График движения волны прорыва

Графики движения волны прорыва показывают изменения основных параметров волны по длине реки. Они могут строиться на всю длину распространения волны проры­ва или для участка реки.

Графики движения волны прорыва строятся на плоскости Z-L-T (рис. 2.3.4.2),

где L - расстояние от гидроузла - откладывается на оси абсцисс;

Z - отметки уровня - используется левая ось координат;

Т - время с момента разрушения - отмечается на правой оси ординат.

Основой графика является продольный профиль реки, построенный в плоскости Z - L, на которой наносят максимальный уровень воды в расчетных створах при движении волны прорыва.

В плоскости L – Т строятся графики движения фронта, гребня и хвоста.

В некоторых случаях строятся упрощенные графики движения во­лны прорыва, где вместо оси Z (уровней) применяют ось Н (глу­бины потока). При этом не строится продольный профиль реки.

Графики движения волны прорыва позволяют определить параме­тры волны прорыва в любом промежуточном створе реки, что можно продемонстрировать на плакате.

Рис. 2.3.4.2. График движения волны прорыва

Графики интенсивности изменения характеристик затопления во времени

Графики интенсивности изменения характеристик затопления во времени строятся обычно для глубины затоплений Н, ширины затопления В и скорости течения V. То есть строятся графики глубины, ширины и скорости течения за время прохождения волны прорыва в заданном створе (рис. 2.3.4.3):

Н = Н ( Т ) ; В = В ( Т ) ; V = V ( T ) .

Рис. 2.3.4.3. Графики интенсивности изменения характеристик затопления во времени

Эти графики обычно используются для оценки изменения параметров волны прорыва во времени.

2.1.11. Гидравлика мостов

При пересечении автомобильных и железных дорог с реками и другими водными преградами возводятся комплексы инже­нерных сооружений, называемые переходами через водотоки. В их состав обычно входят искусственные сооружения, подходы к ним, регуляцион­ные и защитные сооружения. Наиболее широкое распространение полу­чили мостовые переходы, где в качестве искусственных соо­ружений применяются мосты.

По роду транспорта мостовые переходы под­разделяются на автодорожные, железнодорожные, совме­щенные, на городские переходы, переходы для нефте- и га­зопроводов.

По сроку действия в течение года различают высоко- и низководные мостовые переходы. Высоководные мостовые переходы обеспечивают движение по трассе в те­чение всего года, включая и период пропуска высоких вод. Этот вид переходов является преобладающим. На низ­ководных мостовых переходах, затопляемых при про­пуске высоких вод, движение транспорта на это время пре­кращается.

Мостовые переходы различаются схемой пропуска потока через сооружения перехода. Наиболее распространенной для высоководных мостов является схема, в которой мостом перекрываются русло реки и незначительные участки пойм, а основная часть пойм - земляными насыпями подходов (рис. 4.1.1.1, а). Весь идущий по водотоку расход пропуска­ется отверстием моста. Другая схема, также относящаяся к высоководным мостовым переходам, предусматривает де­ление потока на части и пропуск их через два или более число отверстий, устраиваемых в составе мостового перехода и называемых групповыми отверстиями (рис. 4.1.1.1, б). В этом случае мосты, располагаемые на пой­ме или на протоках (вне главного русла), называют пойменными. Для низководных мостовых переходов при­меняется схема, предусматривающая пропуск части расхода при высоких уровнях переливом через насыпи подходов (рис. 4.1.1.1, в), а иногда и через искусственные сооружения (рис. 4.1.1.1, г) низководных мостовых переходов.

Рис 4.1.1.1. Гидравлика мостов

Условия работы мостовых переходов определяются видом и строением русла, типом руслового процесса, а также ха­рактером потока и его параметрами.

В зависимости от вида водной преграды бывают мосто­вые переходы через равнинные, предгорные, горные реки, водохранилища, озера и т. п. Во время паводков потоки на равнинах и предгорных реках характеризуются числами Рейнольдса Re=vh/ν=10⁵-10⁶, что свидетельствует о раз­витом турбулентном режиме движения паводочных волн, и значениями параметра кинетичности П_к=v²/(gh)=10^-2-10^-3, соответствующими спокойному энергетическому состоянию потока. У предгорных рек чаще всего отсутствует пойма, а русло неустойчиво, имеет рукава и потоки, меняю­щие свою форму и местоположение. Горные реки обычно те­кут в узких долинах, имеют высокую скорость потока, пе­ремещающего по дну крупные камни.

Потоки, пропускаемые сооружениями мостовых перехо­дов, обычно являются неустановившимися, с различной сте­пенью нестационарности. Среди них наиболее распространены паводки. Движение по руслу паводочной волны зависит от строения русла и поймы - неровностей поймы, наличия стариц, русловых проток, ста­рых береговых валов и грив, различных возвышенностей и массивов растительности. При определенной совокупности признаков возможно образование вторичных течений, за­стойных замкнутых зон и т. д. Русловый и пойменный по­токи, резко различающиеся по скоростям течения и глуби­нам, взаимно влияют друг на друга.

При расположении мостовых переходов в нижних бье­фах плотин вследствие регулирования стока на этих соору­жениях потоки, пропускаемые через отверстия мостов, яв­ляются неустановившимися, т. е. волнами наполнения и отлива. При разрушении водоподпорного соору­жения (плотины) отверстие моста будет работать на пропуск резко нестационарного потока — волны прорыва. При рас­положении мостовых переходов в низовьях рек, в том чис­ле впадающих в водохранилища, за счет изменения уровней в водоеме, например при работе гидроэлектростанции, от­верстия мостов будут работать на пропуск неустановивших­ся медленно изменяющихся потоков - волн подпора и излива с возможным периодическим изменением направле­ния движения потока в отверстии моста на обратное.

Схема потока, стесненного сооружениями мостового перехода

Сжатие потока, пропускаемого через от­верстие моста, и последующее его расширение являются сложным процессом и характеризуются широким разнооб­разием условий. Схематизация этих условий имеет целью четче представить физику процесса и выявить основные его закономерности (рис. 4.1.2.1).

Рис. 4.1.2.1. Расчетная схема моста

Долина реки и коренное русло принимаются прямолиней­ными и постоянной ширины, соответственно В_о и В_рб (рис. 4.1.2.1, а). Рельеф дна русла и пойм принимается плос­ким.

Далее, неустановившееся движение в русле представля­ют установившимся, т. е. значения уровня и расхода счи­тают неизменными во времени, соответствующими, напри­мер, пику расчетного паводка. Ось мостового перехода ори­ентируется нормально к направлению течения схематизи­рованного потока.

Стеснение речного потока сооружениями мостового пе­рехода представляет собой местное сопротивление. Оно вызывает увеличение отметок свободной поверхности - под­пор перед мостом. Подпор распространяется вверх по те­чению на значительное расстояние. Если принять створ 1-1 на рис. 4.1.2.1 за границу, выше которой влияние моста уже не сказывается, т. е. бытовые условия мостом не нару­шены, то в пределах участка от створа /-/ до створа //-// устанавливается кривая подпора типа а₁ так как русло принято призматически. В сечении //-// (в конце кривой подпора а₁) превышение уровня над его поло­жением в бытовом состоянии (рис. 4.1.2.1, б) достигает почти максимальной величины на всем протяжении предмостового участка и называется пол­ным подпором. При очень сильном стеснении пото­ка и при размыве под мостом наибольший подпор Δz рас­полагается ближе к мосту по сравнению с сечением //-//.

Непосредственно перед мостом свободная поверхность имеет сложную форму в виде воронки. Криволинейное сече­ние П—П (рис. 4.1.2.1, а) соответствует верхней границе во­ронки. Подпор для централь­ной струйки в сечениях //-// и П-П может считаться оди­наковым. Уменьшение ширины потока в пределах воронки приводит к увеличению скоростей течения. В обычных усло­виях при устройстве струенаправляющих дамб скорости достигают наибольших значений в подмостовом сечении III-III.

От створа /-/ вниз по течению скорости крайних струй уменьшаются, а глубины увеличиваются почти до самой на­сыпи подхода. Вдоль насыпи наблюдается увеличение ско­ростей вначале небольшое, ниже сечения П-П - более значительное и на коротком участке у голов струенаправ­ляющих дамб скорости крайней струи резко возрастают. Сво­бодная поверхность перед границей водной воронки (се­чение П-П) близка к горизонтальной. У верхового откоса насыпи на некотором удалении от моста устанавливается наибольший по абсолютной величине подпор у на­сыпи Δz_н (рис. 4.1.2.1, б).

В створе ///-/// наибольшего сжатия потока, который при правильно устроенных струенаправляющих дамбах рас­полагается в отверстии моста, струи параллельны между со­бой. Уровень воды в этом сечении близок к бытовому, но в зависимости от условий растекания может быть как больше, так и меньше бытового, т. е. значение подмостового подпора может быть и положительным и отрица­тельным (Δz_M>0 и Δz_M<0).

За мостом на участке между сечениями ///-/// и IV- IV поток расширяется (растекается) и скорости потока уменьшаются. За границей крайних струй образуются об­ширные водоворотные области (рис. 4.1.2.1, а). За сечением IV-IV происходит восстановление бытовых условий водо­тока.

При усложнении схемы применительно к неустановивше­муся движению следует рассматривать процесс за короткий отрезок времени, в пределах которого расход можно счи­тать неизменным. Следует иметь в виду, что картина те­чения в разные интервалы времени будет различной. Это будет выражаться в изменениях положения указанных ство­ров, значений подпоров, скоростей, размеров воронки перед мостом, очертанием крайних струй в зонах сжатия и расте­кания потока, обусловленных изменением расхода (уровня).

Стеснение потока мостовым переходом при данном уровне может быть, интеграль­но оценено отношением β общего расхода воды к части рас­хода, проходящей при отсутствии стеснения в пределах от­верстия моста, которое называется коэффициентом общего стеснения или коэффициентом увеличения расхода:

Величина Q_M определяется как сумма расходов, проходящих в бытовых условиях по руслу (Q_РБ) и по участкам пойм в пределах отверстия моста (Q_ПМБ), значения которых могут быть определены по эпюре элементарных расходов, пост­роенной для створа перехода при рассматриваемом уровне (рис. 4.1.2.2). При рассмотрении неустановившегося движения коэффициент стеснения β также изменяется во времени и достигает наибольшего значения на пике расчетного па­водка.

Рис. 4.1.2.2. Расчетная схема мостового перехода

На водотоке в бытовых условиях можно выделить две характерных области: русло, по которому вмес­те с водой движутся наносы, и поймы, на которых движения руслоформирующих наносов нет, и не происходит смыва час­тиц грунта, т. е. бытовые скорости течения на пойме меньше неразмывающих (V_пб<V_нр) для грунтов верхнего слоя (пойменного наилка). Стеснение потока приводит к его пе­реформированию и возникновению размывов.

Размыв в русле связан с повышением транспортирующей' способности потока из-за увеличения скоростей и, следовательно, выноса наносов из-под моста по сравнению с их пос­туплением с верховых участков русла. На пойменных участ­ках размывы происходят, если возросшие скорости течения превысят неразмывающие, т. е. (V_пб>V_нр).

Размыв в виде равномерного понижения дна в отверстии моста и на некотором протяжении русла вверх и вниз по течению называют общим. В местах концентрации по­тока, возникающих, если струенаправляющие дамбы не обеспечивают равномерного распределения скоростей по ширине отверстия или по другим причинам, развивается сосредоточенный размыв.

У опор моста и голов струенаправляющих дамб возника­ют также местные размывы. Причиной местного раз­мыва у промежуточных опор моста является локальное на­рушение кинематической структуры потока, характеризую­щееся вихреобразованием и возрастанием скоростей тече­ния. Местный размыв у голов струенаправляющих дамб обусловлен двумя причинами: во-первых, образованием вальца, увеличивающего донные скорости, в месте набега­ния потока на дамбу; во-вторых, резким увеличением ско­рости течения вдоль дамбы вследствие значительного пе­репада уровней на небольшом по протяжению участке у голов дамб.

По общему и местному (у опор) размывам определяют глубину заложения и конструкцию фундаментов опор, а местный размыв у дамб влияет на выбор конструкции и размеров укреплений. По значениям подпоров устанавлива­ют отметки (высотное положение) бровки насыпи подходов и конструкций пролетного строения. Сосредоточенные раз­мывы вообще не должны допускаться.

Таким образом, основными задачами гидравлического расчета мостовых переходов являются: расчет общего раз­мыва, определение глубины местного размыва у промежу­точных опор моста, назначение размеров и очертания струе­направляющих дамб, обеспечивающих безотрывное обте­кание их потоком и равномерное распределение расхода по ширине отверстия моста, расчет глубины местного раз­мыва у голов дамб, определение значений подпоров.

Важность гидравлических расчетов при проектирова­нии мостовых переходов обусловлена необходимостью тех­нико-экономического сопоставления вариантов и выбора оптимальных параметров сооружений перехода, обеспечи­вающих надежную работу мостового перехода при наимень­ших затратах на строительство и эксплуатацию сооружений и минимуме ущерба окружающей среде.

Уменьшение, например, отверстия моста на равнинных реках ведет в целом к снижению стоимости сооружений мос­тового перехода, поскольку стоимость единицы длины под­ходов к мосту, как известно, ниже стоимости единицы длины моста. Однако при этом увеличиваются размывы подмостового русла, усложняется конструкция фундаментов опор, возрастает подпор перед мостом, усложняется эксплуатация перехода, увеличиваются площади затоплений, в большей мере заболачиваются поймы, ухудшаются условия для их использования в сельском хозяйстве и т. д.