книги / Переходы через водотоки
..pdfПЕРЕХОДЫ
ЧЕРЕЗ
ВОДОТОКИ
Под редакцией канд. техн. наук Л. Г. Бегама
М о с к в а « Т р а н с п о р т » 1973
УДК 627.15 : 624.21
Переходы |
через |
водотоки. |
Б е г а м |
Л. |
Г., |
Б о л д а |
|
к о в Е. В., |
Ж у р а в л е в |
М. |
М., Л и ш т в а н |
Л. Л., |
|||
П е р е в о з н и к о в |
Б. Ф., |
В о л ч е н к о в |
Г. |
Я., |
Д р у ж н |
ый н М. К. Изд-во «Транспорт», 1973, стр. 1—456.
В книге изложены методы и способы выполнения подгото вительных и полевых (топографических, гидрометрических и геологических) работ, а также гидрологические и морфометри ческие обследования при изысканиях переходов через водо токи.
Приводятся методы гидрологических расчетов при проекти ровании переходов. По-новому представлены некоторые воп росы гидрологических расчетов, разработанных в СССР и за рубежом. На основе последних исследований изложены расчеты русловых деформаций и основных размеров сооружений мосто вых переходов с учетом долгосрочных прогнозов развития рус ловых процессов. Даны рекомендации по компоновке сооруже ний переходов на реках различных типов.
Излагается методика технико-экономических обоснований выбора типа перехода и сравнения его вариантов.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся изысканиями и проектированием железных и автомобильных дорог.
Рис. 174, табл. 74, библ. 165.
Вкниге § 1, 22, 23, 35, 38 и 66 написаны д-оом техн. наук
Е.В. Болдаковым; § 7, 9—12, 34, 36, 37, 41—47, 51—54 — канд.
техн. |
наук |
Л. Г. |
Бегамом; § 24—26, 28, 69 и 72—76— канд. |
техн. |
наук |
М. М. |
Журавлевым; § 3, 6, 13—17, 29—33, 48, 59, |
60, 67, 68, 71 — инж. Л. Л. Лиштваном; § 4, 5, 8, 27, 39, 40, 49,
50, 55—58, 63— канд. |
техн. |
наук Б. |
Ф. |
Перевозниковым; |
|
§ |
18—21 и 65 — канд. геол.-минер. наук |
М. |
Н. Дружининым; |
||
§ |
70 — канд. техн. наук |
Г. Я- |
Волченковым; |
§ 2 — совместно |
Б. Ф. Перевозниковым и Л. Л. Лиштваном; § 61, 62 и 64 — сов местно Б. Ф. Перевозниковым и Л. Г. Бегамом.
Авторы выражают |
|
признательность |
канд. техн. наук |
О. А. Рассказову за |
ценные замечания |
при рецензировании |
|
рукописи, а также д-ру |
техн. наук проф. А. Е. Гибшману за |
||
ценные замечания по гл. |
XVI рукописи. |
|
„3181-063
П |
---------------- Г 63-73 |
|
049(01)-73 |
© Издательство «Транспорт», 1973 г.
Г л а в а I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗЫСКАНИЙ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ
§ 1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СООРУЖЕНИЙ ПЕРЕХОДОВ
Мостовые переходы состоят из моста, пойменных подходов, вы соководных регуляционных сооружений у моста и низководных в русле, если необходимо его выправление.
Переходы через большие и малые реки возникли в начале обра зования человеческого общества. Передвижение для поисков луч
ших |
условий |
охоты, мест |
поселений |
заставляли переправляться |
|
через |
реки на |
подручных |
средствах, искать броды, |
делать мост |
|
ки и пр. Имеются сведения о мостах |
Александра |
Македонского |
через реки Евфрат и Инд, Траяна — через Дунай, наплавном мосту Дария через пролив Босфор, римских мостах начала нашей эры и мостах средних веков в Европе, Иране, Индии и Китае.
Как тогда назначались отверстия мостов, неизвестно. Однако паводковыми водами были разрушены каменные римские мосты, мост через р. Темзу в Лондоне в 1031 г., мост через р. Сену в Па риже в 1174 г., который затем до 1409 г. разрушался 3 раза.
Мосты разрушались при паводках, на проход которых их не рассчитывали, поэтому потребовались рекомендации для выбора отверстия моста.
В 1728 г. французский инженер Э. М. Готей — генеральный ин спектор мостов и дорог Франции — предложил при определении отверстий мостов исходить из желательной средней скорости те чения и отсутствия больших подпоров. Он дал формулу скорости течения под мостом vM:
»
JLlG)p6
где содр — площадь живого сечения .под мостом до размыва; соРб — 'площадь живого сечения русла; аРб — 'бытовая скорость в русле; JUL— коэффициент сжатия.
В 1775 г. директор дорог и мостов Парижа Шези вывел фор
мулу для определения скорости |
потока |
теоретическим |
путем |
(IV—I), широко применяющуюся |
в разной |
интерпретации |
в на |
стоящее время.
В 1810— 1815 гг. Д. Ренни построил несколько каменных мостов с учетом соразмерности отверстия моста с расходом воды.
На научную основу расчет отверстий впервые был поставлен проф. Н. А. Белелюбским в 1875 г. Он установил, что бытовая не размывающая скорость в русле реки при тех же грунтах на сво бодном створе в 2—3 раза больше, чем неразмывающая в искусст-
з
венных руслах. Это он объяснял тем, что размывы на реке воспол няются наносами, пришедшими сверху. Перекрытие поймы подхо дами увеличивает расход и скорость под мостом, где возникает размыв, который, по предположению Н. А. Белелюбско-го, должен прекратиться, когда восстановится бытовая скорость. Поэтому для расчета отверстия за основу следует принимать бытовую скорость в русле Орб. Отверстие моста через р. Волгу было им рассчитано на бытовую скорость около 1,6 м!сек при песчаном русле. Отвер
стие моста по Белелюбскому определяется по формуле
|ыУрб (Я рб “Ь А Я р б)
где ЯРб — средняя глубина русла размыва; /м— отверстие моста; эффициент сжатия.
до размыва; АЯРб — глубина Q — расчетный расход; (ы— ко
Позднее оказалось удобней определять потребную рабочую пло
щадь под мостом по формуле _ |
Q |
°°ДР |
[ЛУрб^ ’ |
где Р — коэффициент размыва.
Для уменьшения отверстия моста применяли срезку поймы под уровень средней межени. Скорость под мостом на срезке прини мали равной скорости в русле.
Инженер Белинский в 1877 г. составил таблицу, по которой по площади водосбора на переходе для средних условий можно было определить требуемую площадь под мостом. Этот метод не при вился, так как слишком различными оказались климатические, си туационные и геологические условия на разных переходах. В 1914 г. инженер А. А. Каншин предложил преобразование формулы Шези — Базена, которое позволяет определять рабочую площадь под мостом без расхода и бытовой скорости (метод гидравлических эквивалентов). По Каншину после размыва под мостом также со храняется бытовая скорость в русле.
На изысканиях мостовых переходов через реки Волгу и Оку у г. Горького в 1928 г. и у г. Саратова в 1929 г. были разработаны методика гидрометрических работ на крупных реках и широких поймах и конструкция оборудования.
Центральный институт строительства и проектирования (ЦИС) в 1930— 1931 гг. организовал гидрометрические наблюдения и мор фометрические обследования на ряде мостовых переходов, в ре зультате которых были изменены многие рекомендации по изыска ниям. Е. В. Болдаковым был разработан метод натуральных пло
щадей по |
переносу |
рабочей площади под мостом вниз |
и вверх |
по реке с |
поправкой |
на грунты и составлена таблица |
(1933 г.), |
в которой для каждого грунта была приведена определенная ско рость в русле. М. Ф. Срибный опубликовал работу о коэффициен-
4
тах шероховатости, которая внесла большие изменения <в методику морфометрических расчетов. В последующем выявилось, что сред няя скорость увеличивается после размыва при той же донной за счет изменения эпюры скорости на вертикали. Наблюдения пока зали, что под мостами в пойменной части скорости могут быть меньше скорости в русле. Вследствие такого распределения скоро сти и расхода размыв под мостом в русле может быть больше рас четного, а на пойме меньше, чем при расчете на одинаковую скорость. Начиная с конца 40-х годов по расчету размыва под мостовых русел был сделан ряд предложений (Л. Л. Лиштвана,
О.В. Андреева, И. И. Херхеулидзе и др.).
Врезультате исследований, проводившихся с 50-х годов, выя
вилась роль наносов в расчете гидротехнических сооружений и мостовых переходов. До настоящего времени не полностью еще разрешен вопрос об отмостке, т. е. вымыве только мелких частиц грунта при размыве, в то время как крупные частицы потоком не выносятся. Остается неясной роль пойменных потоков при размы ве. По пойме идет чистая вода, в подмостовом русле она разбав ляет нанрсы и может увеличить размыв. С другой стороны, пой менный поток, увеличивая бытовой расход перед мостом, размы вает берега, углубляет русло и является причиной увеличения рас хода наносов, а следовательно, и уменьшения размыва.
Отверстие моста стесняет живое сечение по оси перехода по рас ходу обычно в 1,2—2 раза, иногда и в 4 раза, а по площади до 5 и более раз. Вследствие стеснения возникает подпор. Плавный проход потока под мостом должен обеспечиваться регуляционными сооружениями в виде дамб. Вопрос осложняется, когда направ ление трассы проходит ненормально к долине и руслу. В таких и других сложных случаях желательно исследование на модели.
Первые регуляционные сооружения были осуществлены при постройке железной дороги Москва — Нижний Новгород в 1868 г. на четырех переходах р. Клязьмы,затем в 1872 г. на р. К»виршга в Закавказье, в 1880 г. на реках Урале, Днепре и Западном Буге. Регуляционные сооружения с 1880 г. строили в Индии в весьма сложных условиях. Ранних сведений о сооружениях в других стра нах не сохранилось.
Первые дамбы были криволинейными. В 1890— 1900 гг. счита ли, что у моста надо создавать канал с прямыми дамбами. По этой системе дамбы были построены на ряде мостовых переходов, например, через р. Оку у г. Мурома. На этом переходе при одно сторонней пойме, пропускающей 50% расхода, в 1910— 1912 гг. у моста отверстием 750 м была построена почти прямолинейная дамба длиной 530 м. В результате пойменный поток был отброшен
к нагорному берегу и 7з отверстия со стороны дамбы стала про пускать в половодье только 10% расхода. В остальной части моста произошли размывы. Повторить такое ошибочное решение предпо лагали на переходе р. Волги у г. Горького в 1931 г., но гидромет рические наблюдения на этом переходе и переходе у г. Мурома показали, что необходима криволинейная дамба со стороны поймы.
5
Регуляционные сооружения и подходы к мостам требуют за щиты от подмыва, ледохода и волны, а в некоторых случаях от фильтрации. Конструкции укреплений назначали по малому коли честву опытов. Плотины, обвалования и мостовые переходы в XIX и начале XX в. рассчитывали на высокий исторический уро вень, который считался наивысшим возможным на данной реке. С годами начали проходить более редкие паводки, отчего разру шались плотины и другие сооружения.
' В гидрологических расчетах по определению максимальных расходов в двадцатых и тридцатых годах произошли существенные изменения.
Был поставлен вопрос о переходе на расчетные паводки, имею
щие |
редкую вероятность превышения. Инициатором этого был |
Д. |
Соколовский (1930 г.). На железнодорожном транспорте |
новые нормы были введены в 1936 г., на автодорожном — в 1937 г., для плотин — в 1938 г. За рубежом большие плотины рассчиты вают теперь на расход с нулевой ВП, т. е. на предельно возмож ный паводок на данной реке. По исследованиям некоторых спе циалистов в СССР такой расход близок к удвоенному расходу с ВП1 : 100 (1%).
При пересечении дорогой оврагов, ручьев и малых рек возво дят малые сооружения: трубы, мосты и перепуски. На римских дорогах уже применяли конструкции в виде деревянных балок на каменных опорах и арочные каменные системы, но отверстия ма лых сооружений, по-видимому, не рассчитывали даже в средние века. Расчет отверстий сооружений стал актуальным, когда нача лось строительство железных дорог. С 1857 г. появились эмпири ческие формулы, по которым определяли расход, а по некоторым — площадь живого сечения в отверстии.
С 1882 г. начали появляться формулы и методы определения расчетных расходов с некоторым теоретическим обоснованием.
Водичка (1882 г.) увязывал объем стока с площадью гидро графа; Н. Дмитриев (1883 г.) предложил метод изохрон; большие
наблюдения |
провели Н. Е. Долгов (1908— 1915 гг.), Д. И. Коче- |
рин (1927 г.) |
и др. |
В литературе опубликовано множество формул для расчета рас
ходов с малых бассейнов. |
стока |
осуществил |
проф. |
Реформу в методике расчета |
|||
М. М. Протодьяконов 1891— 1965), |
который |
в 1931 г. |
впервые |
разработал теорию стока, основанную на схематизации явления и ряде теоретических расчетов с параметрами, определяемыми опыт ным путем. Он исходил из условия, что поскольку величина мак симального расход зависит от 15 переменных, для создания эмпи рической формулы надо иметь большое количество достоверных расходов, чего в наличии нет. Зная теорию стока, можно распола гать меньшим числом расходов и получать их в натуре и на сто ковых станциях. Параметры, входящие в теоретическую формулу, определяют опытным путем, например потери на впитывание для разных почв, слой водоотдачи — hB (стока) как разность между
6
осадками и потерями, скорость стекания по логам и склонам. Схе матизация водосбора была принята М. М. Протодьяконовым в виде раскрытой книги. Расход находили методом изохрон. К 1940 г. по явились теории стока М. Ф. Срибного и Г. Д. Дубелира, но они мало применялись на практике.
Против теории М. М. Протодьяконова имелись возражения, от носящиеся к схематизации бассейна, поскольку считали, что ре альный бассейн не имеет ничего общего с раскрытой книгой и что воообще нельзя учесть все многообразие рельефа, почв и пр. Одна
ко инженерная схематизация уже давно применяется в расчетах конструкций (плотин, мостов, высотных зданий и т. д.). Нормы М. М. Протодьяконова были приняты на транспорте в 1931 г. и применялись до 1953 г.
Дискуссии по расчету стока между разными авторами и орга низациями проходили на многих совещаниях и конференциях в 1932— 1947 гг. Выступали с эмпирическими или полуэмпирическихми методами 10 авторов. После конференции ГГИ в 1947 г. МПС и Гушосдор как организации наиболее заинтересованные присту пили к разработке этой проблемы.
Ее решали ЦНИИС МПС и Союздорнии Гушосдора. Была организована стоковая комиссия, которая систематизировала су ществующие методы путем обработки специальных вопросников, разосланных 22 организациям и отдельным специалистам и орга низовала сбор фактического материала по расходам и осадкам. Комиссия должна была установить, идти ли далее путем Протодья конова, Водички, Дмитриева, Люгера, Зброжека, Дубелира, Сриб ного, Бефани и др. или искать новые варианты эмпирических формул.
Полученные ответы показали, что авторы имеют большое раз нообразие мнений и прямо противоположные предложения. Тогда стоковая комиссия разработала «Основные положения», очевид ные большинству. Сбор фактических расходов показал исключи тельную скудность материала. Не было основного — сопоставлен ных данных об осадках и стоке. Отдельно по осадкам и расходам нельзя было определить вероятность превышения расходов, поэто му отпадали поиски эмпирических методов и единственным путем было создание новой, более совершенной теории стока с парамет рами, определяемыми опытным путем.
Было решено проводить исследования и разработать методы расчета в двух вариантах: по обобщенным гидрографам и непо средственным решением уравнения баланса объемов стока. Первый вариант позволял выполнить расчет в короткое время, второй — требовал на один расчет более 6 ч.
В настоящее время решение по уравнению баланса запрограм мировано для ЭВМ и время расчета резко сократилось. Кроме то го, изданы таблицы для определения расходов и объемов стока, если нельзя использовать ЭВМ. Таблицы составлены в КАДИ В. А. Большаковым и А. А. Кургановичем на основе обобщения 20000 расчетов на ЭВМ Минск-11.
7
В 1949— 1950 Гг. было дано решение по учету аккумуляции во
ды перед сооружением. |
Это явление, уменьшающее расход воды |
в сооружении, отмечал |
еще Н. Е. Долгов в начале этого века. |
В 1924 г. Д. И. Кочерин, используя предложение Н. Е. Долгова, дал правильную схему расчета, которая не была реализована, так как не умели определять общий объем стока. В 1949— 1950 гг. были разработаны объемный метод определения максимальных расхо дов и метод учета аккумуляции в двух вариантах. Точный метод основан также на уравнении баланса. Для приближенного метода использована формула Д. И. Кочерина со степенной поправкой. Новый метод (авторы Е. В. Болдаков, Н. Н. Чегодаев и Т. В. Пушечникова) начали применять с 1950 г. В дальнейшем развитие техники расчетов с определением наивыгоднейшего решения про изведено О. А. Рассказовым, А. А. Кургановичем и др. По подсче там Союздорпроекта, при учете аккумуляции экономия в стоимости сооружения достигает 30%.
Метеорологические данные получают от Гидрометеослужбы, и каждые 7— 10 лет их обрабатывает ЦНИИС, что позволяет учи тывать удлинение рядов наблюдений.
Из зарубежных данных при разработке теории стока использо вали только работы Хортона (США) по 20-летним наблюдениям на опытных водосборах.
В последние годы состоялся ряд конференций и симпозиумов, посвященных, в частности, вопросам инженерной гидрологии.
Анализ ряда докладов и отдельных работ показывает, что уве личивается тематика по теоретическим вопросам и лабораторным исследованиям, которые выполняют часто в отрыве от наблюдений в натуре на свободных створах и существующих мостовых пере ходах. В отдельных случаях делается морфометрическое обследо вание, которое базируется на ранее полученных гидрометрических материалах. Все это не дает достоверных данных для проверки теоретических предпосылок в расчетах, заложенных в проекте пе рехода.
Лабораторным опытам придают самостоятельное значение не смотря на то, что они, как указано, часто не имеют гидрометриче
ской основы.
Обобщая обзор проведенных работ, можно наметить следую щие направления дальнейших исследований.
В области изысканий: исследование пределов экономической целесообразности съемки планов переходов с самолета и проведе ния аэрогидрометрических работ по сравнению с существующими методами; организация скоростного инженерно-геологического бу рения; продолжение сбора материалов по высоким историческим уровням.
В области гидрологии: построение обоснованных наблюдения ми кривых распределения для экстраполяции натурных расходов; определение границы начала экстраполяции, поскольку метеоро логическая обстановка для формирования низких и средних мак симумов расхода может быть другой, чем для редких; климато
8
логические и гидрологические обобщения для переноса расходов вниз и вверх по реке и с других водосборов; разработка косвенных методов для определения расходов при недостаточных натурных данных; уточнение слоев водоотдачи и параметров, входящих в расчеты стока; исследование вопроса применимости региональных формул; уточнение расчетов селевых потоков.
В области расчетов сооружений переходов: уточнение расчета отверстий и общего размыва на основании решения уравнения ба ланса при разных условиях и вероятности превышения паводков; проверка принятых формул и норм данными гидрометрических наблюдений на существующих переходах; разработка метода сов местной работы моста и регуляционных сооружений; расчеты груп повых отверстий и переливаемых подходов; уточнение местного размыва у сооружений переходов; определение допускаемых ско ростей течения для укреплений откосов и русел; расчет отверстия на ЭВМ совместно с учетом аккумуляции; исследование влияния формы бассейна на величину максимального расхода; вывод за висимостей для установления эффективности капиталовложений, включающих параметры, которые достаточно просто можно было бы определять; определение наивыгоднейших вероятностей превы шения расходов в разных условиях; программирование на ЭВМ сравнения вариантов (необходимость постройки перехода, выбор моста или парома, реконструкция существующего перехода или постройка нового).
§ 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ИЗЫСКАНИЙ. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Задача изысканий состоит в получении необходимых для раз работки проектов переходов сведений и данных по экономике, то пографии, гидрометеорологии и инженерной геологии района пе рехода, а также данных по организации строительства и составле нию сметы.
Вопросам технологии, организации и правильному проведению изысканий следует уделять большое внимание, так как от качества и полноты изыскательских материалов зависит успешное проекти рование мостового' перехода.
Задача правильного назначения элементов перехода является сложной, поэтому необходимы вариантные проработки уже на ста дии изысканий.
Организация изыскательских работ зависит от стадии проек тирования, объемов работ, сроков их производства и особенностей района изысканий.
Для выполнения изыскательских работ в зависимости от их программы и объема организуют экспедиции, партии и отряды с соответствующим оснащением.
При организации изысканий необходимо предусматривать современные способы производства полевых работ, аэрофотосъем ку, аэрогидрометрию, применение эхолота и геофизические методы обследований.
9
В соответствии со стадийностью проектирования изыскания мостового перехода выполняют в две стадии: подробные изыска ния— для составления технического проекта и предпостроечные изыскания — для составления рабочих чертежей.
По отдельным небольшим объектам изыскания можно выпол нять в одну стадию для составления технорабочего проекта.
В отдельных случаях изысканиям могут предшествовать про блемные изыскания для составления технико-экономического до клада (ТЭД) или технико-экономического обоснования (ТЭО). ТЭД составляют для выявления общих перспектив развития транс портной сети и обоснования планирования проектных и строитель ных работ, ТЭО разрабатывают до составления технического проек та с целью обоснования экономической целесообразности строи тельства или реконструкции мостового перехода. ТЭО служит осно ванием ]у1я разработки задания на проектирование.
Изыскания для составления технического проекта мостового перехода выполняют на основании положений, принятых в ТЭО. Материалы, полученные в результате изысканий, должны обеспе чивать разработку наиболее целесообразных технических решений, способов и сроков производства работ.
Изыскания для составления рабочих чертежей выполняют для уточнения исходных данных, полученных в стадии разработки для технического проекта.
Независимо от стадии проектирования и вида изысканий изыс кательские работы подразделяются на следующие периоды: под готовительный, полевой и период камеральной обработки мате риалов.
Проведение полевых работ планируют в зависимости от задан ных сроков проектно-изыскательских работ и особенностей гидро логического режима водотоков. В подготовительный период на основе изучения собранных материалов о переходе и районе изыс каний вносят соответствующие изменения в сроки производства полевых и камеральных работ.
Вслучаях, когда кратковременные гидрометеорологические наблюдения или инженерно-геологические обследования, проводи мые в период полевых работ, не позволяют изучить район изыска ний, предусматривают стационарные наблюдения, выполняемые по специальным программам.
Впроцессе изысканий необходимо изучить экономику района перехода, определить положение трассы перехода с вариантами и закреплением их на местности, собрать исходную информацию, произвести согласования, провести инженерно-геологическое и гидрологическое обследование трассы мостового перехода, выя вить условия проектирования, строительства и эксплуатации мос тового перехода и природные особенности района.
Экономические изыскания предшествуют техническим. В зада
чу экономических изысканий входит транспортно-экономическое обследование района изысканий, установление перспектив транс портных связей по грузовым и пассажирским перевозкам в райо-
ю