Проектирование автомобильных дорог Часть 2

пользовать данные систематических лабораторных экспериментов. Частички наносов, начинающие двигаться лишь после того, как скорость превысила размывающую для них аНер, сначала переме­ щаются независимо одна от другой, и дно потока остается плоским. Эта фаза движения наносов носит название первой гладкой фазы. По мере увеличения скорости у дна потока появляются вихревые водные образования с осями, перпендикулярными течению, кото­ рые делят все дно на ряд чередующихся зон интенсивного движения наносов и мест их задержки. В этих условиях дно приобретает че­ шуйчатую форму. На нем появляются подвижные донные гряды — волны. Эта фаза движения наносов называется донногрядовой. Пер­ вая фаза наблюдается лишь при низких скоростях течения в очень мелких потоках, поэтому в реках практически с самого начала дви= жения образуются донные гряды. Гряды наносов исчезают только при достаточно высоких скоростях течения, когда снова наступает выравнивание дна, называемое второй гладкой фазой движения на­

носов.

Наличие на дне прямолинейного потока гряд наносов, которые не могут быть строго перпендикулярны течению в связи с разни­ цей скоростей в средней части потока и у его шероховатых боковых стенок, приводит к отклонению донных струй потока этими гряда­ ми, как направляющими. В результате в потоке появляются попе­ речные течения с обязательным разным направлением в верхних и нижних слоях водного потока. Такие поперечные течения обнаруже­ ны в реках Н. С. Лелявским еще во второй половине XIX столетия.

Поперечные течения значительно усиливаются на поворотах русла под действием центробежных сил, разных по значению на по­ верхности воды и у шероховатого дна, где скорость течения намного меньше. При этом в водном потоке образуются осредненные во вре­ мени винтовые течения, называемые поперечной циркуляцией, вы­ зывающие возникновение особых форм рельефа дна с объединением наносов под действием донных поперечных течений в большие по­ движные скопления. Элементарные донные гряды наносов размеща­ ются при этом уже на поверхности таких скоплений.

21

Простейшая форма подвижного рельефа дна в виде параллель­ ных гряд наносов без объединения в большие скопления может су­ ществовать только в чрезвычайно узких руслах, где поперечные те­ чения развиты слабо или практически отсутствуют. В естественных широких прямолинейных речных руслах поперечные течения раз­ виваются беспрепятственно и периодически меняют направление по­ длине потока, так как первоначальное отклонение донных гряд от нормального положения равновероятно в любую сторону. В резуль­ тате движущиеся наносы объединяются в скопления, обязательнопримыкающие поочередно к берегам речного русла; поэтому такие скопления называют побочнями.

Современный процесс формирования речного русла, т. е. выра­ ботка его форм и размеров, называется русловым процессом. Глав­ ной составной частью этого процесса является непрерывное взаимо­ действие водного потока с подвижным дном русла. Это взаимодей­ ствие приводит к образованию характерных форм рельефа дна, отвечающих структуре турбулентного потока, и одновременно к фор­ мированию паводочного скоростного поля потока, соответствующе­ го вырабатываемым формам дна, т. е. объединению наносов в круп­ ные скопления.

В результате взаимодействия двух фаз потока устанавливаются формы и размеры русла, отображающие те современные условия, в которых протекает русловой процесс.

Несмотря на практически бесчисленное множество комбинаций числовых характеристик условий, в которых происходит формиро­ вание русел, количество типов русел ограничено несколькими вида­ ми. Установить число возможных типов речных русел можно теоре­ тически. Характеристики условий руслоформирования могут быть сведены в малое число физически различных групп, каждой из ко­ торых соответствует одна определенная русловая форма.

Выделим участок речного русла ограниченной длины, находя­ щийся длительное время в однообразных гидрологических условиях, в связи с чем его средние размеры не меняются. На этот участок сверху по течению поступают вода с расходом Q и руслоформиру­ ющие наносы, суммарный расход которых по всей ширине дна рус­ ла обозначим через G. Русло, врезанное на большей части длины реки в отложения аллювия, на равнинных реках ограничено берега­ ми, сложенными пойменными грунтами. Как отмечалось выше, в составе пойменных грунтов есть не только руслоформирующие на­ носы, поступающие на этот участок в результате разрушения корен­ ных пород в верховьях реки, но и нерусловые значительно более мелкие наносы, приносимые водным потоком с водосбора. Поэтому грунты, слагающие берега русла, отличаются чаще всего некоторой связностью.

Сопротивляемость этих грунтов размыву может быть охаракте­ ризована размывающей скоростью иРаз=ЦНер. Фактическая ско­ рость протекания водного потока в речном русле v может в опреде­

22

ленные периоды отличаться от инер в связи с тем, что водный сток меняется во времени.

Три геометрические характеристики русла обозначим: В — сред­ няя ширина; Н — средняя глубина; I — уклон.

Некоторые из шести названных характеристик речного потока являются внешними для данного участка реки. Другие формиру­ ются в местном русловом процессе. В зависимости от того, что за участок реки рассматривается, меняется состав характеристик внешних условий формирования, но одна из них — расход водного потока Q — обязательно остается внешним фактором для любого участка. Это объясняется тем, что размер водного стока всегда оп­ ределяется размерами и рельефом водосбора, климатическими ус­ ловиями и состоянием поверхности, по которой происходит сток, а не условиями протекания потока по рассматриваемому короткому участку русла.

Одновременно одна из шести характеристик участка реки — глу­ бина Н — никогда не может быть заданной величиной в условиях свободного руслоформирования. Она отображает лишь наполнение русла, т. е. положение свободной поверхности потока относительно его дна.

Остальные четыре характеристики участка реки могут быть как заданными величинами, определяемыми внешними условиями, так и результативными в русловом процессе. Например, ширина рус­ ла реки В может быть ограничена, если поток протекает через теснину, или формироваться в процессе размыва пойменных бере­ гов; уклон потока I может быть равен уклону речной долины или быть меньше его, если русло извилисто и длина его развита по срав­ нению с длиной долины; твердый сток G может быть внешним, по­ ступающим сверху по течению, или формируемым на участке ре­ ки, расположенном в ее верховьях; скорость потока v может быть равна размывающей скорости для пойменных береговых грунтов *>нер, если скорость течения снижается в процессе формирования рус­ ла при размыве берегов, или быть значительно меньше размыва­ ющей скорости для берегов, если река протекает в теснине с проч­ ными берегами.

Русло может формироваться только при относительно высоких скоростях течения, достаточных для того, чтобы размывать берега и переносить наносы. Следовательно, выработка русловых форм происходит в основном во время паводков. Высота паводка меняет­ ся из года в год, но некоторые паводки встречаются наиболее часто н являются характерными для данной реки в среднем. Такие сред­ ние паводки, а следовательно, и максимальные расходы воды, со­ ответствующие им, можно называть руслоформирующими. При па­ водках, меньших средней высоты, процесс формирования русла будет малоактивен. При очень высоких паводках могут происходить существенные временные изменения тех размеров и форм русел, ко-

23

торые вырабатываются во время частых паводков, близких к сред­ нему.

Шесть характеристик любого участка реки связаны между собой всего тремя уравнениями: средней скорости течения (Шези); по­ стоянства расхода воды; расхода руслоформирующих наносов.

В связи с этим следует считать, что три характеристики русло­ вого потока из шести являются результатом руслового процесса, протекающего в условиях, определяемых другими тремя (внешни­ ми) характеристиками. Учитывая, что одна из характеристик (Q) обязательно является внешней, а другая (Н) никогда к внешним не относится, число возможных комбинаций трех внешних условий руслоформирования определяется, как число сочетаний из остальных четырех характеристик (G, В, v, I) по две и равно шести.

Таким образом определяется число возможных типов русел (табл. 18.1).

Характерные формы русел показаны на рис. 18.14.

Принято различать два типа меандрирующих рек с извилисты­ ми руслами. Если спрямление русла происходит только в резуль­ тате сближения двух излучин, когда водный поток прорывается кратчайшим путем, оставляя на пойме брошенную подковообраз­ ную излучину — староречье, то такие реки называют реками за­ вершенного меандрирования. При глубоких пойменных потоках и частом затоплении пойм развиваются мощные спрямляющие тече­ ния на поймах, в результате которых поток прорезает себе в пой­ менных грунтах длинную промоину — спрямление, куда и устремля­ ется задолго до того, как две излучины сблизятся. Такие реки на­ зывают реками с незавершенным меандрированием. Образующиеся

24

л)

Русла 19д5г.

Рис. 18.14. Планы участков рек разных типов:

а — меандрирующая (извилистая); б — немеандрирующая; в — блуждающая

и в этом случае брошенные излучины (староречья) уже не имеют явно выраженной подковообразной формы.

Форма речного русла любого типа может быть охарактеризова­ на отношением его ширины к глубине. Непосредственно из выраже­ ния расхода потока Q= BHv следует:

в _ Q

НvH* '

Подставляя в правую часть этого равенства выражение глуби­ ны потока через скорость, уклон и шероховатость, по уравнению Шези получим

ВQIZI2

( 18. 2)

ИЛ31/4

Вэтой формуле скорость v и уклон I представляют собой фак­ тические значения параметров потока, которые в одних случаях оказываются заданными внешними условиями руслообразования,

ав других устанавливаются в результате руслового процесса, т. е. в соответствии с транспортированием наносов, поступающих сверху по течению.

Формула справедлива только для среднего руслового расхода, под действием которого формируется русло реки.

Глубины следует отсчитывать от уровня воды, соответствующе­ го этому расходу.

Показатель формы русла позволяет проанализировать влияние параметров речного потока на размеры русла. Так, увеличение ук­ лона / приводит к увеличению отношения В/Н, т. е. на больших ук­ лонах русла рек относительно мельче. При увеличении скорости течения v русло становится глубже и сужается. Большие реки су­ щественно отличаются от малых по ширине русла и значительно меньше отличаются по глубине. Это объясняется тем, что увеличе­ ние водности реки (расхода Q) приводит к увеличению отношения В/Н, но реки с разными расходами воды Q, протекающие в берегах, сложенных примерно одинаковыми грунтами, должны иметь при­ мерно одну скорость течения, т. е. при одинаковых уклонах — оди­ наковую глубину.

При этом следует обратить особое внимание на то, что ско­ рость течения в реке, свободно формирующей свое русло, после прекращения размыва берегов соответствует сопротивляемости бе­ реговых грунтов размыву.

На дне реки частицы несвязного грунта, слагающие его, нахо­ дятся в движении, т. е. фактическая скорость течения потока v = ивернп, но одновременно v > иНер, где vHep— размывающая ско­ рость для подвижных донных наносов.

26

Глава 19

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

19.1. Методика аналитического прогноза максимальных расходов воды в реках

Сооружения мостовых переходов взаимодействуют с водным по­ током и подвергаются опасности затопления, подмыва и размыва текущей водой, а также повреждения ледоходом. Степень опасно­ сти повреждения сооружений при прочих равных условиях опреде­ ляется высотой половодья, которая меняется из года в год. Мосто­ вые переходы должны выполнять свои функции в течение долгого срока службы (обычно более столетия). За это время на реке мо­ гут появиться не только малые, но и большие половодья, в том чис­ ле превышающие те, которые были зафиксированы на данном во­ дотоке.

Чтобы сооружения перехода были запроектированы и построены правильно, т. е. были всегда устойчивы и их можно было нормаль­ но эксплуатировать в течение всего срока службы, необходимо рас­ чет размеров и конструкций сооружений основывать на точном прогнозе возможных высот половодий.

Каждое половодье характеризуется несколькими показателями: максимальным расходом Qmax; отметкой наивысшего уровня воды Нmax; максимальной скоростью течения; продолжительностью по­ ловодья и т. д. Первичным показателем является расход воды, ко­ торый формируется в процессе стока на водосборе вне места распо­ ложения мостового перехода. Поэтому прогноз половодий, опасных для сооружений мостовых переходов, может быть сведен к прогно­ зу максимальных расходов воды в реке и к последующему опреде­ лению вторичных характеристик потока по гидрометрическим кри­ вым.

В настоящее время прогноз максимальных расходов рек выпол­ няется, как правило, на основе статистических данных о режиме водного стока реки за период, предшествующий постройке мостово­ го перехода. Прогноз базируется на следующих представлениях об изменчивости характеристик речного стока:

годовой цикл стока закономерен, отображает смену времен года и тип питания реки;

ежегодные колебания фазово-однородных характеристик стока, например максимальных расходов или объема стока весенних поло­ водий, подчинены закону больших чисел, т. е. средние значенкр этих характеристик устойчивы независимо от продолжительности наблюдений;

закономерности колебаний стока свободных рек относительно устойчивы в периоды, продолжительность которых равна неосель-

27

ким столетиям (т. е. превышает срок службы сооружений мостовых переходов), так как за это время не может произойти существен­ ных изменений в климате и почвенном покрове бассейна реки. По­ этому закономерности колебаний стока, установленные по данным за предшествующий период, могут считаться действующими и для последующего периода;

значения характеристик стока являются случайными для каждо­ го данного года и поэтому не могут быть прогнозированы по срокам появления. Возможен только вероятностный прогноз характеристик стока, в частности максимальных расходов половодий. При этом как бы ни была мала вероятность образования большого поло­ водья, оно может пройти в ближайшие годы после постройки моста, как и другие значительно меньшие половодья.

Для установления средних значений максимальных расходов за длительный период времени и закономерностей их колебаний ис­ пользуются статистические данные наблюдений за режимом реки в период, предшествующий проектированию мостового перехода.

Отбору этих данных должно быть уделено большое внимание. Нельзя объединять фазово-разнородные расходы. Например, если на реке бывают половодья как от таяния снега, так и от ливней, то при прогнозировании весенних половодий нельзя использовать дан­ ные о ливневых половодьях даже за те годы, когда они превышали половодья от талых вод.

Необходимо тщательно анализировать условия стока в каждом году, чтобы исключить влияние таких естественных факторов, ис­ кажающих истинную картину максимального стока, как подпор, ледяные заторы и т. п. На водомерных постах измеряют уровни воды, а затем по кривой расхода приписывают каждому уровню оп­ ределенное значение расхода. Однако кривая расхода справедлива только для условий свободного стока и прежде, чем пользоваться ею, необходимо установить, насколько искажена отметка уровня воды под влиянием перечисленных выше явлений.

Должно быть также учтено, что влияние хозяйственной деятель­ ности человека на территории бассейна может существенно изме­ нить высоты половодий. Агролесомелиоративные мероприятия, из­ менение системы землепользования, вырубка леса — все это меняет условия стока на огромных площадях водосбора. В результате мо­ жет оказаться целесообразным разделить данные о режиме реки по периодам, используя для прогноза только те, которые характерны для последующих лет, когда будет эксплуатироваться мостовой пе­ реход. Гидроэнергетические сооружения на реках также сильно ме­ няют условия стока. Поскольку деятельность человека на реке не является случайной, а направлена на ее планомерное использова­ ние, то расходы воды в случае регулирования стока не могут счи­ таться случайными.

Поэтому применение статистических приемов прогноза высоты половодий ограничено свободными реками.

28

Результаты прогноза, основанного на статистических данных,, должны подвергаться всесторонней проверке главным образом пу­ тем сопоставления с натурными данными о прошедших половодьях. Это позволит избежать грубых ошибок, хотя некоторая погреш­ ность неустранима в связи с известной схематизацией явлений, допускаемой при конкретном расчете по ограниченному количеству данных о режиме реки. Если погрешность расчета будет велика, тоопасность повреждения сооружений станет реальной. Поэтому к результатам статистических расчетов при проектировании особо ответственных сооружений (немостовых переходов) следует вво­ дить некоторую гарантийную поправку. Эта поправка, равная воз­ можной ошибке, прибавляется к результату расчета, хотя не ис­ ключается и ошибка другого знака1.

Максимальный расход половодья определенного значения мо­ жет быть охарактеризован вероятностью его превышения еще боль­ шими расходами. Если какой-либо расход является расчетным для сооружений мостового перехода, т. е. при половодье с таким рас­ ходом запасы устойчивости сооружений будут исчерпаны, то веро­ ятность превышения этого расхода будет одновременно вероят­ ностью опасных условий работы сооружений.

Вероятность превышения расхода выражается в долях единицы и справедлива для каждого года, так как превышение расчетнога расхода может произойти в любом году, но не обязательно, а лишь с определенной степенью вероятности. Чем больше максимальный, расход, тем меньше вероятность его превышения еще более значи­ тельными расходами.

Вероятность превышения может быть отнесена не только к од­ ному году, но и к длительному периоду времени. В этом случае можно отождествлять вероятность превышения с частотой, т. е. с числом случаев превышения за этот период. Например, если веро­ ятность превышения максимального расхода весеннего половодья,, которое бывает 1 раз в год, равна 0,02 в каждом году, то это одно­ временно означает, что такой максимальный расход будет превы­ шен еще большими: в среднем 1 раз за каждые 50 лет; 2 раза за 100 лет и т. д. Превышение за длительный срок почти достоверно.

Нормы частоты нарушения нормальных условий эксплуатации, т. е. ограничений перевозок и скорости движения поездов или авто­ мобилей, и нормы частоты возникновения опасности повреждения сооружений устанавливаются техническими условиями проектиро­ вания мостов. В табл. 19.1 приведены данные для автомобильных дорог, городских улиц.и городских дорог.

Вероятность превышения расчетных максимальных расходов по­ ловодий меняется соответственно народнохозяйственному значеник> рода транспорта, а также в зависимости от вида сооружений. В свя­ зи с этим нормы проектирования железнодорожных мостовых пе­ реходов более жесткие, чем автодорожных переходов. Нарушение устойчивости сооружений на железных дорогах с грузооборотом,

29

бо важное народнохозяйственное значение, при технико-экономическом обосновании веро­ ятность превышения допускается принимать 0,33 вместо 1% и 1 вместо 2%.

** В районах с развитой сетью автомобильных дорог для автодорожных малых мостов н труб при технико-экономическом обосновании вероятность превышения допускается при­

допускается значительно реже, чем на дорогах, где имеется боль­ шая возможность организации объездов, а перерыв в перевозках сопровождается меньшими экономическими потерями. Кроме того, железнодорожные перевозки — это чаще всего перевозки дальние, а перевозки по автомобильным дорогам — местные.

Насыпи автомобильных дорог имеют достаточно широкую про­ езжую часть, укрепленную твердыми материалами, в большинстве случаев с применением вяжущих веществ, поэтому перелив через автодорожную насыпь менее опасен, чем через железную дорогу, и сопровождается меньшими повреждениями земляного полотна. Этим объясняется меньшая частота превышения наибольшего рас­ четного расхода для железнодорожных насыпей по сравнению С ав­ тодорожными.

Чтобы построить сооружения, которым не угрожает потеря ус­ тойчивости ни при каких высоких половодьях, необходимо приме­ нять в качестве наибольшего расчетного расхода физически воз­ можный предельный расход, так называемый максимум-максимо- рум, частота превышения которого равна нулю. Однако сооруже­ ния, запроектированные на безопасный проход такого предельного половодья, весьма дороги, поэтому более экономично ограничивать наибольшие расчетные расходы значениями, реально превышаемы­ ми, допуская необходимость восстановления или ремонта отдельных сооружений на дорогах. Практически непревышаемые максималь­ ные расходы половодий, характеризуемые частотой 1 10 000, при сроке изменения климата на земном шаре 12 000 лет, равном пери-

.30