книги из ГПНТБ / Болдаков, Е. В. Проблемы мостовых переходов

3. Конечная скорость речного потока зависит от количества влекомых наносов. Чистая вода при сливе с поймы под мост про­ изводит наибольший размыв, поскольку в ней нет речных нано­ сов, частично восполняющих размыв. При дополнительном раз­ мыве, например у голов регуляционных сооружений, размыв под мостом может прекратиться.

4. На подъеме паводка река имеет выпуклую поверхность, когда затопляет поймы, а на спаде — вогнутую. Русло на пере­ ходе подпирает в некоторой степени слив воды к отверстию моста. На спаде наоборот. Чистая вода, аккумулированная на пойме, устремляется к мосту и способствует общему осветлению потока под мостом и увеличению размывов. Продолжительность спада в большинстве случаев больше продолжительности подъе­ ма в 1,2—1,8 раза при уровнях выше отметок поймы.

Теоретически наиболее опасным для опор является возникно­ вение конечной скорости в осветленной воде во время спада па­ водка. В большинстве случаев опоры подмываются на спаде па­ водка.

Распределение расхода между русловой и пойменной частями речного потока

Отверстия мостов на равнинных реках, кроме русла, в боль­ шинстве случаев перекрывают еще и пойму. Возникает вопрос, как разделить расход между ними, так как размыв под мостом будет разный в зависимости от вида грунта и наличия в русле влекомых наносов. Эта задача требует гидрометрического обо­ снования, так как теоретические решения пока основываются на ряде весьма грубых допущений. В частности, отпадает в извест­ ной формуле Шези — Манинга степень п = 2/3 при v = mHni

В русле под мостом вследствие сжатия потока появляются инер­ ционные силы, изменяющие обычные соотношения.

Автором собраны некоторые гидрометрические данные по наблюдениям под существующими мостами в специальном ка­ дастре. Обобщение этого материала позволяет в каждом случае выявить соотношение скоростей между пойменной частью и рус­ лом Упм • ^рм= Р-

При определенном коэффициенте подобия это позволяет пере­ носить (3 на новые переходы.

и h надо выбирать для этой формулы, так как на переходе одно­ временно имеются скорости в русле, на пойме в уширенной части моста и вне ее, общая скорость на подходе и т. д., а также гео­ метрические размеры — глубина в русле, на пойме, ширина русла, пойменной части моста, всего разлива и пр. Для переходов нужен

120

Рис. 57. Зависимость коэффициента |3 от критерия подобия М-.

а — при одном отверстии в русле; б — при отверстиях в пойме:

Крестики на рисунке соответствуют отверстиям моста, в пойме, вынесенным в паводок

другой критерий. Такой критерий автор предложил в 1972 г. для мостовых переходов

Qпер

(34)

Qо ~о7

где Q — расчетный расход; Q0 — расход при уровне средней от­ метки поймы, когда в потоке возникают заметные попереч­ ные течения; Qn — расход поймы; Qnep — расход, проходив­ ший в бытовом состоянии на пересыпанной части подхода.

Первый член формулы (34) учитывает комплексный гидроло­ гический фактор, т. е. мощность паводка при выходе на пойму и его ВП. Второй — комплексный гидравлический фактор по соот­ ношению расходов в мостовом отверстии и пересыпанной части поймы. Таким образом, критерий М зависит от четырех величин расходов, а каждый расход от трех переменных — скорости и площади (длинаХширина), всего от 12 переменных (у Фруда две переменных). По данным кадастра построены графики для обобщения материала (рис. 57). Кадастр будет пополняться по мере поступления новых материалов. На графиках (см. рис. 57,а) расположение эмпирических точек оказалось своеобразным, по­ этому их пришлось разделить на две характерные группы:

I группа — мостовые переходы с удовлетворительными регу­ ляционными сооружениями, которые запроектированы по совре­ менным требованиям. Разброс точек имеется, но он позволяет провести осредненные результирующие кривые;

II группа — переходы с явно не удовлетворительными регу­ ляционными сооружениями. Переход, построенный в 1913 г. на р. Оке у Мурома, является примером тому, как не надо проек­ тировать регуляционные сооружения. Со стороны большой одно­ сторонней поймы построена прямая дамба длиной 0,7 отверстия. Эта дамба отжимает поток поймы к противоположному нагорно­

121

му берегу. Поэтому в одну треть отверстия, расположенную на пойме, вместо 25—30% расхода проходит 6—10%. В этой части при постройке была сделана короткая срезка, которую затем за­ несло на половину высоты, но здесь появились глубокие ямы, образованные потоком. Кривой, относящейся ко II группе, можно пользоваться в аналогичных условиях при неправильно запроек­ тированных дамбах или при их отсутствии, как это следует из опытов А. М. Латышенкова.

На рис. 57 у каждого перехода в кружке поставлен номер, со­ ответствующий номеру в кадастре (см. приложение 1). Несколь­ ко отдельно расположена точка 8 (р. Зея). Здесь при уровне, близком к среднему, ситуация несколько сходна с тем, что имеет­ ся на р. Оке у Мурома. Дальше при подъеме уровня положение точек близко к нормальному.

Скорости под мостом по данным кадастра соответствуют рус­ ловому режиму при некотором размыве русла. Были обработаны наиболее надежные материалы и составлены теоретическая кри­ вая 1 при ВП-1% и бытовом неразмытом профиле или при уме­ ренном размыве. Кривая 2 соответствует руслам, размытым и уширенным. Разброс эмпирических точек на графике неболь­ шой, примерно 10—15%.

Т а б л и ц а 28

В табл. 28 приведена выдержка из кадастра, где показаны пределы расчетных параметров М, а также и некоторые проме­ жуточные случаи. Из таблицы видно, что в известном соотноше­

личина п при подъеме уровня стремится к нулю.

В табл. 28 под № 2, 3, 8 и 9 приведены данные экстраполя­ ции хороших исходных материалов; под № 1 и 7 показано, куда в обоих пределах стремятся функции.

По этому же принципу обработаны гидрометрические мате­ риалы по следующим рекам для переходов, имеющих отверстия

122

Т а б л и ц а 29

иболее

впойме: р. Днепр у Киева с мостом на протоке Десенке; р. Дон у Ростова при трех отверстиях в пойме, р. Дон у Аксая при шес­ ти отверстиях в пойме и р. Волга у Астрахани при 12 отверстиях. По всем из них имеются хорошие материалы, позволяющие про­ извести экстраполяцию до редчайших паводков.

Исходные данные для определения параметра |3 при новом проектировании рекомендуется принимать по табл. 29.

§ 8. МЕТОД ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЕЧНЫХ РАЗМЫВОВ ПОД МОСТОМ

Краткая историческая справка

До XVIII в. отверстия мостов назначали по ситуационным соображениям. С развитием строительства в 1728 г. французский инженер Э. М. Готей предложил при назначении отверстия исхо­ дить из желательной средней скорости до размыва при отсутст­ вии больших подпоров. Но как находить исходные величины, оставалось неясным.

В XIX в. в нашей стране начали строить большие мосты — в 1850 г. через р. Неву (чугунный), в 1853 г. через р. Днепр у Киева (цепной) с отверстием в пойме через протоку Десенку, в 1868 г. двухъярусный мост через р. Оку у Серпухова. В 1870 г. почти одновременно построены три больших железнодорожных моста — два через р. Днепр у Киева и Кременчуга и один через

123

р. Дон у Ростова. Последний с тремя отверстиями в пойме. От­ верстия всех сооружений, по-видимому, назначались по ситуаци­ онным соображениям при учете паводка на р. Днепр 1845 г. и на р. Дон 1849 г. К этому времени, вопрос о выборе отверстий уже достаточно назрел.

В 1875 г. было решено построить железную дорогу от Центра до Урала и далее с мостом через р. Волгу у Сызрани. Автор про­ екта и строитель моста инженер (потом профессор) Н. А. Белелюбский сделал предложение рассчитывать отверстие моста на среднюю бытовую скорость в русле. Он установил, что бытовая скорость в русле в 2—3 раза больше неразмывающей скорости грунтов, слагающих ложе реки. Поэтому, полагал Н. А. Белелюбский, размьгв под мостом должен остановиться, когда скорость после размыва сравняется с бытовой.

Это конкретное предложение (постулат), сделанное впервые в мировой мостостроительной практике, составляет славу рус­ ской науки. Оно получило со временем развитие при решении уравнений баланса наносов, определении коэффициентов размы­ ва и пр.

За истекшие 100 лет внесены некоторые поправки. Оказалось, что в русловой и пойменной частях отверстий моста скорости будут разные. Наши последние исследования по обработке гид­ рометрических материалов показали, что соотношение этих ско­ ростей, которое мы назвали |3, при правильно запроектированных регуляционных сооружениях колеблется при расчетных павод­ ках в пределах 70—90%. При редких и редчайших паводках ско­ рость выравнивается. В таком случае размыв на срезке поймен­ ной части увеличивается за счет уменьшения его в русле. После конечного размыва, как установил О. В. Андреев, восстанавли­ вается баланс наносов. В дальнейших расчетах мы принимаем за основу натурную бытовую среднюю скорость потока н баланс наносов с некоторой модификацией.

За последние 10—20 лет выявилась и другая точка зрения, а именно: оценивать среднюю бытовую скорость в русле по сред­ неарифметическому диаметру наносов, вычисляемому по анали­ зам отложений грунтов ложа реки, находящихся в стационар­ ном состоянии. Точность самих анализов проб грунта всегда сомнительна, так как для анализа берут в наносах грунт, отло­ жившийся на спаде, а это не те наносы, которые характерны для руслового процесса в паводок.

Опираться в расчетах только на крупность наносов без уче­ та уклона реки, было бы неправильно. Есть, например, две ре­ ки, где одинаковые значения русловой скорости, глубины, укло­

другой в тех же условиях — р. Амударья у Чарджоу — вода цве­ та кофе с молоком, несет тончайший аллювий с диаметром час­ тиц в 500 раз меньше. В данном случае могут возникнуть значи­ тельные ошибки при вычислении скорости по влекомым наносам.

124

По нашему мнению, совершенно недопустимо отказываться от таких наглядных факторов, как морфологические характери­ стики— русловая бытовая скорость, уклон и форма русла, план, профиль реки и пр.

Вопросы баланса наносов

На каждой реке идут наносы четырех видов: растворенные минеральные; взвешенные в виде мути из более или менее круп­ ных частиц; донные, перемещающиеся по дну; прыгающие.

Первый вид наносов не участвует в формировании русла по­ тока, но может иметь значение для опор мостов и облицовок в отношении химического воздействия на них.

Второй вид (взвесь) имеет, по-видимому, наибольшее значе­ ние для равнинных рек.

В потоке до 90% твердых наносов переносится во взвеси и только 10% относятся к донным. Наносы второго, третьего и чет­ вертого видов делятся на две части: руслоформирующие наносы, которые перекатываются по дну, но затем обязательно падают на дно, участвуя в его формировании; транзитные наносы, кото­ рые в формировании дна не участвуют, хотя они могут состав­ лять большую часть взвеси.

Для проектирования мостовых переходов имеют значение все четыре типа, а для расчетов размывов — донные наносы и взве­ шенные руслоформирующие наносы. Последних больше, чем донных, в случае песчаного дна, и меньше в случае галечного.

На свободном створе руслоформирующие наносы прибывают и уходят. На мостовом переходе вследствие дополнительного раз­ мыва баланс нарушается, так как (до завершения размыва) ухо­ дит больше наносов, чем прибывает. Как доказал О. В. Андреев, баланс в подмостовых руслах восстанавливается снова после прекращения размыва. Следует отметить, что, несмотря на мно­ гочисленные исследования и теоретические расчеты, посвящен­ ные этому вопросу, действительное количество наносов, идущих по дну, измерить трудно. Значительно легче измерить расход рус­ лоформирующих наносов как в лабораторных опытах (на этом обычно основаны различные расчетные формулы), так и в нату­

слоя, перерабатываемого при движении руслоформирующих на­ носов. На этот вопрос могут дать ответ только систематические опыты на реках с помощью специальных датчиков, фиксирую­ щих как движение, так и время.

Еще в 30-х годах В. А. Водарский установил, что хотя донные наносы и движутся в один слой, но в своем движении форми­ руются в волны, которые и смещаются вниз по течению, парал­ лельно сами себе. Для р. Волги у Горького В. А. Водарский уста-

125

повил высоту волн 60 см; значит, в каждой точке можно ожи­ дать время от времени понижение и повышение дна на 60 см. О. В. Андреев на р. Волге у Чебоксар заметил песчаные валы высотой 1 м. Тщательно были измерены высоты волн и на других реках. Но волны, в свою очередь, формируются (объединяются) в побочни, которые тоже закономерно смещаются вниз по тече­ нию. Так, например, надвижка побочня за 25 лет на Сибирские пристани в г. Горьком уменьшила глубину у правого берега р. Волги до такой величины, что судовой ход отошел на 300 м к левому берегу. На некоторых реках крупные скопления наносов (побочней, отмелей) смещаются очень быстро, иногда за один паводок на всю их длину. Этим и объясняется, что деревянный железнодорожный мост через р. Амударью смещался (при обна­ жении свай) вниз по течению в 1889—1902 гг.

С. А. Трескинский описывает случай, когда на одной горной реке в Иране слой галечных наносов двигался несколько кило­ метров одновременно с каменной опорой разрушенного моста.

Впредгорьях Албании на дне некоторых широких логов рас­ тут платаны (чинары) с мощной горизонтальной корневой систе­ мой в галечном слое. По данным Л. Л. Лиштвана, в большие па­ водки эти платаны передвигаются вместе с галькой. Толщина слоя одновременно ползущих частиц около 0,5 м.

Впредгорьях Гималаез Б. Ф. Перевозникову удалось устано­ вить на периодических водотоках Непала максимальные глуби­ ны перемываемых слоев. Они составляли 0,7—1,8 м в зависимо­ сти от ширины рек и их мощности. На основе многолетних ис­ следований разработан метод оценки перемываемых слоев на нестесненных участках рек, а также метод измерения глубин раз­ мывов у опор мостов размывомером инж. А. С. Осеева. Эти ма­ териалы позволили Б. Ф. Перевозникову разработать новый ме­ тод расчета размыва подмостовых русел на основе учета русло­ вых переформирований на предгорных участках рек с периодическим стоком.

Особый случай наблюдается для мостов на пойме, где идет чистая вода без наносов, и размывы поэтому могут быть боль­ шими. Баланс наносов в этом случае описывается в районе пере­ хода: чистая вода + наносы от размыва под мостом = отложению наносов ниже моста + чистая вода.

Конечная (остаточная) скорость потока

Конечной скоростью после размыва называется скорость, при которой прекращается размыв ложа реки, бортов русла и пой­ менной части при данных грунтах, влекомых наносах, уклоне реки, форме живого сечения и других факторах. Она может об­ разоваться в сооружениях в первые годы эксплуатации и в лю­ бые последующие годы от одного паводка или постепенно от се­ рии паводков. Время образования ее поэтому неопределенно.

126

Рассмотрим возможность установления конечной скорости в от­ дельных частях мостового отверстия.

Рус ло . За основу определения конечной скорости прини­ мается бытовая средняя скорость пРб, определяемая гидрометри­ ческим или морфометрическим путем по формуле

Появились также формулы, в которых при определении раз­ мыва вместо уклона учитывается гранулометрический состав для несвязных или сцепление и пористость для связных грунтов.

Следовательно, один из важнейших факторов руслового про­ цесса— средняя скорость — подменяется анализами грунтов, от­ ложенных в русле на спаде.

Специальное исследование, проведенное в 1958 г. в МАДИ, показало, что массового совпадения между скоростью и диамет­ ром грунтов нет.

При размыве русла бытовая скорость может увеличиться и уменьшиться. Увеличение происходит от перераспределения ско­ рости по вертикали, а уменьшение от большого размыва в пой­

выведенной им из уравнения баланса наносов при условии, что размыв в основном происходит во время пика паводка, имею­ щего некоторую продолжительность.

В интерпретации автора настоящей книги это описывается следующим образом:

уш

где Руш и Ррм — соответственно коэффициенты уширения и раз­ мыва русла (рис. 58, табл. 30); 5 Рб — ширина бытового русла.

Из рассмотрения двух членов в формуле (37) пРб и А и соот­ ветствующих значений в табл. 30 видно, что произведение их близко к единице. Этим теоретически доказывается знаменитый постулат Н. А. Белелюбского, о котором писалось выше.

Для предгорных рек, где русло может иметь либо преувели­ ченную ширину, либо борта, состоящие из твердых пород, зако­ номерность будет более сложной.

127

Ррм

стию может уменьшаться против бытовой. Некоторые значения

v0 принимается скорость по грунту после снятия дернового по­ крова и удаления корневой системы кустов и деревьев на 1,0 м.

128

Скорость v0 принимается по табл. 32, 33, 34, составленным О. В. Андреевым по последним данным. В некоторых случаях

Заметное количество наносов может быть при больших коэф­ фициентах размыва и слабо развитых руслах, пропускающих