Проектирование автомобильных дорог Часть 2

течению отсутствует. В этом слу­ чае расход от прорыва плотины будет наибольшим.

Если по реке идет половодье, то место прорыва существенно подтопляется, и напор соответст­ венно снижается. Этот случай не всегда будет расчетным, так как расход от прорыва и объем сбра­ сываемой воды значительно уменьшаются. Однако может быть рассмотрен и этот случай быстрого распространения волны от прорыва плотины по запол­

ненному водой руслу дополнительно к волне половодья, имеющей большую длину и значительный объем.

Распространение волны попуска из-за разрушенной плотины при отсутствии подтопления снизу (случай 1) происходит почти по сухому руслу. Волна попуска при своем движении трансформиру­ ется, ее длина возрастает, а высота снижается.

Снижение высоты волны половодья, т. е. уменьшение макси­ мального расхода воды на расстоянии х от плотины, может быть оценено по приближенной формуле М. Ф. Менкеля и С. Н. Крицкого:

Если известно, что расход свободного половодья водотока равен Q, то можно, пользуясь этой формулой, найти расстояние xmin, на котором расход от прорыва плотины также не будет превышать половодный. Это расстояние

Расчет подпора. На значительном удалении от моста вверх по реке, где поток имеет постоянную ширину, его поверхность при па­ водке очерчена по обычной кривой подпора а.\ с увеличивающими­ ся по течению глубинами и уменьшающимися уклонами и скоро­ стями течения (рис. 20.19). В конце кривой подпора изменение уровня воды обычно достигает почти максимального значения на всем протяжении оси потока на участке мостового перехода. Подъ­ ем уровня в этом створе Д/г называется полным подпором.

71

Непосредственно выше моста свободная поверхность потока очерчена в виде воронки с зна­ чительными уклонами боковых склонов вблизи мостового отвер­ стия. Продольный профиль сво­ бодной поверхности водной во­ ронки по оси потока очерчен по выпуклой кривой спада особого типа, так как ширина потока на этом участке переменная. Умень­ шение ширины потока опреде­ ляет постепенное возрастание скорости в этой зоне вниз по те­ чению.

При очень сильных стесне­ ниях и по мере размыва под мостом наибольший подпор разме­ щается ближе к мосту, чем последнее сечение кривой подпора типа а\, т. е. на протяжении особой кривой спада перед мостом.

За мостом от сечения наибольшего сжатия поток начинает рас­ текаться. В зоне растекания скорости уменьшаются вниз по тече­ нию.

Уклон свободной поверхности потока в зоне растекания может быть больше бытового, так как скорость течения здесь превышает бытовую. Но этот уклон может оказаться и меньше бытового, так как в растекающемся потоке восстанавливается потенциальная и уменьшается кинетическая энергия. Поэтому отметки уровней во­ ды в наиболее сжатом сечении потока и под мостом, определяемые условиями движения потока в зоне растекания, могут быть боль­ ше бытовых, равны им, в некоторых случаях меньше бытовых в зависимости от соотношения факторов, определяющих увеличение и уменьшение уклона потока в зоне растекания по сравнению с бытовым. Изменение уровня воды под мостом AhM называется не­ полным подпором (или подмостовым подпором).

Поверхность воды непосредственно за мостом всегда имеет вид бугра, а уровень воды под мостом превышает уровень воды у ни­ зовых откосов пойменных насыпей.

Уровни свободной поверхности потока у верховых откосов насьпей подходов к мосту отличаются от бытового уровня значительно больше, чем по оси потока. Благодаря воронкообразному очерта­ нию водной поверхности перед мостом и соответствующему ей кри­ волинейному очертанию поперечных сечений сжимаемого потока у верхового откоса насыпи в удалении от отверстия моста устанав­ ливается уровень воды с отметкой, соответствующей сечению по­ тока в конце кривой подпора щ. Вдоль насыпи уровень воды посте­ пенно снижается по направлению к отверстию моста (см. рис. 20.15). У низового откоса насыпи уровень воды устанавливается с

72

отметкой, соответствующей начальному сечению зоны растекания потока за мостом. Уровень воды вдоль низового откоса насыпи практически постоянен, так как уклон воды вдоль границ зоны растекания обычно ничтожен. Вдали от моста разница уровней по обе стороны насыпи часто весьма велика. Непосредственно у конуса насыпи она значительно меньше.

Раскрывая по уравнению равномерного движения выражения уклонов трения по участкам потока, можно получить общее выра­ жение для подпора АЛ при неразмываемом дне русла, выведенное О. В. Андреевым в 1960 г. непосредственно из уравнения Бернулли (см. рис. 20.19),

носительная длина верховых струенаправляющих дамб (х=/в//о); /в— длина вер­ ховых дамб; /0 — длина водной воронки перед мостом.

Так как практически всегда русла рек размываемы, эта форму­ ла дает несколько завышенное значение подпора. Для учета размываемости русла и нелинейности нарастания стеснения вдоль по­ тока В. Ф. Гринич ввел в формулу два поправочных коэффициента. С помощью этих коэффициентов учитывается размыв в случае про­ хода расчетного паводка по еще неразмытому дну —это случай воз­ никновения наибольшего возможного подпора перед мостом.

Поправочные коэффициенты В. Ф. Гринича выражаются эмпи­ рическими формулами, полученными в результате массовых сов­ местных расчетов подпоров и размывов (по уравнениям неравно­ мерного движения воды и баланса наносов в конечных разностях):

дей сечения водного потока под мостом после размыва и до него.

Расчетная формула подпора имеет вид [ср. с формулой (20.35)]:

Переход к подпору у насыпи AhHосуществляют по формуле:

где У0 = — — ■

Для детализации расчета, разбивая весь участок потока на до­ ли, можно построить кривую свободной поверхности потока, поль­ зуясь непосредственно обычным уравнением неравномерного дви­ жения в конечных разностях (уравнение В. И. Чарномского). При

73

иГ. А. Петровым. С этой целью уже проведены натурные и лабо­ раторные исследования слива пойменных вод в русло реки в верх­ нем бьефе мостового перехода и вытекания русловых вод на пойму в его нижнем бьефе. Разработка способов применения этого вида двумерных расчетов к проектированию мостовых переходов ведет­ ся В. П. Баховчуком в БПИ. Одновременно продолжаются работы

ипо совершенствованию методики построения планов течений, уст­ ранению погрешностей расчетов, особенно расчетов слияния пой­ менных и русловых струй. Так, д-ром техн. наук Нгуен-Суан-Тру- ком установлено наличие пойменных струй, не сужающихся, а рас­ ширяющихся на части своей длины.

Глава 21

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДХОДОВ К МОСТАМ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

21.1. Проектирование пойменных насыпей

Подходы к постоянным мостам сооружают в большинстве слу­ чаев в виде незатопляемых земляных насыпей на поймах или в русле блуждающих беспойменных рек. Только в особых случаях на дорогах низших категорий и у временных низководных мостов устраивают периодически затопляемые подходы. Строительство не­ затопляемых насыпей становится экономически неэффективным только при высоте их 30 м и более и при неудовлетворительных грунтах основания, а также при отсутствии у перехода грунтов, пригодных для возведения земляных сооружений. В этих случаях устраивают пойменные эстакады.

Чтобы насыпь была незатопляемой, ее бровку поднимают выше возможного уровня воды в реке на мостовом переходе с учетом подпора. На границе разлива подпор у верхового откоса поймен­ ной насыпи достигает наибольшего размера Д/*„.

Уровень воды у низовго откоса насыпи определяется отметкой поверхности воды у концов низовых струенаправляющих дамб. Эта отметка мало отличается от бытовой. Таким образом, наиболь­ шее повышение уровня воды у верхового откоса над расчетным уровнем одновременно определяет и наибольшую разность уровней у верхового и низового откосов пойменной насыпи на границе раз­ лива (рис. 21.1).

На участках насыпи, достаточно близких к мосту, разница уров­ ней меньше. Непосредственно у моста эта разница наименьшая и равна падению поверхности потока на длине струенаправляющих

дамб ( /в - М н ) .

На протяжении водной воронки перед мостом ширина потока уменьшается, причем границы его очерчены приблизительно по ду­

75

пей. Например, на переходе р. Дона, находящемся в подпоре от Цымлянской ГЭС, опасные для насыпи волнения возникают исклю­ чительно с низовой стороны.

Волны, набегающие на откос насыпи, взбегают по нему на зна­ чительную высоту, и вода может попасть на обочину земляного по­ лотна. Этого не следует допускать, так как при откатывании волн струи воды могут смывать грунт с обочины.

Высота и длина волны зависят от скорости ветра W (м/с) и дли­ ны разбега волны L (км). Однако на узких, длинных (более пяти­ кратной ширины) и мелких водных пространствах волны, возник­ шие на глубоких частях водотока, не могут распространяться. В этих условиях высота волны ограничивается глубиной мелкого водного пространства, так как не развивается длина волны, соот­ ветствующая скорости ветра и длине разбега. Максимальная дли­ на волны ограничивается двойной глубиной воды. Фактически она еще меньше, так как все теоретические расчеты волн справедливы для неподвижной воды, а в данном случае речь идет о развитии волн на поверхности текущей воды.

Высота волн составляет от 1/13 до 1/8 ее длины (в среднем 1/10). Поэтому можно считать, что пределом высоты волны на пой­ ме является

Волна, набегая на откос насыпи, поднимается по нему до высо­

Принято, что длина волны равна десятикратной ее высоте. Коэффициент относительной шероховатости откоса kmзависит от

типа покрытия откоса:

Сплошное непроницаемое гладкое покрытие (асфальтобетон, монолит­

У насыпей переходов через водохранилища из-за большой глу­ бины неподвижной воды и значительных расстояний разбега волны могут получаться значительными, но все же меньшими предела, определяемого формулой (21.1).

Следует иметь в виду, что скорость ветра после постройки во­ дохранилища обычно возрастает из-за уменьшения трения между воздушным потоком и водной поверхностью по сравнению с дви­

77

менной насыпью и незатопляемой дорогой вне пределов речной долины.

Минимальную отметку бровки насыпи (на участке II) назнача­ ют выше наибольшего расчетного уровня воды на суммарное зна­ чение повышения уровня воды при подпоре, возможного набега волн на откос насыпи или некоторого конструктивного возвышения бровки насыпи над водой, если волн нет, т. е. на большую из вели­ чин:

= ДЛН+ Лнаб,

или

Amin = + Дн.

Конструктивный запас Дн принимают равным толщине дорож­ ной одежды с морозозащитным слоем, но не менее 0,5 м. Выполне­ ние этого требования гарантирует неподтопление дополнительного слоя основания дорожной одежды, а следовательно, и подстилаю­ щего ее грунта, что необходимо для сохранения расчетного модуля упругости грунта, значительно снижающегося при увеличении влажности.

Поскольку снижение отметок поверхности воды на поймах по направлению к мосту невелико и заметно охватывает только корот­ кое протяжение насыпи, низкие пойменные насыпи принято проек­ тировать горизонтальными. Продольный профиль проезжей части моста и спуск с него (участок III) на насыпь с минимальными от­ метками проектируют обычна в виде ряда вертикальных кривых больших радиусов соответственно категории дороги. Иногда по­ верхность проезжей части моста оставляют горизонтальной или проектируют с односторонним уклоном, если вписывание кривых приводит к слишком большому усложнению конструкций пролет­ ных строений и опор моста. Типичный пример продольного профиля мостового перехода приведен на рис. 21.4.

Уклон на мосту не должен превышать предельного для дороги. Если вертикальная кривая охватывает только участки земляного полотна, то от края моста до вертикальной кривой дается прямая вставка не менее Ю м е уклоном, принятым для проезжей части моста.

Назначение минимальной отметки проезда по мосту связано с определением необходимого возвышения пролетных строений мос-

79

Рис. 21.4. Пример продольного профиля мостового перехода

та над уровнем воды. Для мостов через несудоходные реки, а также для мостов с разводными и подъемными судоходными пролетами минимальная отметка проезда Нм назначается (рис. 21.5, а):

где Нр,сч — расчетный уровень воды; Гн— подъем пролетных строений (или опорных частей) над уровнем воды в несудоходных пролетах, равный 0,75 м при расчетном уровне воды. При редком карчеходе эта норма повышается до 1,5 м, а при интенсивном до 2 м; Лион— конструктивная высота пролетных строений.

Для судоходных и сплавных рек отметка проезжей части моста определяется высотой подмостового габарита Г, обеспечивающе­ го безопасный пропуск судов и плотов под мостом. Минимальная отметка проезжей части на длине судоходных пролетов высоковод­ ного моста (рис. 21.5, б)

где Р С У — расчетный судоходный уровень, обычно значительно более низкий, чем расчетный для моста и насыпи; Г — судоходный габарит, отсчитываемый от Р С У и назначаемый по табл. 21.1.

По ГОСТ 26775—85 все судоходные и сплавные реки разделены на семь классов. Класс реки по перспективному использованию оп­ ределяют органы речного флота. Высота подмостового габарита тесно связана с длиной судоходных пролетов, назначаемой в соот­ ветствии с классом реки, в то время как длину несудоходных про­ летов выбирают по экономическим соображениям.

80