Проектирование автомобильных дорог Часть 2

техническим. Естественно, что прогнозы стока и русловых деформа­ ций, являющиеся основой проектирования мостовых переходов, должны выполняться исходя из тех же теоретических, физически обоснованных предпосылок, которые плодотворно используются для проектирования других речных гидротехнических сооружений. Конечно, все специфические условия работы мостовых переходов должны быть учтены в конкретной методике гидрологических и рус­

движения по дороге. Поэтому сооружения мостового перехода дол­ жны быть запроектированы и построены таким образом, чтобы ос­ таваться устойчивыми и выполнять свои функции при любых усло­ виях, которые могут возникнуть за длительный срок их службы. Иначе говоря, сооружения перехода должны прочно противостоять действию текущей воды и русловым деформациям, предвычисленным в прогнозах.

Выполнение этого положения, вытекающего из требований нор­ мальной эксплуатации, требует соответствующих первоначальных капиталовложений, но приводит к минимальным ежегодным затра­ там на перевозки и содержание сооружений перехода и обеспечива­ ет безопасность движения.

При проектировании переходов через водотоки не следует ори­ ентироваться на снижение первоначальных капиталовложений за счет уменьшения устойчивости сооружений и роста ежегодных рас­ ходов по их содержанию. Такие решения технически несовершенны и несопоставимы с другими вариантами, удовлетворяющими при­ веденному выше положению.

Эксплуатационные мероприятия по поддержанию сооружений в устойчивом состоянии обычно примитивны и малоэффективны. По­ этому, например, устройство мостовой опоры мелкого заложения с защитой ее от подмыва обсыпкой камнем во время разлива реки нельзя рассматривать как равноценное устройству опоры более глубокого заложения. Размывы у опор чаще всего происходят быст­ ро, а для защиты опор от подмыва необходимы продолжительное время и наличие на мостовом переходе значительного числа рабо­ чих и всех технических средств для выполнения защитных работ (материалов, механизмов, плавучих средств). Последнее всегда приводит к резкому увеличению стоимости этих работ в связи с чрезвычайно низкой степенью использования рабочей силы, машин и материалов при выполнении противоаварийных работ.

Кроме того, при работах по обеспечению устойчивости опор различными примитивными средствами оказывается необходимым ограничивать или даже полностью прекращать движение по мосту во время высоких паводков, что также влечет за собой большие экономические потери. Во многих случаях выполнение во время па­

11

водков эксплуатационных работ, связанных с защитой сооружений мостовых переходов от повреждений, не было успешным, и мосто­ вые переходы переставали функционировать на весьма длительные

сроки.

Стоимость единицы длины подходов к мосту чаще всего значи­ тельно ниже стоимости единицы длины моста. Это обстоятельство побуждает стеснять реку при строительстве мостового перехода. Од­ нако по мере увеличения стеснения реки русловые деформации и подтопление сооружений возрастают, условия работы сооружений резко ухудшаются, потребность в защитных мероприятиях увеличи­ вается, эксплуатация перехода затрудняется, а при определенной степени стеснения становится невозможной. Отыскание оптимальной степени стеснения реки переходом, наивыгоднейшей по суммарным затратам на строительство и содержание сооружений, является су­ щественной частью решения задачи по определению генеральных размеров 'сооружений для каждого варианта места пересечения реки.

При проектировании мостового перехода необходимо обеспечить достаточную его пропускную способность, определяемую шириной проезда по мосту или числом путей, и соответствующую грузоподъ­ емность всех сооружений. Для беспрепятственного пропуска авто­ мобилей или поездов требуется соответствующее очертание про­ дольного профиля и плана дороги при пересечении реки, в частно­ сти, в пределах подтопляемых подходов к мосту.

Определенные требования предъявляются к мостовому переходу с точки зрения беспрепятственного пропуска под мостом судов и плотов при заданных уровнях воды в реке. С целью учета этих тре­ бований устанавливаются минимальные подмостовые габариты, т. е. длина, высота, число и размещение пролетов моста, предназначен­ ных для пропуска судов и плотов, а также предельное приближе­ ние моста к речным портам и устойчивым перекатам, на которых судоходство затруднено. Ограничивается и стеснение судоходной реки подходами к мосту с тем, чтобы взводное буксирное судоход­ ство и сплав трудно управляемых плотов оказались возможными и после постройки мостового перехода.

Наконец, мостовые переходы не должны вносить таких ухуд­ шений в режим реки, которые могли бы неблагоприятно сказаться на работе отраслей народного хозяйства, связанных с использова­ нием реки.

Основные транспортные сооружения мостовых переходов часто приходится защищать от чрезмерно развившихся размывов, силь­ ных течений и т. д. Работы, проводимые с этой целью, объединяют­ ся общим названием — регулирование реки. При помощи регуля­ ционных работ можно переместить размывы, т. е. локализовать их в местах, безопасных для основных транспортных сооружений мостового перехода, замедлить размывы, уменьшить их размер или отвести опасные течения от сооружений, которым угрожал размыв

12

Регуляционные сооружения проектируют на основе изучения про­ цесса русловых изменений, происходящих в результате постройки перехода.

Для решения перечисленных выше задач, возникающих при про­ ектировании мостовых переходов, необходимо располагать обшир­ ными данными о режиме и местных условиях пересечения реки. Поэтому периоду проектирования должен предшествовать период изысканий, т. е. сбора материалов о водном стоке, топографических, грунтовых и геологических условиях по всем вариантам перехода, о ходе природных изменений речного русла и др. Полнота и тщатель­ ность изыскательских работ предопределяют качество проекта.

При установлении состава и объема изыскательских работ тре­ буется исходить непосредственно из методов проектирования об­ щих форм и генеральных размеров сооружений. Если это требова­ ние будет нарушено, выполнение ряда проектных расчетов окажется невозможным или искусственно ограниченным. По мере развития методов проектирования мостовых переходов неизбежно изменение состава изыскательских работ.

18.3. Деление рек по типам питания

Речные долины образованы в большинстве случаев во время тектонических деформаций земной поверхности или при движении древних ледников. Однако процесс формирования речных долин происходит и после их первичного образования и продолжается почти непрерывно под действием текущей воды.

Вода, стекающая по верхнему участку речной долины с значи­ тельным уклоном, многие тысячелетия разрушала рыхлые породы и выносила их вниз по течению. На остальном протяжении речной долины, где продольные уклоны значительно меньше, долгое вре­ мя откладывалось большое количество продуктов разрушения верх­ него его участка. Поэтому в поперечных разрезах среднего и ниж­ него участков речной долины всегда можно видеть слой наносов — аллювия, т. е. частиц грунта, принесенных водой. Под толщей этого слоя залегают породы первичной поверхности речной долины, образованной в древнем геологическом процессе. Такие породы на­ зываются коренными (рис. 18.7).

По мере смыва рыхлых грунтов уклон верхнего участка речной долины уменьшался, а вместе с ним уменьшался и вынос наносов вниз по течению. Вследствие этого на нижележащих участках до­ лины постепенно прекращалось отложение наносов, а водный по­ ток, смывая ранее отложившиеся наносы, врезался в толщу аллю­ вия. В результате современные поперечные профили речных долин характеризуются тем, что перенос наносов совершается, как прави­ ло, только на части ширины дна речной долины, которая называет­ ся руслом и понижена по отношению к остальной части дна доли­ ны, называемой поймой.

13

а — напластование грунтов; 6 — русло н пойма реки; / — наносы; 2 — коренные породы; 3 — наклон поймы; 4 — поймы; 5 — русло

При неравномерном питании реки водой поймы заливаются только при максимальном стоке и не обязательно каждый год. По­ этому онй покрыты травой, кустарником, иногда лесом, а переме­ щение частиц грунта, слагающих пойму и скрепленных корнями растений, практически не происходит.

Круглогодичный водный сток наблюдается только в русле реки, причем для минимального стока чаще всего используется не все русло, а только часть его, которая называется меженным руслом.

Процессы размыва в верхней части речной долины и отложения наносов в нижней ее части, затухающие во времени, должны рас­ сматриваться не только как древние, но и как современные, мед­ ленно протекающие процессы формирования речных долин. В связи с этим на протяжении долины можно выделить три характерных участка (рис. 18.8).

14

Первый (верхний по течению) участок с наибольшим уклоном 1\ называется зоной эрозии. Здесь сливающиеся потоки воды, посту­ пающие со склонов местности, имеют настолько значительную ско­ рость, что еще в силах размывать грунт и уносить вниз по течению его частицы. Такой процесс называется выносом наносов. Медлен­ ное понижение дна и постепенное уменьшение уклона характерны для этой части речной долины.

Второй (средний) участок с уклоном /2 называется зоной тран­ зита наносов. Сюда поступают сверху по течению не только вода, но и наносы, которые река проносит транзитом. Поэтому на сред­ нем участке дно русла не поднимается и не опускается.

Третий (нижний) по течению участок реки, характеризуемый наименьшим уклоном /3, отличается тем, что протекающая по нему вода уже не может перемещать то количество наносов, которое пере­ носилось ею по второму участку. В результате часть наносов от­ кладывается на нижнем участке долины и дно ее повышается. Этот участок долины называется зоной аккумуляции наносов. В ряде случаев отложения наносов достигают такого размера, что русло в нижнем течении реки оказывается поднятым выше окружающей местности. В этих случаях нижний участок речной долины назы­ вается конусом выноса (рис. 18.9).

Наносы, переносимые реками в периоды максимального стока, следует подразделять на более крупные — руслоформирующие, ко­ торые перемещаются в придонных слоях потока, образуя в своем движении подвижные стенки русла, и более мелкие — нерусловые, которые проносятся водой транзитом во взвешенном состоянии и в формировании русла практически не участвуют. Некоторое количе­ ство нерусловых наносов выносится водным потоком на поймы во время максимального стока и откладывается там в местах с особо малыми скоростями течения, образуя так называемый наилок пой­ мы. Это приводит к тому, что верхние слои пойменных грунтов обычно мельче, чем грунты в русле, обладают связностью и непо­ движны. На рис. 18.10 показан обычный грунтовый поперечный раз­ рез равнинной реки, где отчетливо видно такое распределение со­ става и качества грунта.

Нерусловые и руслоформирующие наносы обычно различаются по происхождению. Мельчайшая взвесь в основном образуется при склоновом поверхностном стоке за счет смыва частичек почвы, осо­ бенно интенсивного при почвах без растительности или распахан­ ных и при крутых уклонах местности. Руслоформирующие наносы образуются главным образом при русловом стоке за счет разруше­ ния коренных пород в верховьях реки и ее притоков.

Описанное выше деление всего протяжения реки на три харак­ терных участка не обязательно для всех рек. В ряде случаев отсут­ ствует средний участок — зона транзита, и за участком эрозии не­ посредственно следует зона аккумуляции. Такое деление речной долины на два участка характерно для рек с очень большим твер-

15

Н,м

дым стоком. В этих условиях часто развивается конус выноса, ко­ торый часто развивается и у периодических водотоков, выносящих продукты эрозии на склоны рельефа или на поймы рек, где беспо­ рядочно растекающийся водный поток теряет способность перено­ сить наносы. На реках, впадающих в другие большие реки, т. е. на притоках главной реки, часто отсутствует зона аккумуляции.

Речная долина в плане никогда не бывает прямолинейной, а всегда извилиста. Ширина ее, образованная в древнем геологиче­ ском процессе, меняется по длине водотока иногда весьма значи­ тельно. Русло реки также часто извилисто, причем его извилины не повторяют извилин долины.

Характерной особенностью речных русел является малая изме­ няемость их ширины и средней глубины на достаточно длинных участках речной долины. Исключение составляют русла рек на ко­ нусах выноса, ширина которых иногда сильно меняется даже на коротком протяжении. Малая изменчивость ширины и глубины русла объясняется тем, что русло вырабатывается в современном процессе формирования речной долины и приспособлено к совре­ менному режиму водного и твердого стоков. Этот режим соответст­ вует климатическим и геоморфологическим условиям, наблюдаемым в настоящее время, которые могут считаться практически неизмен­ ными в течение нескольких столетий.

Поскольку инженерные сооружения на реках, в том числе и мос­ товые переходы, строятся на периоды, продолжительность которых не превышает нескольких столетий, то для обоснованного их проек­ тирования необходимо особенно детально изучать именно современ­ ный режим рек. При этом необходимо установить: процесс питания

16

реки, режим водного стока как совокупность условий протекания воды и периодических изменений стока, связанных со сменой вре­ мен года; работу реки, т. е. современный процесс формирования русла и речной долины, результатами которого являются опреде­ ленные размеры русла и закономерные русловые преобразования.

Питание реки происходит неравномерно. В отдельные относи­ тельно короткие отрезки времени, называемые периодами макси­ мального стока, в реку стекают огромные массы воды, образующие­ ся от сильных дождей, интенсивного таяния снега или ледников и составляющие значительную часть общего годового объема стока. Быстрое стекание в реку больших масс воды вызывает в ней рез­ кое увеличение расхода и связанное с ним наполнение русла, т. е. подъем уровня воды, носящий название половодья. Термин «поло­ водье» в проектной практике заменяют словом «паводок». На раз­ личных реках половодья бывают в разное время года соответствен­ но происхождению максимального стока.

Реки разделяют по типам питания на четыре группы:

I — реки с дождевыми половодьями, питающиеся в течение года преимущественно дождевыми водами;

II — реки с половодьями от талых вод, питающиеся в течение го­ да преимущественно водами от таяния снега;

III — реки с половодьями от таяния ледников;

IV — реки с комбинированным (смешанным) питанием, поло­ водья которых обусловлены дождевыми водами и стоком от таяния снега или ледников.

График изменения уровня воды во времени называется водо­ мерным графиком для данного пункта и представляет собой на­ глядное изображение хода питания реки.

На рис. 18.11 представлены водомерные графики рек различных типов питания: а — р. Амур дождевого питания, отличающейся многочисленностью половодий в теплое время года, вызываемых от­ дельными сильными дождями; б — р. Воронеж, питающейся в ос­ новном от таяния снега с одним четко выраженным весенним поло­ водьем; в — р. Нарын — ледникового питания, большое число пиков летнего половодья на которой объясняется колебаниями темпера­ туры в зоне ледников; г — р. Кубань — смешанного питания, где на летнее половодье от таяния ледников накладываются половодья дождевого происхождения.

При анализе водомерных графиков различных рек необходимо учитывать, что изменения уровня воды в отдельные моменты време­ ни могут быть вызваны не только изменением притока воды в реку, но и заторами льда, зажорами шуги, а иногда и другими причина­ ми (нагонными ветрами, подпором от другой реки, сливающейся с изучаемой рекой, и т. д.). Учет таких обстоятельств весьма важен для правильного перехода от водомерного графика к гидрографу, т. е. к графику изменения расходов во времени (рис. 18.12). Пло­ щадь фигуры, образованной линией гидрографа и осями координат,

17

Рис. 18.11. Водомерные графики рек разных типов питания

представляет собой объем годового стока. Площадь части этой фи­ гуры, ограниченной двумя любыми ординатами, отвечает объему стока W за соответствующий интервал времени.

В зависимости от хода питания гидрографы и водомерные гра­ фики могут быть одномодальные (при одном половодье) или много­ модальные (при нескольких половодьях в течение года). Следует иметь в виду, что при нескольких половодьях они могут быть раз­ личного происхождения. Так, на Амуре первое чаще всего невысо­ кое половодье образуется при стоке талых вод от таяния снега, а все остальные относятся к дождевым. В отдельные годы дождевые

половодья, обычно значительной высоты, оказываются ниже, чем половодья от стока талых вод.

18.4. Деление рек по типам руслового процесса

Речной поток способен транс­ портировать частички грунта — наносы. Поток, обладающий не­ которой поступательной скоро­ стью, оказывает лобовое гидро­

18

динамическое давление на частицы наносов, лежащие на его дне, и может таким образом увлекать их с собой. При этом частицы грунта испытывают также действие подъемной силы. Возникающие при обтекании различные давления на верхнюю и нижнюю поверх­ ность частицы создают усилие, направленное вверх. Под действием подъемной силы подвижность частиц увеличивается, так как сила трения движущихся частиц о дно уменьшается. Подъемная сила исчезает, когда частица грунта отрывается от дна и обтекание ее совершается симметрично сверху и снизу.

При водном стоке река транспортирует наносы, поступащие в русло в результате смыва с поверхности водосбора и в результате разрушения коренных пород речной долины в верховьях реки. При постоянной скорости течения наносы транспортируются различным образом в зависимости от их крупности. Самые крупные частицы только перекатываются по дну под действием горизонтального гид­ родинамического давления, практически не отрываясь от дна. Менее крупные наносы подбрасываются пульсирующими восходящими течениями и отрываются от дна, но затем снова падают на него под действием силы тяжести. Часть пути эти частицы могут перека­ тываться по дну. В основном же они перемещаются потоком во взве­ шенном состоянии. Обе рассмотренные группы частиц относятся к грунту, слагающему подвижное дно речного русла, поэтому они и называются руслоформирующими наносами.

Количество наносов, которое может переносить поток в едини­ цу времени, называется транспортирующей способностью. Факти­ ческое количество наносов, переносимых потоком в единицу време­ ни, называется расходом наносов.

Расход руслоформирующих наносов в размываемом речном рус­ ле однозначно связан со скоростью водного потока и обязательно равен его транспортирующей способности по наносам этих крупно­ стей в связи с тем, что поступление руслоформирующих наносов сверху по течению обеспечено. Эти наносы, составляющие дно раз­ мываемого речного русла, всегда имеются в значительном количе­ стве.

Фактический расход нерусловых наносов, взвешенных в потоке, почти всегда значительно меньше транспортирующей способности потока из-за недостаточного поступления частиц такой крупности в речное русло вместе с водой.

При очень малых скоростях течения частички грунта, формиру­ ющие речное русло и характеризуемые определенной крупностью, будут неподвижными. Если в процессе увеличения скорости, напри­ мер при нарастании половодья, скорость течения достигнет значе­ ния, которое называется неразмывающей скоростью иНер для грун­ тов данной крупности, то частички грунта начнут двигаться. При дальнейшем увеличении скорости течения будет расти и скорость перемещения твердых частичек — наносов, а также крупность ча­ стиц, которые могут быть вовлечены в процесс перемещения. Одно­

19

временно возрастает крупность тех наносов, которые переносятся в виде нерусловых, т. е. не оседающих на дно.

Впроцессе уменьшения скорости частицы грунта, находящиеся

вдвижении, могут остановиться, как только скорость снизится до ^нер, поэтому скорость i>Hep может быть названа и размывающей.

Всвоем движении частички руслоформирующих наносов под­ брасываются пульсирующими восходящими течениями, достигают некоторого «потолка взвешивания» и снова падают на дно потока. Потолок взвешивания тем выше, чем больше скорость потока v и чем меньше диаметр наносов d.

Способность потока транспортировать руслоформирующие на­ носы может быть подсчитана, если известны высота потолка взве­ шивания h, концентрация этих наносов в воде ро и скорость их пе­ ремещения vn. Тогда количество руслоформирующих наносов, пере­ носимых потоком, на единицу его ширины

&" = A/70vHep-

В. Н. Гончаров, изучив зависимость всех входящих в эту фор­ мулу множителей от скорости течения воды v и крупности нано­ сов d, получил, что расход руслоформирующих наносов на единицу ширины русла (обязательно равный транспортирующей способно­ сти потока по наносам данной крупности) выражается формулой:

(18.1)

Прямая пропорциональность расхода наносов их крупности, чет­ вертой степени средней скорости воды v и обратная пропорциональ­ ность кубу неразмывающей скорости уНер была установлена не толь­ ко В. Н. Гончаровым, но и И. И. Леви, Б. В. Поляковым и др., что показывает на надежность структуры формулы и возможность уве­ ренного ее применения в инженерных расчетах.

На рис. 18.13 приведены данные, подтверждающие соответствие структуры формулы натурным измерениям расходов руслоформи­ рующих наносов. Дан график, построенный по результатам измере­ ний расходов наносов, выполненных на Амударье у г. Чарджоу при помощи специально сконструированной полевой аппаратуры лабо­ раторией речных сооружений ВНИИ транспортного строительства. Точки на графике должны группироваться около прямой, так как он построен в координатах v*d/v*нер и g". Линейная закономерность хорошо подтвердилась. Некоторый разброс точек объясняется по­ грешностями в измерении расходов наносов при высоких скоростях течения. Аналогичные измерения, проведенные той же лабораторией на реках Днепре и Суре, также подтвердили эту зависимость.

При использовании формулы (18.1) для определения расходов руслоформирующих наносов необходимо предварительно устано­ вить входящие в нее величины, т. е. скорость потока, крупность на­

20