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

20—30% расчетного расхода. В этом случае можно конечную ско­ рость определять по формуле

Применение этой формулы вполне оправдано при определе­ нии ширины русла, когда совершенно ясно, что в уширенной раз-

мытой части идут наносы, и тогда А'уш = — — . В уширенном

русле в делом средняя скорость при размыве принимается рав­ ной прм. Размыв на пойменной части определяется при скорости

Vo (см. табл. 32—34).

Величина и время конечных размывов русла под мостом

Размыв под мостом зависит от отношения ряда конечных параметров (уровня, скорости и других факторов) к тем же па­ раметрам в бытовых условиях до постройки перехода. Это от­ ношение называется коэффициентом конечного размыва. Он мо­ жет быть выражен следующим образом:

где индексы «м» показывают величины параметров до размы­ ва, а индексы «б» — величины при бытовом их состоянии; г>к— конечная скорость после размыва.

Под мостом во время размыва вступают в действие два про­ тивоборствующих фактора: 1) движение наносов, которые ранее не участвовали в русловом бытовом процессе, а теперь захвачены в районе моста высоким паводком; 2) движение с пойм чистой воды, которая разбавляет наносы, увеличивая размыв и умень­ шая скорость. Взаимодействие этих факторов и формирует окон­ чательную глубину размыва. С ростом глубины бытовая скорость

130

в русле под мостом после размыва несколько увеличивается из-за перераспределения скоростей по вертикали.

По данным О. В. Андреева, у железнодорожного моста через р. Днепр возле ст. Неданчичи благодаря двум весьма длинным дамбам почти прямого очертания русло размывается лишь в пре­ делах дамб. За 30 лет размыв не достиг створа моста. Наносы проходили под мостом без размыва со скоростью 3 м/с. Однако размыв надвигается и может достигнуть моста. На этом перехо­ де для створа с наибольшим размывом А ~2.

По данным автора настоящей книги, на р. Волге около Увека, на участке, сжатом длинной дамбой, построенной в 1896 г. для железнодорожно-паромной переправы, в паводок с ВП-1% (1926 г.) средняя скорость достигала 2,2 м/с, в то время как на свободных створах у Саратова она составляла лишь 1,5 м/с. Учитывая, что на Увеке имеется геологическое ограничение, зна­ чение А равно 1,5.

Исключив экстремальные случаи, можно видеть, что величи­ на А колеблется в пределах Г,0—1,09. Рекомендуется определять величину А гидрометрическими наблюдениями на существующих переходах в тех же условиях, что и на проектируемых переходах. Если таковых наблюдений нет, следует принимать А —1. Для экстремальных случаев, включая селевые потоки, А = 1,1-1-1,5.

Размыв на пойменной части моста увеличивается в прямой пропорции между v0' и v0. После определения коэффициента раз­ мыва Р строят профиль общего размыва под мостом, умножая глубину каждой вертикали на Р. Считается, что русло остается подобным себе и после размыва. Этот традиционный прием встречался еще в проектах начала XX в. Исходя из этого имеем:

п рб

где Ярб — наибольшая глубина в бытовом русле.

Есть случаи (р. Вятка у Вятских Полян), когда русло резко изменяет свое положение, прежнее русло заносится, однако очер­ тание профиля русла под мостом не изменяется. Здесь действует правило — при размываемых руслах (в пределах бровок русла) все отметки заложения опор назначаются по наибольшей глуби­ не. Сохраняется ли все-таки это положение для максимальных глубин? Сохраняется ли форма русла под мостом и коэффициент

формы « —- ^ 'т'а— ? Здесь есть расхождение во мнениях, однако

н

можно считать, что для равнинных рек в средних условиях в мостовом отверстии русло уполаживается. При больших Ярм надо применять формулу (40).

Устойчивость опор моста зависит от положения линии конеч­ ного размыва независимо от времени его наступления. Поэтому

цля заложения опор мостов не имеет значения чередование раз­ мывов с последующими намывами в течение 50—100 лет за вре­ мя эксплуатации сооружения. Конечный размыв может насту­ пить от одного расчетного паводка как в первый год, так и на 57-й год эксплуатации или от серии паводков. Время наступле­ ния размывов может быть интересно для других целей (напри­ мер, для судоходства), тогда такие исследования закономерны.

В лабораториях иногда получалось, что при размытом русле (без последующего намыва) новый такой же паводок произво­ дил дополнительный размыв. Это могло произойти только в ла­ бораторных мелкомасштабных условиях из-за неточности опре­ деления конечной скорости.

В последнее время появились теоретические предложения по определению размыва под мостами с учетом времени. Расчеты предлагается вести по серии паводков или одному паводку. Вви­ ду громоздкости эти расчеты были программированы для ЭВМ. Однако, учитывая совершенную недостаточность натурных дан­ ных, программирование, по мнению автора, сегодня преждевре­ менно. Для расчета развития размывов во времени недостаточно исходных данных. Обычно известен только пик паводка и гидро- графы-аналоги, по которым можно экстраполировать расчетный гидрограф. Надо составить обобщенные натурные кадастры и тогда программировать на ЭВМ.

Л. Г. Бегам (1946 г.), исследуя изменение рабочей площади под мостом с течением времени, установил, что после прохода высокого паводка вслед за размывом может наступить заилива­ ние подмостового русла. Бытовое русло при этом, как правило, не восстанавливается, и новый высокий паводок проходит по руслу, уже разработанному на 20—30%• При проходе редких па­ водков 1908, 1926, 1931, 1942, 1970 гг. сразу возникали большие ямы под мостом — в других случаях размыв происходил посте­ пенно.

Уширение русла

В равнинных реках под мостами, как правило, происходит не только углубление, но и уширение русла. При этом коэффициент уширения Луш обычно больше коэффициента размыва Лрм. Не­ которые данные приведены на рис. 58, где выделены предгорные реки, для которых обычно Ррм больше Руш. Это объясняется тем, что предгорные реки имеют избыточную ширину между бровка­ ми, крутые борта и короткие поймы, затопляемые «от горы до горы» раз в 25—100—1000 и более лет. По имеющимся данным можно высказать следующие предварительные положения:

1. На свободной реке есть некоторое руслообразующее соот­ ношение скоростей между црв и v0, т. е. v0— скорость, неразмы­ вающая на пойме грунт и пойменный наилок. Величина v0 при­

132

ведена в табл. 32—34. Дерновой покров и корневая система от кустов и деревьев на пойме могут удвоить табличное значе­ ние tv

2. На равнинных реках после размыва под мостом Руш = — ,

v0

где Орк в зоне уширения равно оРб или меньше и определяется по формулам (36), (37). Расчет размыва и отверстия начинается с определения ширины размытого русла Вт = Руи1ВРб. Скорость v0 принимают по табл. 32—34. Для определения гранулометрии грунта закладывают два-три шурфа до глубины предполагаемо­ го размыва, но не менее 1,5 м. Некоторые значения Яуш приве­ дены для ряда переходов в табл. 35. При средних значениях Рр.<, русло несколько уполаживается.

3. Размыв при уширении русла должен идти по определен­ ному уровню; многие считают — по уровню средней глубины бы­ тового русла. Есть предложение считать уширение по уровню межени, хотя этот уровень может колебаться на 1—1,5 м и бо­ лее. В старых проектах срезку назначали на уровне межени, но обычно ее делали частично из-за огромного объема земляных работ.

Вмостовом отверстии будут две зоны размывов: 1) в уши­ ряющемся русле и 2) в оставшейся пойменной части, если уширение не распространится на все отверстие (рис. 59).

Впредгорных реках отверстие моста можно назначить мень­ ше ширины бровок, где меандрирует меженное русло, и тогда

будет одна зона размыва.

4. Распределение расходов и скоростей в русловой и поймен­ ной частях до размыва определяют по критерию М и парамет­ ру р по уравнению водного баланса. Распределение же после размыва определяют тоже по балансу, но при конечных скоро­ стях в русле и пойменной части при расчетной ВП. При размыве

в глубину значение иРб увеличивается в раз и уменьшается в Яущ раз [15]. Коэффициент Руш принимают в соответствии с

133

§ 9. ВЫБОР ОТВЕРСТИЯ МОСТА И ВЕЛИЧИНЫ РАЗМЫВА

Сравнение вариантов

Выбор отверстия моста и заложения оснований его опор зависит от многих причин. Поэтому обычно исследуется несколь­ ко отверстий. При слабо работающей пойме, пропускающей до

134

25% расчетного расхода, исследуют два-три отверстия. Из них одно перекрывает русло между бровками плюс конструктивный запас от бровки до основания конуса 5—20 м. При поймах, про­ пускающих 30—60% и более расчетного расхода, исследуют три — пять отверстий, из них одно может быть в пределах рус­ ла. На равнинных реках совершенно недопустимо подходить ос­ нованием подмостового конуса к высокой межени. В крайнем случае можно поставить подпорную стенку с заложением ее ос­ нования как для опоры моста. На предгорных реках, где ширина русла между бровками избыточна, можно стеснить русло под­ ходами, устраивая у подмостовых конусов специальные укреп­ ления и другие регуляционные сооружения. Исследуя процессы размывов под мостами, следует использовать в теоретических расчетах параметры, определяемые гидрометрическим путем на переходах, находящихся уже в эксплуатации.

Наблюдения показали, что иногда скорости воды в русле и в пойменной части моста имеют различные значения. Каждая из этих частей, как отмечалось выше, пропускает как бы свой поток с разной скоростью и размывом. Поэтому расчет общего размы­ ва надо вести раздельно, тогда будет видна возможность рас­ ширения русла и приближения его к форме, наблюдаемой в натуре. В общем виде эта задача может решаться с использова­

Зная |3, т. е. натурное соотношение скоростей под мостом на основе гидрометрических наблюдений или непосредственно по конечным скоростям, из уравнения (43) находим для новых пе­ реходов прм, а затем

Отсюда получаем расходы в отдельных частях отверстия и в целом под мостом. Когда мост перекрывает русло, то расчет пре­ дельно упрощается:

где Рт — коэффициент размыва (выбирается по экономическим соображениям).

135

Определение отверстия мостов для ТЭО

Наиболее простой является формула, предложенная М. Ф. Срибным (1933 г.):

L = Вр-\-0,0АВй,

где Bv — ширина русла; Вп — ширина поймы.

Последующее уточнение привело к формуле вида:

где В — отверстие моста в свету; Hi и Н2— высота бровки на­

По нашим наблюдениям в половодье 1931 г. на р. Оке у Му­ рома, на р. Вятке у Котельнича, на р. Клязьме у Галицкого, Пенкина и Орехова-Зуева на мостах с пролетными строениями в свету от 12 до 124 м установлено, что у полуобтекаемых опор в зависимости от их ширины и при обычной косине 5—10° имеет­ ся вихреобразное течение. Так, например, на р. Оке у Мурома нельзя было опустить вертушку с грузом 30 кг на расстоянии 1 м от опоры, так как ее било об опору. Пришлось опускать на расстоянии 2 м. Ширина опоры была 5 м. То же было и на дру­ гих переходах.

Исходя из этих наблюдений и учитывая опыты в лаборато­ риях других организаций, в 1932 г. были предложены значения для ориентировочных расчетов (табл. 36).

Ширина опор b в некоторой степени зависит от величины про­ лета. На основании анализа ряда выполненных проектов можно

Т а б л и ц а 36

136

рекомендовать для ТЭО коэффициенты увеличения длины мос­ та, учитывающие значения b и р, (табл. 37).

Таким образом, если по расчету при отверстии моста в свету получилось 248 м, то для ТЭО можно принять его длину по вер­ ху при высоте насыпи у устоев по 6,5 м и пролетах 50 м в светуг. 1 = 248-1,10 + 4-6,5 + 9 = 308 м.

Параллельные расчеты общего размыва под мостом

Был проведен интересный опыт. Семи ведущим специалистам было предложено рассчитать размыв на мостовом переходе че­ рез р. Хопер у Усть-Бузулукской. Исходными данными послу­ жили: Q= 6950 м3/с, ширина разлива 2877 м, отверстие моста в свету — 400 м. В расчете требовалось в заключительной части ответить на ряд основных вопросов. В табл. 38 приведены эти вопросы и ответы. Все методы расчета обозначены в таблице номерами. Из ответов видны большие различия в результатах расчетов. Методы можно разделить на две группы: учитывающие уширение русла и неучитывающие. По мнению автора методы, не учитывающие уширение русла в равнинных реках, когда Урм>ио, дают в принципе неправильное решение задачи и лиш­ нее заглубление всех опор от 2 до 7 м.

Основы расчетных методов состоят в следующем:

М е т о д 1. Расход наносов определяется по формуле- В. И. Гончарова; предельный коэффициент расхода для русла и: пойменной части принимается равным 2,0; после интегрирова­ ния общего дифференциального уравнения находится соотноше­ ние русловой и пойменной частей после размыва.

М е т о д ы 2 и 3. Распределение расхода между руслом ш пойменной частью определяется по данным гидрометрического кадастра и критерия подобия М\ рассматриваются две зоны раз­ мыва— в расширенном русле Ярм и пойменной части Рпм, если: само уширение не захватит все отверстие — 400 м. Размывы оп­

137

ся уравнение баланса наносов на основе этого графика, когда восстанавливается баланс наносов после размыва.

М е т о д 5. Уширение русла принято визуально по ситуации

вподмостовом сечении.

Ме т о д ы 6 и 7. Уширение не учитывается.

Подобная попытка заочных параллельных расчетов является первой. Она выявила следующее: для равнинных рек в большин­

это не учитывается, поэтому они из практического применения исключаются; необходим более частый обмен идеями, требуется выработка некоторых общих принципиальных положений, оче­ видных для всех. Тогда при вычислении уширения русла можно было бы сократить диапазон разногласий и дать производству ■более хорошее и простое решение, чем имеющееся в настоящее время; следует организовать узкие комиссии из трех-четырех ■специалистов для выработки основных положений и рекоменда­ ций; сами решения должны приниматься на специальных кон­ ференциях, а не в пределах какой-нибудь одной организации.

Сосредоточенный и местный размывы

У мостов иногда бывают случайные сосредоточенные размывы. Причиной этого может быть не только стихия, но и человек. На­ пример, на мосту через р. Воронеж у Липецка в первый же па­ водок, который был ниже расчетного на 2,1 м, потоком подмыло юпору из-за того, что строители не убрали временную дорогу на пойме, загромождавшую отверстие и вызвавшую косое сосредо-

138

точенное течение. Опора была подмыта под основание и удержа­ лась только потому, что паводок оказался коротким. На желез­ нодорожном мосту через р. Ангрен в средний паводок из-за отсутствия полузапруды боковой поток подмыл две опоры, отчего упали три пролета по 15 м. На р. Клязьме у Владимира строи­ тели на пойме оставили постройки, а приемочная комиссия не обратила на это внимания. К сожалению, таких примеров мож­ но привести много.

Внекоторых случаях при наличии бифуркации русел перед переходом главный поток может переместиться из русла в про­ току. Тогда под мостом образуется сосредоточенный размыв в подмостовом отверстии.

Втаежных районах в редкие и сильные паводки плывет много деревьев с корнями. Если у моста недостаточные пролеты, то у опор могут возникнуть заломы, что послужит образованию допол­ нительного размыва.

Вследствие завихрений у каждой опоры в паводок обязатель­ но образуется местный размыв в дополнение к общему размыву. Это явление было замечено давно, но в расчете не учитывалось.

В 1948—1949 гг. автор собрал некоторый фактический мате­ риал, опубликовал формулу по определению местного размыва у опор [13] и ее начали широко применять. Опубликовав эту фор­ мулу, автор писал, что надо уменьшать одновременно запасы в заложении фундаментов, поскольку раньше они назначались с негласным учетом местного размыва. Но запасы так и остались, хотя появились исследования по устойчивости опор, в частности работа канд. техн. наук И. А. Тена [46]. Эта работа относится к снятию запасов при проходе паводков выше расчетных, но впол­ не может быть использована и в данном случае. Формула 1949 г. была составлена на небольшом материале, ее цель — возбудить исследовательскую мысль для проведения серьезных натурных

илабораторных работ, поскольку сам автор не имел такой воз­ можности. В 1951 г. этим вопросом начал заниматься ЦНИИС,

ичерез три года в 1954 г. появилась первая формула ЦНИИС по расчету местного размыва. В 1963 г. была предложена вторая формула, которая рекомендовалась с некоторыми дополнениями во всех наставлениях, в том числе и в НИМП-72 [38]. Вторая формула ЦНИИСа основана на других теоретических положе­

ниях.

Разница между полученными глубинами размыва по обеим формулам бывает значительной. Авторы этих формул не отказы­ ваются от своих выводов.

Запасами в заложении опор за истекшие 20 лет ЦНИИС не занимался. Эти, казалось бы, два разных вопроса взаимно свя­ заны.

Решение вопроса остается пока неопределенным, и требуются новые наблюдения и исследования. При проектировании прихо­ дится пока пользоваться НИМП-72.

139