4.3. Анализ особенностей расчетов местных размывов у временных опор мостов и других сооружений
Взаимодействие временных и вспомогательных сооружений с водным потоком, сжатым насыпями подходов к мосту, имеет свои особенности. И, хотя эти особенности изучались в разное время разными исследователями, тем не менее, из зарубежной и отечественной практики строительства известно немало примеров, когда аварийные ситуации возникали вследствие недостаточного учета местного размыва.
Применение типовых конструкций многоразового использования в качестве вспомогательных сооружений и ограниченный срок их функционирования при строительстве моста, как правило, от одного месяца до полутора-двух лет, как бы психологически притупляет бдительность инженеров и тем самым увеличивает риск появления аварийных деформаций из-за местного размыва.
При проходе паводков нарушение технологического цикла монтажа пролетного строения может быть вызвано местным размывом у временных опор. Характерным является получение крена временной опоры в верховую сторону либо вообще полная потеря устойчивости, вызывая тем самым последующее обрушение пролетного строения.
Такого крайнего случая, как полная потеря устойчивости временной опоры при монтаже и в других случаях, не обусловленных местными размывами, по информации, располагаемой автором, в практике строительства не встречалось. А вот крен временных опор из-за местного размыва - явление довольно часто происходящее, что нарушает непрерывность технологического цикла строительства и приводит к убыткам.
Подмыв ограждающих сооружений, грунтовых перемычек и других временных сооружений часто приводит к их прогрессирующему разрушению с выносом сооружений и последующим разрушением возводимых основных конструкций.
Устройство островков, полуостровков, грунтовых перемычек, причальных устройств и других сооружений нередко вызывает стеснение подмостовых сечений и возникновение дополнительных размывов и подпора, развитие эрозионных процессов (в том числе попятного размыва) и их распространение на капитальные сооружения.
В работе [104] рассмотрен ряд характерных примеров и проанализированы причины возникновения опасных размывов, деформаций и разрушений. И, хотя эта работа была направлена на рассмотрение проблемных вопросов, в основном применительно к капитальным мостовым сооружениям, тем не менее, практически все ее аспекты имеют прямое отношение и к временным, и к вспомогательным сооружениям.
В трудах ряда отечественных и зарубежных ученых и инженеров, и, прежде всего, A.M. Латышенкова, И.Я. Ярославцева, B.C. Муромова, Ц.Е. Мирцхулавы, М.М. Журавлева, О.Н. Климова, Н.Н. Петрова, Е.В. Болдакова и других в прежние годы были развиты современные теоретические представления и разработаны методические основы процесса формирования воронки местного размыва и расчета ее глубины [5, 10, 48, 83, 194].
Одно из наиболее полных научных обобщений методов расчета местного размыва было выполнено в работе [48]. Однако научно-методические вопросы современной зарубежной практики расчетов местного размыва долгое время подробно не рассматривались.
Этот пробел знаний был восполнен выполненным анализом и обобщением современных зарубежных методов расчета местных размывов, подробное рассмотрение которых отражено автором в работе [127].
Из-за сложности и недостаточной изученности кинематической структуры потока, обтекающего различные виды преград, современные отечественные и зарубежные методы расчета глубин местного размыва имеют эмпирическую основу.
Можно отметить, что глубина наибольшего размыва у различных сооружений мостовых переходов в общем виде зависит от множества факторов
(скорости течения, крупности наносов в русле, степени сжатия потока, расхода и формы перемещения донных наносов, глубины воды, формы сооружения в плане и в поперечном сечении, косины струй, формы гидрографа, продолжительности прохождения паводков и др.). При такой многофакторной зависимости выявить влияние каждого из факторов невозможно.
Не будем останавливаться на анализе построения различных расчетных формул; отнесем это к ответственности и праву выбора исследователей, их предложивших.
Тем не менее, укажем, что результаты расчета по любым формулам трудно сопоставить с натурными данными, поскольку натурные данные имеют, как правило, существенные недостатки.
Например, неясно, чему соответствуют измеренные глубины местного размыва - максимальным или случайным, или отражают размыв в результате прошедшего паводка или группы паводков, характеристики и обеспеченность которых могут значительно отличаться от расчетных.
В рамках настоящей монографии существующие в мировой практике методы расчетов местного размыва детально отразить не представляется возможным и целесообразным.
Основной целью этой работы является анализ целесообразности (эффективности) применения тех методов, которые приведены в инструктивно-нормативных документах и распространены в практике проектных организаций.
В настоящее время нормативно-методическими документами, отражающими современное состояние методов расчета местного размыва, являются Пособие (ПМП-91) [112], СП 32-102-95 [172] и Методические рекомендации Союздорнии [73].
Свод правил [172] дает рекомендации по расчетам местного размыва для промежуточных и береговых опор мостов, насыпей пойменных подходов, струенаправляющих дамб, подмостовых конусов мостов, траверс, бун, шпор, а также полузапруд.
Способы расчета, изложенные в работе [172], дифференцированы в зависимости от грунтовых условий и учитывают однородные и неоднородные несвязные грунты, связные грунты, слоистое залегание грунтов.
Расчет местного размыва предусматривает два случая:
первый - когда в воронку размыва беспрепятственно поступают донные наносы, влекомые потоком;
и второй - когда поток не влечет донные наносы или их поступление в воронку размыва исключается по какой-либо причине.
По структуре формулы, вошедшие в Пособие (ПМП-91) [112] и СП 32-102-95, однообразны с ранее предложенными в проекте ВСН 62-85 и ВСН 62-69 [28].
Хотя проект ВСН 62-85 так и не был утвержден, но с целью проверки эффективности применения его рекомендаций ЦНИИСом проводились сопоставительные расчеты по определению глубин местных размывов у опор мостов, используя методы, изложенные в ВСН 62-69 [28], Методических рекомендациях Союздорнии [73], проекте ВСН 62-85.
Некоторые проектные институты также провели в то время пробное проектирование конкретных объектов с сопоставлением результатов расчетов по различным методикам.
Для сопоставительных расчетов местных размывов были использованы 170 наблюдений за местными размывами у опор мостов и результаты расчетов, выполненных проектными организациями у 65 опор (в общей сложности было охвачено 32 моста), имеющих различные конструктивные особенности и расположенных в различных гидрологических и геологических условиях.
Не рассматривая отдельные выявленные недостатки некоторых формул, а также некоторые условия, которые не учитываются в СП 32-102-95 и Методических рекомендациях Союздорнии, сосредоточимся на одном из общих выводов, полученных в результате сопоставления.
Анализ данных этих сопоставительных расчетов показал, что при простых конструкциях опор, однородных несвязных грунтах результаты расчетов по ВСН 62-69, СП 32-102-95 и Методическим рекомендациям Союздорнии практически одинаковы.
Результаты этих расчетов показали также, что рекомендации СП 32-102-95 в 80% случаев дают меньшую величину местных размывов по сравнению с ВСН 62-69 и Методическими рекомендациями Союздорнии, и выявили общую тенденцию снижения расчетных глубин размыва по сравнению с ВСН 62-69.
Эта общая тенденция оценивается в снижении таких глубин в среднем на 20%. В численном выражении, если величина местного размыва составляет 4-5 м, то при 20%-ном снижении глубина местного размыва составит 3,2-4,0 м.
В этом случае и при общей малоизученности проблемы вряд ли стоит говорить о снятии излишних запасов при проектировании сооружений.
Существенные отличия временных сооружений от капитальных заключаются в форме и размерах, конструкции и принципе работы, а также сроке службы.
Эти отличия накладывают свои особенности на характер взаимодействия сооружений с водным потоком.
По особенностям гидравлической работы вспомогательные сооружения можно подразделить на две группы:
первая группа - сооружения с вертикальными гранями, которые могут быть заглублены или не заглублены в русло реки;
вторая группа - сооружения откосного профиля, которые могут быть обтекаемыми и соединенными с берегом реки.
Первая группа представлена различного типа ограждениями строящихся опор (шпунтовыми ограждениями, ограждениями из понтонов), свайными основаниями подмостей, монтажных (временных) опор, подкрановых эстакад и причалов. Для сооружений этой группы прогноз местного размыва необходим для определения глубины фундирования (для заглубленных в дно реки сооружений) или оценки устойчивости (отсутствия перекоса для незаглубленных в дно реки сооружений).
Следует отметить, что СП 32-102-95 [172] при расчетах местных размывов у капитальных мостовых сооружений и подтопляемых насыпей не учитывает всех особенностей временных сооружений. Так, в нем отсутствуют рекомендации по расчету размыва у незаглубленных в дно реки сооружений, например, ограждений строящихся опор в виде понтонов типа КС, а также когда шпунтовое ограждение может быть затоплено при проходе паводка.
С позиций гидравлической работы большинство временных русловых сооружений подобны мостовым опорам. Однако по размерам и форме их отличия существенны, а поскольку размеры и форма сооружений, обтекаемых потоком, являются определяющими факторами местного размыва, то и величина местного размыва не может быть определена по СП 32-102-95 без дополнительного теоретического анализа или проведения экспериментов.
Например, размеры шпунтовых ограждений котлованов под опоры значительно превосходят размеры самих капитальных опор, а некоторые свайные основания имеют форму или расположение свай, отличные от капитальных опор. Из практики также известно, что местоположение наибольших глубин размыва у ряда вспомогательных сооружений может сдвигаться от оси к боковой грани.
Ко второй группе временных русловых сооружений относятся искусственные островки и грунтовые перемычки.
Эти временные сооружения откосного типа обычно включают укрепление боковой поверхности и подошвы сооружения. Однако в отдельных случаях воздействие водного потока может быть воспринято материалом тела сооружения.
В любом случае обоснование их надежного (устойчивого) функционирования заключается в определении параметров укреплений и оценке размывов у подошвы сооружений.
Полуостровки и грунтовые перемычки в принципе аналогичны по условиям гидравлической работы поперечным регуляционным сооружениям. Однако их взаимодействие с водным потоком происходит в более облегченных условиях по сравнению с поперечными сооружениями в русле, устраиваемыми для защиты берега от сильного воздействия потока.
Сопоставление геометрических параметров поперечных сооружений с временными показывает, что последние могут значительно превосходить их по размерам. Очевидно, что их взаимодействие с водным потоком должно иметь свои особенности (например, распределение скоростей вдоль подошвы и по откосам и т.п.). Искусственные островки, устраиваемые в руслах рек, по характеру взаимодействия с водным потоком (обтекание со всех сторон) не имеют себе аналогов среди основных (капитальных) сооружений мостового перехода.
Эксперименты, проведенные в лаборатории мостовой гидравлики ЦНИИСа (1978 г.), показали, что гидравлическое сходство искусственных островков и опор только кажущееся.
Экспериментальные исследования, проведенные в ЦНИИСе в прежние годы, дали возможность решить большую часть вышеобозначенных вопросов, связанных с прогнозом размыва у временных сооружений и защитой от подмыва.
К основным результатам проведенных экспериментов следует отнести установление коэффициента формы для недостроенных шпунтовых ограждений и наиболее рациональной очередности погружения шпунта, оценку особенностей размыва у сооружений, незаглубленных в дно реки, выявление области применения откосных вспомогательных сооружений без защиты тела сооружения от воздействия водного потока [182].
Как установлено анализом работ [104, 127], методики расчета глубины местного размыва у различных сооружений основаны на эмпирических или полуэмпирических формулах.
Все коэффициенты в расчетных формулах получены преимущественно на основе лабораторных или реже натурных данных. Точность этих данных может вызывать сомнение и, следовательно, невелика. Известно, что измерений, относящихся непосредственно к высоким паводкам, очень мало. Все это говорит о несовершенстве существующих методов.
Ряд инженеров считают, что практика учета множества переменных при моделировании процесса развития местного размыва для реальных речных условий себя не оправдала. Это подтверждается анализом современного зарубежного опыта: для практических целей рекомендуются упрощенные формулы. Влияние на величину местного размыва у мостового перехода могут оказать близко расположенные водосливы, наличие укреплений в верхнем течении реки, различия в составе грунтов дна.
Отдельные исследователи отмечают определенную трудность получения достоверных натурных данных о величинах местных размывов. Проведение подводных обследований во время прохождения паводков сопряжено со значительными сложностями, а обследование после паводка обычно не дает ценных результатов, поскольку воронки размыва периодически заносятся.
С целью сопоставительной оценки величин местного размыва, получаемых расчетом по различным методикам, был проведен численный эксперимент по оценке влияния на расчеты учета различного количества факторов. Расчеты проводились параллельно по трем вариантам:
- по методике Пособия (ПМП-91) [112];
по методике Союздорнии [73];
по формуле Е.В. Болдакова [21].
В расчетах использовались преимущественно данные кадастра глубин местных размывов у опор мостов [48]. Всего было обработано порядка 120 данных по мостовым опорам в несвязных грунтах. Коэффициент косины набегания потока был принят равным единице. Результаты расчета, где глубина местного размыва получалась менее 1 м, при анализе не учитывались. Отдельные малодостоверные и сомнительные данные из анализа были исключены.
Из сопоставления результатов расчета по трем методикам выявлено, что отличие величин местных размывов, определенных по методике Пособия (ПМП-91), в среднем получалось на 2,6% меньше, чем по упрощенной формуле Е.В. Болдакова, а по методике Союздорнии - в среднем на 10,7% больше.
Различие в величинах местных размывов, выбранных только для случаев, когда глубина размыва по упрощенной формуле получалась больше, чем по методикам Пособия (ПМП-91) и Союздорнии, доходило в среднем соответственно до 21,2 и 19,4%.
Сопоставление только для случаев, когда глубина размыва по формуле Е.В. Болдакова получалась меньше, чем по методикам Пособия (ПМП-91) и Союздорнии, показало различие в среднем соответственно на 26,3 и 20,5%. Такая точность расчетов является вполне удовлетворительной в исследованиях, связанных с местным размывом.
Максимальная величина местного размыва, рассчитанная по формуле Е.В. Болдакова, при завышении по сравнению с методиками Пособия (ПМП-91) и Союздорнии составила соответственно 58,1 и 52,1%, а при занижении - 43,2 и 45,7%.
Поскольку эти величины представляют собой отдельно взятые максимумы, то такое различие вряд ли можно признать характерным.
Таким образом, проведенные численные эксперименты показывают, что рассчитанные по трем методам глубины размывов мало отличаются друг от друга и достаточно близко соответствуют данным фактических измерений.
На основе анализа результатов этих численных экспериментов установлено, что при недостаточности исходных данных расчеты местного размыва у временных и вспомогательных сооружений можно производить по упрощенной формуле [21]:
(18)
где hм - глубина воронки местного размыва, м;
α - геоморфологический параметр;
b - ширина опоры, м;
кф - коэффициент формы опоры;
кα - коэффициент косины набегания потока.
Пробная проверка возможностей формулы (18), проведенная на мостовом переходе через р. Хопер у ст. Усть-Бузулукская с применением шести известных формул (табл. 6), позволила в дополнение к результатам численных экспериментов установить, что конечные результаты, полученные по формуле Е.В. Болдакова, соизмеримы с результатами расчетов
по сложным формулам других методик, и поэтому, практически без особой потери точности, можно с ее помощью учитывать меньшее количество трудно определимых и физически неясных факторов.
Таблица 6
Автор метода, методики |
Год разработки |
Глубина воронки местного размыва hм, м |
Отклонения от методики (ПМП-91), % |
A.M. Латышенков |
1948-1960 |
1,07 |
-74 |
И.А. Ярославцев |
1956 |
0,80 |
-80 |
B.C. Муромов |
1969 |
6,98 |
72 |
М.М. Журавлев |
1980 |
4,41 |
8 |
О.Н. Климов |
1985 |
9,91 |
43 |
Е.В. Болдаков |
1980 |
4,68 |
15 |
Пособие (ПМП-91) |
1991 |
4,07 |
0 |
Выполненный анализ особенностей расчетов местных размывов убеждает в необходимости дальнейших исследований по совершенствованию методов учета специфических условий проявления этих размывов у временных и вспомогательных сооружений.