1431

Этот расчет используется при определении длины пойменного участка отверстия моста (см. п. 20.4), если неизбежно оставление пойменного участка под мостом, несмотря на то, что он работает значительно слабее руслового.

Глава 20

РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ БОЛЬШИХ И СРЕДНИХ МОСТОВ

20.1. Основные положения расчета отверстий мостов

Мостовой переход можно запроектировать в виде системы со­ оружений, которая не стесняет водного потока или стесняет его не­ значительно. Однако без стеснения потока перекрывают мостами только судоходные и ирригационные каналы или канализованные реки в городах. В случаях пересечения свободных рек мосты выгод­ но ^страивать значительно меньшей длины, чем ширина разлива по­ тока. Часть ширины разлива закрывают незатопляемыми земляны­ ми насыпями, располагаемыми на самых мелких частях разлива — поймах. Между насыпями оставляют водопропускное отверстие, перекрываемое мостом. Оно называется отверстием моста. Измеря­ ют отверстие моста (между насыпями) на отметке расчетного уров­ ня воды. Оно включает в себя ц суммарную ширину опор моста. Незатопляемые насыпи на поймах являются подходами к мосту от берегов речной долины. По ним происходит движение автомобилей или поездов. Насыпи заканчиваются конусами, полностью или час­ тично закрывающими крайние опоры моста — устои.

При стеснении потока под мостом развиваются размывы тем большие, чем сильнее сжат поток, т. е. чем меньше назначено от­ верстие моста. Размывы на мостовых переходах угрожают устой­ чивости моста и насыпей подходов, особенно их конусов. Для обес-

41

ются природными русловыми деформациями. Их вид соответствует типу реки.

Стеснение водотока подходами к мосту приводит к увеличению скорости течения воды в сжатом подмостовом сечении потока и к общему понижению дна русла, а в некоторых случаях и поверхно­ сти поймы под мостом. Эти деформации русла и поймы носят назва­ ние общего размыва.

Поток, набегающий на опору моста как на препятствие, обтека­ ет ее. При этом в потоке появляются нисходящие течения, размы­ вающие дно на ограниченном пространстве непосредственно в мес­ те набега водного потока на опору. Такие дополнительные размывы называются местными.

Понижение дна у опоры, вызываемое тремя различными причи­ нами, называется суммарным размывом и определяется как ариф­ метическая сумма трех составляющих размыва. Глубина после раз­ мыва у опоры

где ha — наибольшая глубина, устанавливающаяся у опоры в процессе при­ родных изменений русла (так называемая бытовая глубина); Д Л 0 б — приращение глубины (общий размыв), вызванное стеснением водотока подходами к мосту; АЛм — дополнительное приращение глубнцы в связи с местным размывом у опоры.

Природные изменения речных русел происходят непрерывно и не связаны с проходом обязательно высоких паводков. Общий раз­ мыв тем больше, чем выше паводок. Расчетному паводку соответст­ вует наибольшая глубина общего и местного размывов.

Наибольшая бытовая глубина наблюдается в момент построй­ ки мостового перехода у одной из опор моста. Если большой паво­ док пройдет вскоре после постройки моста, то значительные об­ щий и местный размывы могут существенно увеличить глубину именно у этой опоры, и ее фундамент будет обнажен после размыва. Если большого паводка не будет долго после постройки моста, то бытовая глубина у данной опоры за это время может намного уменьшиться в процессе природных изменений русла. Поэтому при проходе большого паводка фундамент опоры будет обнажаться не­ значительно. Наибольшая глубина после размыва будет наблюдать­ ся в этом случае уже у другой опоры, в район которой перемести­ лась наибольшая бытовая глубина.

В связи с тем что чередование высот паводков случайно (см. гл. 19) и год прохода расчетного паводка неизвестен, необходимо каждую из опор проектировать в предположении, что около нее к моменту прохода высокого паводка размещается та наибольшая бытовая глубина, которая может возникнуть у данной опоры соот­ ветственно типу реки. Таким образом, во время прохода высокого паводка наибольшие возможные расчетные глубины потока, по ко­ торым назначаются минимальные необходимые глубины заложения фундаментов, будут наблюдаться не у всех опор моста одновремен­ но, а только у некоторых (или у одной) из них.

43

В некоторых случаях глубину заложения фундаментов опор принимают больше минимально допустимой в связи с неблагоприят­ ными геологическими условиями. Обычно при этом всем вариантам отверстия моста соответствует практически одинаковая глубина за­ ложения фундаментов. Чаще всего это случаи, когда фундаменты опор располагают на глубоко залегающих коренных породах реч­ ной долины из-за невозможности использовать в качестве основа ния опор аллювиальные грунты малой прочности.

Для установления минимальной необходимой высоты подходов к мосту надо определить изменение уровня воды под действием стеснения реки сооружениями мостового перехода. Очертание сво­ бодной поверхности потока, которая до постройки мостового пере хода может быть представлена в вйде наклонной плоскости, суще­ ственно изменяется под влиянием сжатия реки подходами к мосту В сжатом подмостовом сечении потока средняя скорость течения увеличивается, следовательно, кинетическая энергия потока под мостом будет больше бытовой. Приращение кинетической энергии потока под мостом обеспечивается накоплением потенциальной энергии в сечениях потока перед мостом, т. е. повышением (подпо ром) уровня воды в этой зоне потока. Очевидно, что бровка неза топляемой пойменной насыпи даже минимальной высоты должна быть выше этого подпертого уровня воды.

20.2. Учет природных деформаций русел рек при проектировании мостовых переходов

Определение наибольших возможных бытовых глубин речного потока у различных опор моста называется прогнозом природных русловых деформаций. Природные деформации соответствуют типу реки.

Взвешенные и донные руслоформирующие наносы размещаются по ширине русла неравномерно. Взвешенные наносы G„ в основном проходят в зоне наибольших, а донные Ga в зоне наименьших глу­ бин. Эта неравномерность глубин является результатом действия поперечной циркуляции, возникающей в потоке под влиянием волн донных наносов и центробежных сил на поворотах русла (рис. 20.2)

Мелкие места на ширине дна русла представляют собой круп ные скопления совместно перемещающихся донных наносов. В за висимости от места расположения эти крупные скопления носят названия: побочни (если прижаты к берегу русла), осередки и от мели (если с берегом не смыкаются), и образуют характерные фор мы поперечных сечений русел рек, рассмотренные ниже.

Характерные формы русел в плане показаны на рис. 18.14. Число типов речных русел равно шести (см. табл. 18.1).

Природные изменения равнинных меандрирующих рек (с изви­ листыми руслами) в подмостовых сечениях заключаются в боковьи

44

перемещениях русла, что должно учитываться путем введения мак­ симальной бытовой глубины русла в расчет возможных русловых деформаций у всех опор моста. Продольные перемещения извилин русла могут привести к смещению под мост наиболее глубокого сечения той излучины, на которой располагается мост. Следователь­ но, в расчет размывов следует вводить наибольшую из глубин, из­ меренных при изысканиях во многих створах, которые расположены на этой излучине, а не только в створе, где предполагается разме­ стить мост.

Продольное смещение излучин может привести к дополнитель­ ному искривлению русла под мостом, т. е. к росту кривизны по сравнению с зафиксированной на изысканиях. Это искривление так­ же может привести к увеличению глубины русла. Такое увеличение глубин может быть прогнозировано путем обследования крутых из­ лучин русла в районе мостового перехода.

Пример бокового перемещения русла меандрирующей реки при­ веден на рис. 20.3. Перемещение русла не было учтено в проекте. Поэтому фундамент опоры моста, к которой переместилось русло, не имел надлежащего заглубления. Это привело к необходимости реконструировать одну из опор для предохранения ее от подмыва.

Продольное перемещение излучины приближает ее к насыпи подхода к мосту. Смещение вогнутых берегов русел может проис­ ходить не только с верховой, но и с низовой стороны насыпи. На рис. 20.4 показано, как две сближающиеся излучины реки угрожа­ ют подмывом обоим откосам земляного полотна на пойме.

Следует иметь в виду, что перемещение русел меандрирующих рек происходит медленно. Обычно нужны десятилетия, чтобы русло переместилось от одного устоя моста к другому. Но все же сроки перемещения русел чаще всего короче срока службы сооружений

45

ся при расчете размывов только у опор, размещаемых в русле ре­ ки. Продольное смещение побочней в пределах русла с непо­ движными берегами может уве­ личить наибольшую бытовую глубину в подмостовом попереч­ ном сечении русла, которая до­ стигает максимума в тот момент, когда под мост смещается наи­ более широкая и высокая часть (вершина) побочня.

Поэтому в расчет должна вво­ диться наибольшая из глубин, измеренных во время изысканий

на участке русла у проектируемой оси моста в нескольких ство­ рах, которые проходят через вершины побочней.

Блуждающие беспойменные реки меняют очертания попереч­ ных сечений под мостами беспорядочно, так как скопления наносов в русле с неустойчивыми берегами перемещаются тоже беспорядоч­ но. Место развития наибольшей глубины в подмостовом сечении не­ определенно, поэтому наибольшая бытовая глубина может разме­ щаться у любой из опор проектируемого моста. На рис. 20.5 показа­ но изменение русла под мостом через блуждающую реку за несколько лет. За эти годы наибольшая глубина наблюдалась прак­ тически у всех опор моста.

В нижнем течении реки часто происходит процесс аккумулиро­ вания наносов, выносимых рекой из зоны эрозии. Происходящее при этом наращивание дна реки безопасно для опор моста, но при­ водит к другим опасным последствиям. На реках, несущих много наносов, отчетливо замечаются занесение отверстий мостов наноса­ ми и значительное повышение уровня воды, что приводит к умень­ шению подмостовых габаритов и подтоплению насыпей подходов. Особенно интенсивно идет этот процесс на конусах выноса малых блуждающих рек.

В связи с длительным сроком службы капитальных сооружений мостовых переходов вековые русловые изменения, связанные с по­ нижением дна в зоне эрозии или наращиванием конуса выноса в зоне аккумуляции, также необходимо учитывать при проектирова­ нии переходов через водотоки.

Темп понижения дна в зоне эрозии (каньоны) или наращивания конуса выноса можно установить сопоставлением съемок дна рус­ ла, проведенных в различные годы, или, что надежнее, сопоставле­ нием нескольких кривых расхода H = f(Q), построенных в разные годы гидрометрическим путем. Изменение уровня воды, соответству­ ющего одному и тому же расходу, покажет повышение или пониже­ ние всей реки за время, прошедшее между двумя гидрометрически­ ми измерениями.

47

При паводке на реке с поймами увеличение руслового расхода может быть неодинаковым на отдельных участках длины русла вследствие разного разлива на поймы. Поэтому при высоких павод­ ках может наблюдаться неравномерность в транспортировании на­ носов по длине реки, приводящая к размывам в одних местах, за­ держке наносов в других и, следовательно, к деформациям русла. Так, например, на беспойменном участке реки транспортирование наносов при паводке возрастает значительнее, чем на участке с ши­ рокими поймами, что приводит к дефициту наносов в начале беспонменного участка и к размыву дна. Деформации такого рода, проис­ ходящие на реках вне связи с возведением инженерных сооружений, стесняющих поток, называются бытовыми размывами. Бытовой раз­ мыв может наблюдаться не только на блуждающих реках, в тесни­ нах, но и на равнинных реках, в местах сужения пойм.

Бытовые размывы легко устанавливаются по геологическим разрезам рек, где обычно отчетливо видны периодически смыва­ емые, а затем восстанавливаемые слои современного аллювия. Если створ мостового перехода находится на входе в участок резкого су­ жения речной долины, то полезно, проведя паводочные промеры глубин, установить понижение дна при уровнях различной высоты.

20.3. Расчет общего и местного размывов под мостами

Общий размыв под мостом происходит в результате стеснения водного потока подходами к мосту.

Отверстие моста может быть больше ширины речного русла. По­ этому ширина подмостового поперечного сечения потока в общем случае делится на две характерные части: русло, по которому, кро­ ме воды, движутся руслоформирующие наносы, и пойменный уча­ сток (или участки), по которому в бытовом состоянии руслоформи­ рующие наносы не движутся (рис. 20.6, а).

До стеснения потока по руслу и пойменному участку отверстия моста проходили бытовые расходы воды QP6 и QHM6, сумма которых меньше полного расхода реки Q, так как некоторая доля воды про текала на остальной части ширины пойм. После перекрытия этой части ширины пойм незатопляемыми насыпями подходов к мцсту по характерным участкам сжатого сечения реки будут проходить

Увеличение расходов вызывается сливом воды в отверстие мос та с участков пойм, перекрытых незатопляемыми насыпями.

Коэффициенты возрастания расходов в русле рр и на пойменном участке отверстия моста рп могут быть определены гидравлическим

48

расчетом. Значения Рп обычно больше рр, но разница между ними невелика. Поэтому можно считать, что

Увеличение расходов воды, протекающей по обоим участкам отверстия моста, сопровождается возрастанием скоростей течения, что приводит к усиленному выносу частичек грунта, т. е. к размыву по крайней мере на одном из участков отверстия моста (в русле), а в ряде случаев и на обоих.

Размывы на двух характерных частях отверстия моста происхо­ дят по разным причинам.

На пойменных участках отверстия моста грунтовые частички в бытовых условиях неподвижны, так как фактическая бытовая скорость течения воды по пойме меньше размывающей, т. е. ^пб<иНеР. Размыв на этом участке начнется только при условии, что скорость стесненного потока превысит размывающую, т. е. при ;рпЦПб>^нер для наилка поймы. При размыве глубина, а следо­ вательно, и площадь поперечного сечения потока будут возрастать, и скорость течения уменьшится. Углубление прекратится после того, как снижающаяся по мере размыва скорость станет равна размы­ вающей, т. е. ипм= и Нер, и смыва частиц грунта больше не будет.

Вслучае небольшого сжатия потока при постройке мостового пере­ хода скорость течения на пойменном участке отверстия моста воз­ растает также незначительно и может не превысить размывающую.

Вэтих случаях размыв пойменного участка под мостом не нач­ нется.

49

Расчетной формулой для определения глубины после размыва на пойменном участке отверстия моста может служить простое ра­ венство

На русловом участке отверстия моста размыв начинается по другой причине. В русле реки частички наносов, слагающие дно, находятся в движении даже в бытовых условиях, когда скорость течения равна аРб. Следовательно, размывающая скорость для час­ тичек грунта, слагающих дно, т. е. для руслоформирующих нано­ сов, превышена еще до стеснения потока.

Бытовой скорости течения в русле соответствует определенный расход руслоформирующих наносов. При увеличении скорости те­ чения в русле под мостом до |ЗраРб, при сжатии потока подходами к мосту транспортирование этих наносов под мостом усиливается. Поэтому происходит нарушение баланса между поступлением на­ носов к мосту сверху по течению и выносом наносов из-под моста потоком с увеличенной скоростью.

Усиленный вынос наносов из-под моста означает ежесекундный захват потоком, протекающим с увеличенной скоростью, некоторо­ го количества грунта, слагающего дно русла на сжатом участке реки. Через начальный створ на элементарный участок руслового потока длиной dl поступают руслоформирующие наносы в коли­ честве G в каждую единицу времени. Расход наносов может быть переменным как по времени, так и по длине потока, т. е. G = f{i,t). Через второй, конечный створ этого участка в тот же момент вре­ мени выходит измененный расход наносов, отличающийся от G на

Приращение расхода руслоформирующих наносов может обра­ зоваться при сохранении ширины русла только за счет разрушения его дна. При этом можно написать равенство: приток наносов + + размыв = выносу наносов, т. е.

Gdt + dW = (G + dG) dt.

За элементарный отрезок времени dt приращение объема пото­ ка dW в связи с размывом дна будет равно превышению объема выноса наносов через второй створ над поступлением наносов че­ рез первый створ, т. е.

Приращение объема потока на участке постоянной длины мож­ но выразить через увеличение площади его поперечного сечения, которая может меняться как во времени, так и по длине потока, т. е. со = / (/; t). Поэтому dW=do)ldt dldt.

50