3. Струенаправляющие дамбы

На МП через равнинные реки регулирование пойменных потоков осуществляется сплошными незатопляемыми при наивысших паводках криволинейными в плане струенаправляющими дамбами, состоящими из верховой и низовой частей. Верховые дамбы обеспечивают постепенное сужение потока перед мостом до размера его отверстия, а низовое – расширение потока за мостом.

Рис.. Характерное очертание и размеры струенаправляющих дамб: 1 – верховая дамба; 2—насыпь под хода к мосту; 3 — низовая дамба; l_н – длина вылета дамбы; l_в – ширина разворота дамбы

Согласно СНиП 2.05.03. – 84 струенаправляющие дамбы устраивают, когда поймы пропускают не менее 15% расчетного расхода воды или при средней скорости потока под мостом более 1 м/с.

А.М. Латышенков обосновал целесообразность верховых дамб эллиптического характера (шпоровидных). Большую полуось эллипса располагают вдоль речного потока, ее называют длиной l_в вылета дамбы, малую полуось – шириной b разворота дамбы. Размеры таких струенаправляющих дамб связывают с двумя основными параметрами: шириной В_р русла реки и коэффициентом δ стеснения потока подходной насыпью δ = Q_пер/Q, (где Q_пер – расход, проходивший в бытовых условиях на части поймы, перекрытой насыпью). Проекцию верховой дамбы на ось пути (ширину b разворота) предлагается определять по связи b/ В_р=f(δ), установленной эмпирическим путем. Отношение полуосей дамбы λ = l_в/ b также принимают в зависимости от коэффициента δ стеснения потока ( в диапазоне от 1,5 до 2).

Дамбы А.М. Латышенкова получили широкое распространение на практике, однако предложенный метод расчета лишь приближенно учитывает гидроморфологические характеристики реки и параметры стесненного потока.

Во ВНИИ транспортного строительства разработан метод более полно учитывающий реальные условия сооружения. Струенаправляющие дамбы должны иметь такое очертание в плане, при котором исключается возможность образования водоворотных зон вдоль дамбы, вызывающих появление воронок местного размыва дна у подошвы сооружения. Поэтому очертание дамбы должно соответствовать траектории граничной струи транзитного потока. Размеры полуосей эллипса l_в и b определяют через параметры, функционально связанные как с геометрическими размерами самой дамбы так и с гидравлическими характеристиками потока. Такими параметрами являются радиус ρ_min кривизны граничной струи (линии тока) в голове дамбы, равный радиусу кривизны головы дамбы, и отношение полуосей эллипса

λ = l_в/ b.

Для эллиптической кривой

ρ_min = b²/ l_в.

Из выражений получим:

l_в = λ² ρ_min ,

b = λ ρ_min .

Транзитная струя, обтекающая дамбу, движется вдоль нее по криволинейной траектории, которая не совпадает с общим направлением течения. При этом поперечный уклон свободной поверхности создает разность гидростатических давлений в двух смежных точках поперечного сечения потока, необходимую для искривления траектории движения жидкости. Значение поперечного уклона не может быть произвольным и связано с радиусом кривизны граничной струи и скоростью ее движения.

Центростремительное ускорение потока жидкости естественных водотоков может возникнуть только под действием веса воды. Центростремительную силу, действующую на объем жидкости с массой т, можно выразить через поперечный уклон I_п потока:

F₁ = m g I_п

Рис. Схема сил, действующих на частицу воды в граничной линии тока, обтекающей дамбу

Центростремительная сила F₁ вызывает появление равной по значению реактивной центробежной силы

F₂ = m v² /ρ

v – скорость обтекания дамбы в данной точке.

Из равенства активной F₁ и реактивной F₂ сил )уравнения поперечного равновесия жидкости) m g I_п = m v² /ρ получим радиус кривизны граничной струи, обтекающей дамбу,

ρ = v²/ (g I_п).

данную формулу используем для определения радиуса кривизны граничной линии тока в голове дамбы

ρ_min = v²_г / (g I_г).*

v_г – скорость потока у подошвы головы дамбы;

I_г – поперечный уклон свободной поверхности в голове дамбы.

На основании экспериментальных исследований получены расчетные формулы для определения параметров потока, входящих в уравнение *:

;

,

С – коэффициент Шези, определяемый по глубине потока у подошвы головы дамбы h_г и коэффициенту шероховатости подмостового сечения п_р;

I_м = I_б + Δh/х₀ - осредненный уклон свободной поверхности на участке х₀ от сечения с предмостовым подпором Δh_в до створа моста;

β = 1,55 v_г / - показатель степени, зависящий от кинетичности потока у головы дамбы (при β = 1,55 v_г / ≤0,2 принимают β =0,2).

Глубину подошвы у головы дамбы (без учета размыва) при небольшом предмостовом подпоре (Δh_в / h_б = 0,1) определяется:

h_г = h_б + Δh_в.

Отношение λ полуосей эллипса (дамбы) получено В.Ш. Цыпиным на основе экспериментальных данных с учетом уравнения движения струи при установившемся движении невязкой жидкости

,

v_д.м. – расчетная скорость потока в створе моста у подошвы струенаправляющей дамбы, определяемая для вертикали с расчетной глубиной потока h_д.м.:

;

_п.р. – средняя по сечению моста глубина потока после общего размыва.

Подставляя найденные значения ρ_min и λ определяют длину вылета и ширину разворота верховой струенаправляющей дамбы.

l_в = λ² ρ_min ,

b = λ ρ_min .

при определении координат х и у внешней бровки верховой дамбы задаются значениями х_i и вычисляют соответствующие величины у_i

По найденным координатам х и у бровку дамбы наносят на план перехода.

Для увеличения плавности ввода пойменного потока в отверстие, лучшего обтекания потоком головной части верховой дамбы и уменьшения размыва дна в этой зоне к голове дамбы прибавляют криволинейную приставку с радиусом ρ=0,2b и углом разворота Q=90…120⁰.

Размеры низовых струенаправляющих дамб устанавливают в зависимости от принятых размеров верховых дамб. Проекция низовой дамбы на ось х составляет l_н = 0,5 l_в.. Низовую дамбу очерчивают по круговой кривой радиусом ρ = l_в²/ b при угле разворота 7 – 8⁰, а затем – по прямой, касательной и круговой кривой в точке С. Безразмерные координаты точки С можно принять равными х/l_в = [-(0,12…0,14)] λ и у/ b=1 –0,01 λ², а точки D конца низовой дамбы х/ l_в = (-0,5) и у/ b =1 – 0,065 λ + 0,007 λ².

В приближенных расчетах струенаправляющих дамб можно принимать λ в зависимости от коэффициента δ стеснения потока подходами к мосту:

δ……..≤0,15 0,16 – 0,25 0,26 – 0,35 ≥0,36

λ……..1,5 1,67 1,83 2,0

Ширину разворота дамбы можно определить по формуле b=АδВ_р (где А=1,11 при δ=0,3; А =1,08 при 0,3< δ<0,4 и А = 1,06 при δ ≥ 0,4). Зная λ и b, находят l_в = λ/ b.

Глубина местного размыва у струенаправляющих дамб в однородных несвязных и связных грунтах

Δh = [(2v₂/v₀) - 1]h_г К_m,

v₀ – размывающая скорость для крупности грунта у основания головы дамбы при глубине h_г потока, определяемая по формуле Б.И. Студеничникова

;

К_m – коэффициент, учитывающий влияние на размыв крутизны m откосов дамбы со стороны русла:

т……….0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

К_m.........1 0,94 0,8 0,77 0,7 0,67

Струенаправляющие дамбы возводят обычно из грунтов близ лежащих карьеров. Крутизну откосов принимают с речной стороны не круче 1:2, с пойменной – не круче 1:1,5.

Откосы дамб следует защитить от продольных течений, а также от волновых и ледовых воздействий каменной наброской или плитными укреплениями. Для обеспечения устойчивости укрепления на откосе и защиты подошвы дамбы о подмыва рекомендуется устраивать каменную рисберму.

Ширину дамб поверху принимают не менее 3 м, в головной части уширяют до 6 м.

На участках пересечения протоков, староречий поперечное сечение дамб усиливается: уположением откосов до 1:3, или устраивают берму из каменной наброски на 0,2 – 0,3 м выше межени.

Верх дамб проектируют горизонтальным.

Отметку Н_Д, м, верха дамбы определяют:

с верховой стороны перехода

Н_Д(В) = НУВВ_р% + (h_г – h_б) + h_run +Δ

С низовой стороны моста

Н_Д(Н) = НУВВ_р% + h_run +Δ

НУВВ_р% - уровень воды в бытовых условиях в створе моста, соответствующий наибольшему расходу, м;

h_г – глубина воды у подошвы головы верховой дамбы;

h_б – в бытовых условиях;

h_run – высота наката ветровой волны на откос дамбы;

Δ – технический запас – 0,25.

Сопряжение струенаправляющей дамбы с устоем моста должно обеспечивать плавное движение потока, без образования водоворотов. С этой целью лучше применять обсыпные устои, располагая их таким образом, чтобы омываемый откос дамбы был выдвинут в поток.