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

Судоходные условия. Подмостовые габариты

Мостовой переход должен учитывать развитие водного транс­ порта и не ухудшать бытовые условия судоходства. При опреде­ лении подмостовых габаритов и расчетах судоходного уровня следует руководствоваться НСП 103-52 после отнесения водного пути к определенному классу. В этих правилах надо обратить особое внимание на требования о величине д в у х судоходных пролетов, всегда обеспечивающих проход судов за время суще­ ствования мостового перехода.

Есть реки, русла которых на участке перехода устойчивы, и положение (например, в ближайшие 50 лет) двух судоходных пролетов довольно определенное.

На меандрирующих реках судовой ход перемещается, а но указанным правилам в с е г д а для прохода судов должны быть д в а судоходных пролета с надлежащими габаритами, что, без­ условно, правильно. Об этом иногда забывают и в схеме преду­ сматривают при меандрировапии два пролета. Иногда при этом проектируют дамбу и особые укрепления берега для стабильно­ сти судового хода за все время эксплуатации.

Опыт регулирования многих рек показал, что регуляционные сооружения требуют больших затрат и малоэффективны. В до­ революционных проектах, как правило, па всем протяжении моста делались одинаковые пролеты, равные судоходным. Это было преувеличение, на что многие тогда указывали. Потом бы­ ла другая крайность — только два судоходных пролета во всех случаях. Это экономично, меньше металла и пр. Однако это вы­ зывает необходимость регулирования реки, новые бесконечные затраты, затруднения в судоходстве и пр. Поэтому следует счи­ тать правильным, что на р. Оке у Горького железнодорожный мост имеет четыре пролета по 120 м, составляющие 60% всего отверстия моста. Неправильно, когда па сильно меандрирующем участке на р. Оке у Рязани два судоходных пролета по 80 м на автодорожном мосту занимают всего 25% отверстия.

Второй важный вопрос — судоходный уровень. Имеется не­ сколько сложный и весьма сомнительный метод его установления, но поскольку другого нет, то им приходится пользоваться. Надо только обратить внимание, что на средних реках судоходная обстановка (бакены и пр.) вводится в действие только тогда, когда река входит в бровки русла после паводочного затопления, или, как говорят, входит в «трубу».

Вот это и есть расчетный судоходный уровень, на который

инадо ориентироваться.

Инаконец, важнейший вопрос — это класс реки. Вот здесь часто имеется завышение требований. Класс устанавливается водным ведомством с запасом. Этот запас оплачивают не они сами, как на железнодорожном, воздушном и трубопроводном

транспорте, а другие ведомства и организации. Поэтому нужен

150-

контроль со стороны Госплана республик, куда в случае разно­ гласий автор проекта может обратиться за помощью. Автору проекта необходимо разобраться в существе дела — куда, какие грузы и сколько будут возить в перспективе. Здесь решающее значение имеет обеспеченность района железными дорогами. Следует иметь в виду, что возить по железным дорогам дешевле, чем но водным путям, в особенности по каналам. В США, прав­ да, наоборот, но на это есть две серьезные причины. Во-первых, реки там работают круглый год, а если и замерзают на два-три месяца, как Миссури и верховья Миссисипи, то флот тогда рабо­ тает па других незамерзающих участках. У нас же флот работает 4—7 мес в году, а остальное время стоит на приколе. Приме­ нение ледоколов возможно, по это удваивает стоимость пере­ возки. Во-вторых, в США, как упоминалось, нагрузка на 1 км железнодорожного пути 5 млн. тс в год, а у нас более 19. Поэто­ му по железной дороге у них перевозка дороже, чем у нас, а по воде дешевле. Эго надо иметь в виду при отнесении реки к опре­ деленному классу. Не надо ущемлять интересы водного транспор­ та, по не следует и удорожать мостовые переходы без серьезных па то оснований, подтвержденных планом развития перевозок по е д и н о й транспортной сети страны.

§ 10. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ РАСЧЕТА МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

Переходы с отверстиями в пойме

Устройство дополнительных отверстий на широких поймах позволяет: сохранить протоки, которыми пользуется население, и не увеличить заболоченность поймы; уменьшить подпор при силь­ но работающих поймах, когда в русле проходит всего 30—20% расчетного расхода; уменьшить размыв в русле, что особенно важно при постройке временного деревянного моста.

Эксплуатация мостовых переходов показывает, что пойменные сооружения часто размываются и выносятся. Поэтому еще в на­ чале XX в. было мнение, что вообще не следует устраивать мосты с отверстиями На пойме. В то время расчет был несовершенным, в нем не учитывалось различие режимов русел и пойм.

Если в русле идут наносы, это означает, что скорость потока в русле больше скорости, не передвигающей грунт. Когда же на пойме идет чистая вода, пойменный мост следует рассчитывать по непередвигающей скорости,. зависящей от грунта на линии размыва. Автор всегда считал, что отверстия в пойме следует назначать большими или от них отказываться совсем. Практика показала, что небольшие мосты выносило из-за образовавшегося перепада уровней, когда от подпора возникали огромные скоро­ сти. Баланс наносов в зоне действия мостового перехода может быть записан следующим образом: чистая вода + вымытый грунт под мостом = отложению грунта ниже моста + чистая вода.

151

Распределение расхода решается уравнением баланса расхо­ дов при |3, принимаемой по кривой 3 (см. рис. 57).

Техника расчета ничем не отличается от расчета отверстия в русле при наличии пойменной части и приведена ниже во втором примере расчета (см. § 13).

Затопляемые подходы к мостам

Весьма условно подходы принято делить на незатопляемые и затопляемые. Первые рассчитывают на ВП, равную 2; 1; 0,30%; а вторые — на ВП-5—20%. На самом деле в известных условиях все подходы могут затопляться, что зависит лишь от величины принятого по ТУ паводка и частоты редких паводков. Высокие насыпи затопляются очень редко при паводках с ВП, превышаю­ щей нормативную, а низкие— более часто при ВП-2%. Могут быть подходы, которые не переливаются даже при проходе павод­ ка с ВП-0%. Это бывает на переходах узких и глубоких долин, где мосты очень высокие. Возможно смешанное решение: один подход у нагорного берега высокий, а па другой стороне низкий, где возможен перелив воды.

В 1952—1955 гг. на двух дорогах I категории (Москва — Горь­ кий и Московской кольцевой автомобильной дороге) в опытном порядке были приняты специальные ТУ, по которым все сооруже­ ния рассчитывались на паводки с ВП-1% и проверялись на про­ ход предельного паводка с ВП-0% при снятии всех запасов и до­ пуске краткого перелива через дорогу до 0,20 м. Следовательно, эти дороги стали «затопляемыми», в то время как другие дороги низших категорий считаются незатопляемыми. За 15 лет эксплуа­ тации двух упомянутых дорог только 1 раз был перелив через дорогу в 1965 г. высотой до 0,10 м, почти не повредивший обочин. ВП паводка была определена равной 0,01%). Таким образом, эти дороги являются достаточно надежными сооружениями при воз­ можных редчайших паводках.

Совместные гидрометрические наблюдения прохода паводка в отверстии моста я одновременного перелива через подходы ни­ когда не производились. Теоретически этот вопрос не разработан для ширины порога водослива, в 10 и 100 раз превышающего слой перелива, а по высоте в 5 и 50 раз. Здесь надо учитывать огром­ ное дополнительное сопротивление от одной части пойменного потока, поворачивающей в русло, и другой части, идущей под влиянием подпора прямо на перелив через насыпь. Поэтому при решении этой задачи больше, чем в других случаях, прихо­ дится делать ряд допущений и схематизаций. Уравнение баланса решается подбором и в этом случае имеет вид:

где 0,5Aft — слой перелива воды на оси дороги; / — длина участ­ ка перелива.

152

Значение р определяется несколько другим методом. По кри­ вой 3 находят (см. рис. 57), как обычно, М и р. Поскольку раз­ ница между средней глубиной в русле и слоем перелива огромна, р = рч определяют без осреднений по второму расчету (44) и при­ нимают в уравнении баланса. В этом и заключается упрощение решения.

По данным О. В. Андреева и М. И. Виноградова, слой пере­ лива при незатопленном водосливе равен половине глубины раз­ лившейся реки перед насыпью (над отметкой бровки). При за­ топлении водослива толщина слоя воды равна разности отметок расчетного уровня и поверхности дороги по ее середине.

Мало изучен критерий подтопления водослива при большом соотношении ширины порога и подпора. Основываясь на наблю­ дениях Т. Е. Полторановой (1964 г.) и других материалах, можно считать, что если бытовой уровень ниже отметки оси дороги, то водослив незатоплен, если выше—’Затоплен. Для опор в русле часто наиболее опасен момент достижения подпертым уровнем отметки верха подходов. При начале перелива размыв подмосто­ вого русла обычно уменьшается, а после снижения уровня до от­ метки оси дороги опять увеличивается. Оценивая в перспективе надежность переходов на дорогах при прохождении весьма редких паводков, можно допускать затопление насыпи, а также подтопление и затопление несудоходных пролетов моста. Ско­ рости перелива при незатопленном бьефе приведены в табл. 43.

Затраты на переход, например, при ВП-1%, принятой для перспективы, можно разделить на два этапа. Вначале строят мост с подходами, затопляемыми паводком с ВП-10% и пропускающи­ ми через насыпь часть расхода с ВП-1%. Затем с развитием дви­ жения поднимают насыпь подхода, увеличивают отверстие моста или устраивают дополнительный мост на пойме.

Переходы ниже капитальных плотин

Все чаще возникает необходимость проектировать мостовые переходы, расположенные ниже капитальных плотин, или прове­ рять устойчивость отдельных сооружений существующих перехо­ дов в условиях, возникающих после строительства гидроузла.

Изменения, происходящие после постройки плотины, связаны с нарушением гидрологического режима реки. Водохранилища в зависимости от своих размеров и назначения, перераспределяют сток воды в течение суток, недели, года или далее нескольких лет. Уменьшается сток воды в паводок и увеличиваются меженные расходы. Из-за суточного регулирования режим движения воды ниже плотины на участке длиной до 50—100 км носит неустановившийся характер; существенно нарушаются бытовые зависимо­ сти между уровнями, скоростями и расходами. Наносы, в том чис­ ле все руслоформирующие, на длительный срок задерживаются

эрозии или аккумуляции, а в ряде случаев может привести к смене типа руслового процесса. Например, на участках блуждающих рек ниже плотин наблюдалось отмирание рукавов, образование единого русла, переход к меандрированию.

При переформировании русел рек ниже плотин различают: местный размыв, образующийся за плотиной из-за резко возрос­ ших скоростей потока, лишенного наносов; общий размыв русла вследствие задержки руслоформирующих наносов в водохрани­ лище; переформирование русла реки ниже зоны насыщения пото­ ка наносами, где из-за нарушения режима реки меняется соотно­ шение мелсду жидким и твердым стоком; переформирование ру­ сел притоков, где вследствие изменения режима основной реки паводки проходят при пониженном базисе эрозии; повышение дна на участках реки ниже водозаборных гидроузлов, куда после пол­ ного заиления и занесения водохранилища руслоформирующие наносы поступают в бытовом количестве, а сток воды существен­ но уменьшен.

Наибольшего внимания среди этих переформирований заслу­ живает общий размыв русла ниже плотин, в ходе которого про­ исходит увеличение площади живого сечения русла за счет углуб­ ления дна и размыва берегов. При этом уположивается дно русла, уменьшаются скорости течения, уклон и уровни свободной поверх­ ности потока. По мере уменьшения скоростей течения интенсив­ ность размыва затухает, но полного его прекращения не насту­ пит до тех пор, пока размыв не распространится до естественного

154

58

Расстояние от плотины, км

Рис. 70. Продольные профили р. Теджен ниже водохранилища:

или искусственного (подпорное сооружение) базиса эрозии или возникнут ограничения по геологическим условиям или вследст­ вие образования отмостки дна.

О масштабах общего размыва русел рек ниже плотин можно судить по следующим примерам. Ниже Фархадского гидроузла на р. Сырдарье размыв за 8 лет распространился примерно на 250 км, причем в 87 км ниже плотины дно понизилось более чем на 2,5 м, а уровень воды — на 1,2 м. В США на р. Колорадо через 14 лет после постройки плотины длина зоны общего размыва до­ стигла 150 км, на ближних к плотине 80 км среднее понижение дна составило 3 м, а максимальный размыв — 6 м. За 7 лет после постройки гидроузла на р. Теджен понижение дна составило: 2,5—3 м — в 10 км ниже плотины, 2 м — в 20 км и 1 м — в 50 км ниже плотины. Уклон свободной поверхности на этом участке уменьшился с 0,00035 до 0,00027, а уровень воды у плотины по­ низился примерно на 6 м (рис. 70).

Основная особенность проектирования мостовых переходов ниже плотин заключается в необходимости учета изменения усло­ вий их работы в различные годы эксплуатации сооружений пере­ хода, которые могут приходиться как на период до постройки плотины, так и на период, когда на реке в районе перехода проис­ ходят существенные изменения, вызванные созданием водохрани­ лища. Эти изменения могут быть связаны как с изменением рас­ четных расходов, продолжительности расчетного паводка, фор­ мы его гидрографа, так и с изменением условий пропуска расчетного расхода вследствие переформирований русла ниже плотины.

В отношении изменения величины расчетного расхода следует учитывать, что водохранилища с сезонным регулированием стока

практически не уменьшают величину максимальных расходов при пропуске паводка малой ВП. Наоборот, возможно даже некоторое увеличение максимального расхода из-за обострения гидрографа при прохождении волны половодья по уже заполненному водо­ хранилищу. Для водохранилищ с многолетним регулированием стока снижение величины расчетного расхода может быть весьма существенным и должно быть учтено при проектировании. Данные об изменении гидрографов расчетных паводков могут быть полу­ чены в организациях, проектировавших гидроузел или ведущих его эксплуатацию. Однако перенос расходов из створа плотины на переход требует применения аналитических методов, так как вследствие переформирования русла ниже плотины могут изме­ ниться зависимости между расходами и уровнями.

Изменения условий работы сооружений перехода на участках рек ниже плотин связаны с происходящими на них необратимыми деформациями русла, изменениями режима движения наносов, интенсивности и в ряде случаев типа руслового процесса. Для одних сооружений эти изменения могут быть благоприятными, а для других нет. Понижение уровней свободной поверхности вслед­ ствие общего размыва русла ниже плотины означает уменьшение глубины затопления пойм расчетным расходом, снижение степе­ ни стеснения потока сооружениями мостового перехода и, следо­ вательно, величины подпора. Таким образом, при определении отметок пойменной насыпи, проезда по мосту, размеров и очерта­ ния струенаправляющих дамб следует ориентироваться на про­ пуск расчетного расхода в условиях; наиболее близких к сущест­ вовавшим до постройки плотины.

При расчете максимального понижения дна у перехода сле­ дует учитывать, что размывы от стеснения потока сооружениями мостового перехода накладываются на деформации русла, выз­ ванные влиянием плотины, причем эти величины находятся в сложной взаимозависимости. Например, развитие деформаций русла ниже плотины вызывает, с одной стороны, дополнительное понижение дна в створе моста, еще более увеличивает дефицит наносов в сжатом сечении, а с другой стороны, понижение уров­ ня воды следствие этих деформаций уменьшает степень стеснения потока и в какой-то мере уменьшает интенсивность размыва под мостом при пропуске расчетного паводка.

Ввиду того что русло реки ниже плотины подвергается необ­ ратимым односторонне направленным деформациям, применение методов расчета, основанных на использовании при определении глубины размыва под мостом уравнения предельного баланса наносов, невозможно. Расчет понижения дна под мостом необхо­ димо вести с одновременным расчетом деформаций русла ниже плотины, решая совместно в конечных разностях уравнения ба­ ланса наносов и неравномерного движения жидкости.

Наиболее опасный год пропуска расчетного паводка и макси­ мальная глубина размыва под мостом могут быть найдены графо­

156

аналитическим способом. При использовании ЭВМ расчет ведет­ ся на пропуск нескольких вариантов серий реальных паводков; различие между этими вариантами заключается в годе пропуска расчетного паводка, который варьируется в пределах срока экс­ плуатации перехода с интервалом в несколько лет.

В случае когда общий размыв под мостом и деформации от влияния плотины прекращаются вследствие ограничений по гео­ логическим условиям или из-за самоотмостки дна крупными ча­ стицами, возможно применение упрощенных способов расчета, основанных на использовании в качестве расчетных значений скоростей, не размывающих обнажившиеся породы или частицы отмостки.

Понижение расчетного уровня, зависящее от величины дефор­ мации русла ниже плотины, определяют также упрощенными методами.

Для составления проекта мостового перехода, расположенно­ го ниже плотины, дополнительно нужны следующие данные:

сведения о нарушении режима реки в результате создания водохранилища — изменение стока воды, прежде всего в средние по водности годы и в год пропуска расчетного паводка, срок заи­ ления и занесения водохранилища, изменение ледотермического режима реки ниже плотины (пропуск льда через плотину, усло­ вия образования льда, шуги, размеры полыньи в нижнем бьефе ГЭС);

топографические материалы (карты масштабом не мельче 1 : 50000, аэрофотосъемки, лоцманские карты), характеризующие реку ниже плотины на всем протяжении размыва русла;

геологическое строение речной долины на этом участке; данные о стоке наносов — среднегодовой сток взвешенных и

донных наносов, состав донных отложений, зависимость расхода наносов от скорости течения и глубины потока, неразмывающпе скорости для грунтов, слагающих русло;

данные для построения кривых свободной поверхности: изме­ нение коэффициентов шероховатости по длине реки, кривые рас­ ходов для различных створов реки ниже плотины.

Большая часть этих материалов может быть получена в орга­ низациях, проектировавших гидроузел, в органах Гидрометео­ службы СССР и др.

Предгорные реки. Выпуклый профиль потока и стоячие волны

Необычное волнообразование (рис. 71) обнаружено Б. Ф. Перевозниковым на предгорной р. Банки в паводок 1971 г. на одном из построенных мостовых переходов в Непале. Оно характери­ зуется динамико-кинематическим эффектом возникновения реч­ ной гребенчатообразной стоячей волны. Потребовался анализ и подготовка соответствующих рекомендаций по учету этого не-

157

При устройстве перехода в местах резких искривлений русла и при наличии тенденций к свалу к одному из берегов необходимы мероприятия по уменьшению поперечно-винтовой турбулентности потока. Это условие достигается спрямлением реки или регулиро­ ванием речного потока. Наиболее целесообразны спрямления, уменьшающие искривление течения и исключающие размыв бере­ говой линии и возвращение потока в прежнее русло. Регулирова­ ние потока следует осуществлять выправительно-направляющими дамбами вогнутого очертания, размещая их с учетом многолет­ них деформаций береговой линии и необходимости обеспечения плавного ввода потока под мост.

Максимальное возвышение наибольшего гребня волны над расчетным уровнем высокой воды заданной ВП можно опреде­ лять по формуле

h — средняя глубина воды в русле, м; б — коэффициент соотно­ шения глубин, определяемый по формуле

соответственно пика паводка и начала гребенчатообразного волнения.

При отсутствии данных наблюдений коэффициент б прини­ мают ориентировочно равным 0,10—0,16, где большее значение соответствует распластанным руслам со средними глубинами

1 —1,5 м.

159