грунта; если испытания грунта на сцепление не произ водились, для приближенного определения Ср можно пользовать ся данными табл. 11.2, рекомендованной Ц. Е. Мирцхулавой; е — коэффициент абразивности, принимаемый равным 1,4, если по дну влечется песок; при отсутствии движения песка е=1. Глубину по тока в формуле (П.З) определяют в метрах, скорость — в м/с.
Как видно из формулы (Н.З), с увеличением расчетного сцепле ния и глубины потока размывающая скорость связного грунта воз растает.
Т А Б Л И Ц А П.2
Расчетное сцепление, т/м2
|
Коэффициент |
пористости |
|
Влажность на границе |
|
|
|
раскатывания, % |
0,45—0,50 0,51—0,60 0,61—0,70 |
0,72—0,80 0,81-0,95 0,96—1,10 |
|
■г - |
|||
|
|
0 , 5 — 1 2 ,4 |
0 , 3 |
0 , 1 |
0 , 1 |
|
__ |
_ |
|
— |
— |
||||
1 2 , 5 — 1 5 , 4 |
1 , 4 |
0 , 7 |
0 , 4 |
0 , 2 |
||
1 5 , 5 — 1 8 ,4 |
— |
1 , 9 |
1 ,1 |
0 , 8 |
0 , 4 |
0 , 2 |
1 8 , 5 — 2 2 , 4 |
— |
— |
2 , 8 |
1 , 9 |
1 , 0 |
0 , 6 |
2 2 , 5 — 2 6 , 4 |
--. |
— |
— |
3 , 6 |
2 , 5 |
1 , 2 |
2 6 , 5 — 3 0 , 4 |
— |
— |
— |
— |
4 , 0 |
2 , 2 |
При расчетах количества влекомых потоком наносов возника ет необходимость замены связного грунта несвязным с эквивалент ным диаметром зерен d9KB в мм. Его определяют из условия, что действительная размывающая скорость связного грунта Vo в м/с равна размывающей скорости несвязного с эквивалентным диамет ром частиц. Если для такой замены воспользоваться формулой (II.2) и h принять в м, получим следующее выражение:
4 кв= -^р -Я о4. |
(П.4) |
Количество наносов, проходящих через живое сечение водотока в единицу времени, называют твердым расходом. Этот расход из меряют в кг/с или т/с, а иногда в объемных единицах м3/с или м3/сут. Насыщение потока наносами характеризуется величиной, называемой мутностью. Она представляет собой отношение вели чины твердого расхода к расходу воды и измеряется в кг/м3 или т/м3. Если твердый расход определяют в объемных единицах, мут ность выражают в процентах.
В общем твердом расходе речного потока обычно различают расходы донных и взвешенных наносов. Напомним, что при неод нородном по крупности составе речных наносов одновременно мо
27
гут существовать обе формы движения. Соответственно различают также мутность (относительное содержание) донных и мутность взвешенных наносов.
Влечение наносов по дну может начаться, если скорость пото ка воды v превысила размывающую скорость v0 В. Н. Гончаровым установлено, что относительное содержание дбнйых наносов в воде пропорционально кубу отношения vfv0. Скорость v0 выражается формулой (II. 1). Следовательно, относительное содержание нано сов <р зависит от отношения v/f/gd и от относительной шероховатости дна d/h, поскольку коэффициент сопротивления Я определяется ею
Для подсчета среднего (на ширине русла реки) относительного содержания донных наносов в потоке воды в кг/м3 при проектиро вании мостовых переходов применяют формулу И. И. Леви
<Рс. д = 2 |
(И.5) |
Формула (Н.5), как и другие существующие в настоящее время формулы, относится к установившемуся равномерному движению речного потока.
Расход донных наносов <3Я равен произведению относительного содержания наносов на расход потока воды Q
Ож= ?с. AQ = ?с. * v B h , |
(Н.6) |
где В — ширина потока поверху; h — средняя глубина. Подставив в формулу (II.6) выражение <рс.д, получим
2d
(II. 7)
( V * Y
Для расчета размывов у мостов расход наносов удобнее выра зить в м8/сут. Приняв объемную массу донных наносов равной 1700 кг/м3 и проделав некоторые преобразования, получим
Оя = 3,3 ( l - |
1 |
Bv*, |
Ш.8) |
|
( dft)0*26 |
|
|
в которую В, h u d подставляют в метрах, v — в м/с. |
|||
Как видно из формул (Н.7) и (II.8), расход |
донных наносов |
||
очень возрастает при увеличении скорости течения |
(зависит от ско |
||
рости в четвертой степени). Если |
|
то движение наносов по |
|
дну прекращается. |
|
|
|
Насыщение воды взвешенными насосами неодинаково по глу |
|||
бине потока. Наибольшей величины |
оно достигает в придонном |
||
слое и быстро уменьшается к поверхности воды. |
Неодинаковым |
также часто бывает и насыщение потока взвесью по его ширине. Это объясняется тем, что крупность частиц и скорость течения из меняются по ширине реки. При определении мутности взвешенных
28
наносов в расчетах оперируют со средней по живому сечению пото
ка мутностью.
Критическая скорость потока, при которой обеспечивается дви жение наносов во взвешенном состоянии, зависит от крупности пе реносимых наносов, от глубины потока и от мутности. Н. П. Кулеш и И. И. Леви предложили следующую формулу для критической скорости:
v Kp = Vх 5g (срср— <рх) R W , |
(Н.9) |
где фор — полная средняя мутность потока, кг/м3; ф! — насыщение
потока мельчайшими частицами |
размером менее 0,01 мм, кг/м3; |
|
/? — гидравлический радиус, м; |
W — средневзвешенное |
значение |
гидравлической крупности частиц диаметром более 0,01 |
мм (гид |
равлическая крупность — скорость падения частицы в неподвижной воде, зависит от крупности частицы (см. приложение II.1), м/с).
Если величиной ф* по сравненикпс фСр пренебречь, а гидравли ческий радиус R для речных русел заменить глубиной потока, то
формула (II.9) примет вид |
|
укр = У % ?СРА W : |
(II.9а) |
Критическая скорость потока тесно связана с его мутностью: увеличивается мутность — возрастает скорость, поэтому если при данной скорости потока воды в русле v существует в реке движение взвешенных наносов определенной крупности, то эта скорость и есть критическая v№, т. е. v —vnp. Учитывая указанное, на основа нии выражения (И.9) можно получить формулу средней мутности речного потока в кг/м3:
w -10»
Тогда расход взвешенных наносов в кг/с
о в = ?cpQ = ?срvBh = - М - B v \
Переходя к выражению расхода в м3/сут и принимая объемную Массу взвешенных наносов 1600 кг/м3, получим
. О К И )
Как показывают наблюдения на реках, в общем твердом расхо де водотока преобладает расход взвешенных наносов. К тому же выводу приводят расчеты по формулам. Так, например, на пике половодья в русле равнинной реки при средней скорости течения о=1,6 м/с, средней крупности донных наносов 2 мм, средней круп ности взвешенных наносов 0,2 мм (№=0,017 м/с), ширине рус ла В=400 м и глубине й = 8 м расход взвешенных наносов по фор муле (И.11) составляет Ов=171000 м3/сут (фср=0,615 кг/м3), арас-
29
ход донных наносов, рассчитанный по формулам (11.8) и (11.2), <3д=9670 м3/сут (фСр= 0,037 кг/м3).
Таким образом, в рассмотренном примере на долю взвешенных наносов приходится 96% общего твердого расхода, и только 5% составляет расход донных наносов. В годовом объеме твердого стока также преобладают взвешенные наносьС причем большая их часть переносится во время паводков и половодий.
Рис. Н.9. Русло при ленточногрядовом типе руслового процесса:
а — план; |
б — продольный профиль; в — совмещенные |
профили живых |
сечений по гребню |
||
(линия /) |
и по подвалыо (линия 2) гряды; |
— шаг |
гряды |
(расстояние по средней линии |
|
русла между гребнями двух смежных гряд); |
йр — ширина |
меженного |
русла; Аг/ ^р — отно |
||
|
сительный шаг гряды |
(обычно равен 6—8) |
|
Благодаря неустановившемуся движению воды в реках и при неодинаковом по крупности составе наносов на протяжении года происходит преобразование формы их движения. Частицы грунта одного и того же размера периодически движутся то по дну, то в состоянии взвеси, поэтому образование естественных форм реч ных русел в общем связано как с движением частиц по дну, так и во взвеси. Но непосредственно в каждый отрезок времени формы русел (рельеф дна и берегов) определяются расположением и сме щением донных гряд наносов, хотя некоторые частицы, образую щие эти гряды, определенное время могут находиться в состоянии взвеси. Рассмотрим, как смещаются гряды при различных усло виях и какие при этом возникают деформации и формы русел.
30