книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

Коэффициентом г в формуле (V1-31) учитываются особенности строения рельефа горного хребта Джебель в Йемене: ряд водосборов представляют собой глубокие замкнутые котловины (рис. ѴІ-20), доступ осадков в которые ограничен рядом высоких горных хребтов, расположенных перпендикулярно к влагоносным ветрам. Подобный рельеф водосборов имеется и в СССР (верховья Амударьи на Памире). Вследствие этих особенностей расчетный слой стока на замкнутых водо­ сборах по сравнению с открытыми может быть меньшим от 1,5 до 10 раз.

При построении эмпирических формул целесообразно осущест­ влять контроль правильности получаемых связей. Метод такого контроля, основанный на статистическом исследовании варьирую­ щих параметров, предложен М. М. Журавлевым в 1957 г. и опуб­ ликован в работах [43, 10]. В работе [10], кроме того, приведен метод оценки возможных погрешностей эмпирической формулы.

§27. РАСЧЕТЫ ПЕРЕХОДОВ ВЫШЕ И НИЖЕ ПЛОТИН

ВСССР на многих реках построены или возводятся гидроэлек­ тростанции, каналы и водохранилища для водоснабжения, иррига­ ции и других водохозяйственных целей, поэтому переходы через зарегулированные реки часто встречаются при проектировании

дорог.

Наряду с вновь проектируемыми переходами возникают случаи переноса дорог и мостов из зоны подтопления или их переустрой­ ства в связи с создаваемыми водохранилищами.

При наличии проектов плотин, утвержденных к постройке или строящихся, переходы проектируют с учетом влияния плотин на режим реки. Когда проекты плотин находятся в стадии разработки, возникает необходимость сравнения двух вариантов переходов: проложения дороги по плотине или вне ее.

Согласно СНиП ІІ-И.1-62, гидросооружения по капитальности разделяют на пять классов:

1- й класс — постоянные сооружения, удовлетворяющие пов шенным требованиям, разрушение которых может вызвать послед­ ствия катастрофического характера;

2- й класс — постоянные сооружения, удовлетворяющие средни требованиям, разрушение которых может причинить значительный ущерб народному хозяйству;

3- й класс — постоянные сооружения, удовлетворяющие средн требованиям;

4- й класс — постоянные сооружения, удовлетворяющие мин мальным требованиям;

5- й класс — временные сооружения.

В зависимости от класса для расчета сооружений принимают величину максимального расхода воды различной вероятности пре­ вышения, назначают основные параметры сооружения.

По способу пропуска воды плотины делятся на глухие, не до­ пускающие перелива через них, и водосливные, допускающие пере­ лив воды через тело плотины.

а

Плотины также делятся по материалам и по напору (низкона­ порные, средне- и высоконапорные).

Мостовые переходы через водотоки, зарегулированные водохра­ нилищами, проектируют с учетом капитальности плотин и срока их службы. В некоторых случаях необходимо проверить расчетом сохранность мостового перехода от разрушения капитальной пло­ тины. Такие расчеты выполняют специальными методами с привле­ чением проектных материалов по плотине.

В остальных случаях расчеты выполняют для условий длитель­ ного существования водохранилищ и их воздействий на сооруже­ ние переходов. Для некапитальных плотин расчеты ведут с учетом их разрушения.

Поступление воды в водохранилища определяется климатичес­ кими и физико-географическими условиями, а сток из него — раз­ мерами водохранилища и графиком расходования воды на водохо­ зяйственные потребности.

В результате сток реки на участке ниже плотины, а также в во­ дохранилище является зарегулированным, а выше водохранили­ ща — естественным.

Задачей регулирования стока водохранилищами является пере­ распределение стока во времени в соответствии с требованиями во­ допотребностей путем заполнения водохранилищ водой в период половодья и паводков и его опорожнения в период маловодья.

По характеру регулирования различают водохранилища годо­ вого и многолетнего регулирования. Первые распределяют сток в течение года, задерживая часть полых вод и сбрасывая накоплен­ ный объем в меженный период (рис. ѴІ-21), вторые — перераспре­ деляют сток в течение нескольких лет, задерживая часть стока многоводного периода и повышая расходы водотока в маловодные годы за счет накопленного объема (рис. ѴІ-22). Регулирование го­ довое и многолетнее возможно осуществлять, если объем воды, на­ капливаемый в водохранилище, больше объема, расходуемого из него.

изменениях естественного режима водотоков.

Водохранилища гидроузлов характеризуются следующими уров­

нями и емкостями (рис. ѴІ-23) :

форсированный подпорный уровень (ФПУ), характеризующий катастрофический уровень заполнения водохранилища;

нормальный подпорный уровень (НПУ), до которого водохра­ нилище заполнится в нормальных условиях;

уровень наибольшей сработки (УНС) водохранилища; характе­ ризует мертвый объем водохранилища (№м);

полезный объем (№%); объем форсировки (№%).

Объем, заключенный между поверхностью воды на отметке ФПУ и дном, составляет полный объем водохранилища (W), который не всегда полностью используется для регулирования стока. Отноше­ ние полного объема водохранилища к среднемноголетнему объему стока составляет коэффициент емкости водохранилища. Нижняя часть водохранилища (мертвый объем) предусмотрена для осажде­ ния наносов.

Между поверхностями воды с отметками НПУ и УМО находит­ ся полезный объем водохранилища, который заполняется в много­ водный период, а в периоды маловодья опорожняется.

Форсированный подпорный уровень наблюдается в период про­ пуска через гидроузел многоводных максимумов. Объем форсиров­ ки определяется отметками ФПГ и НПГ и предназначен для умень­ шения величины сбросных расходов через гидроузел.

Влияние водохранилищ на величину сбросных расходов прояв­ ляется различно.

Для водохранилищ с годовым регулированием степень умень­ шения максимальных расходов притока зависит от водности паводочного сезона. Для максимальных расходов вероятностью превы­ шения 1—2% и реже уменьшение расчетного расхода, по данным В. И. Пуркина, не превышает 5— 10% и его при проектировании мостовых переходов можно не учитывать. В случае прохождения максимума паводка по уже заполненному водохранилищу может наблюдаться увеличение максимального расхода. Уменьшение рас­ четных расходов возможно в водохранилищах с многолетним регу­ лированием стока.

Плотины вызывают большие изменения бытовых условий водо­ токов, существовавших до их постройки в верхнем и нижнем бье­ фах водохранилищ.

В верхнем бьефе повышаются уровни и увеличиваются глубины, уменьшаются скорости течения и увеличивается зеркало водной поверхности, что увеличивает потери на испарение и содержание солей в воде водохранилищ. Одновременно происходит затопление прилегающих к водохранилищу земель и инженерных сооружений, а также обрушение берегов водохранилищ от действия волн. В ре­ зультате уменьшения скоростей течения происходит оседание на­ носов, которые несет река, и постепенное заиление водохранилищ, когда крупные фракции откладываются в верхней части водохра­ нилища, мелкие оседают ближе к плотине и взвешенные частицы распространяются по всему дну водохранилища. На малых водо­ хранилищах на предгорных и горных реках время полного заиле­ ния может составлять несколько десятилетий, на больших водохра­ нилищах равнинных рек — до нескольких столетий в зависимости от количества поступающих наносов.

При проектировании мостовых переходов в верхнем бьефе пло­ тин следует учитывать возможность поднятия дна до уровня мерт­ вого объема, повышение отметок межени и расчетных уровней во­ ды — в зоне выклинивания подпора. При отсутствии проектных данных о заилении расчеты отложения наносов в верхнем бьефе выполняют согласно Указаниям по расчету заиления водохра­ нилищ.

В нижнем бьефе уменьшаются паводочные расходы и увеличи­ ваются меженные, а также происходит размыв русла ниже гидро­ узла и связанные с этим переформирования русел притоков и бе­ регов. Русловые деформации, происходящие в нижнем бьефе пло­ тины, связаны с отложениями наносов в верхнем бьефе, а также с изменением естественного режима реки при сбросе воды из во­ дохранилища.

Учитывая изменения режима водотока в нижнем и верхнем бье­ фах водохранилищ, необходимо проверять размеры отдельных эле­ ментов существующих мостовых переходов для обеспечения их ус­ тойчивости в новых условиях эксплуатации.

При проектировании нового или реконструкции существующего мостового перехода необходимо учитывать изменения волнового и ледового режимов водотока.

Ветер оказывает влияние на уровни в водохранилищах, вызы­ вая сгоны и нагоны воды при длительном воздействии в одном на­ правлении. Понижение уровня водохранилища со стороны подвет­ ренного берега сопровождается повышением уровня у противопо­ ложного (рис. ѴІ-24). Высота сгонов и нагонов может составлять для больших водохранилищ 0,5—0,7 м.

На некоторых водохранилищах могут происходить колебатель­ ные движения уровня воды (сейши), вызванные резким изменени­ ем барометрического давления над одной частью водохранилища (рис. ѴІ-25).

Амплитуда колебания уровня воды при сейше достигает на не­ которых водохранилищах до 2 м. Время появления максимумов уровней друг за другом составляет от нескольких часов до несколь­ ких минут.

Расчет кривой свободной поверхности водохранилища с учетом сгонно-нагонных явлений может быть произведен по методу А. В. Караушева [58]. Превышение между уровнями воды в двух точках водной поверхности Дz0 для предварительных целей по это­ му методу определяют по формуле

где hB— средняя на рассматриваемом участке водоема высота вет­ ровой волны, м\ Dy — расстояние между заданными точками, м\ Н — средняя глубина водоема между этими точками, м\ І^ювод—-расчетная скорость ветра на высоте 10 м над водной поверхностью, но не менее 12 м/сек; ав — угол между направ­ лением ветра и линией, соединяющей расчетные точки.

Для получения Дzc, соответствующей величине нагона над спо­ койным уровнем водохранилища, расстояние Dy принимают меж­ ду данной точкой на берегу и центром тяжести водохранилища.

Ветер вызывает волнение на поверхности водохранилища. Раз­ меры волн определяются скоростью ветра, длиной разгона волны, глубиной воды, их рассчитывают по указаниям гл. X.

Сложный ледовый режим наблюдается на участке, где происхо­ дит сопряжение подпорных уровней с бытовыми. Плывущий по ре­ ке лед, встречая неподвижную поверхность льда водохранилища,

и высокого ледохода (УВЛ) с соответствующими подпорными уров­ нями водохранилища в этот период (рис. ѴІ-26). Высота затора на больших водотоках по данным [70] может составлять 2—5 м.

Высота затора зависит от объема льда Wn, поступающего с вер­ ховых участков реки в течение ледохода, и аккумулирующей емкос­ ти водохранилища, способной воспринять объем заторного льда ІѴак:

где L — длина реки выше створа перехода; В — средняя ширина реки при меженном горизонте; Іл — средняя толщина льда в реке на всем протяжении; кл — коэффициент задержки льда на ' поймах, равный в первом приближении 0,8.

Уровень воды, при котором объем льда в реке IVл будет равным объему аккумулирующей емкости водохранилища в зоне ледового затора, может быть ориентировочно принят в качестве расчетного уровня этого затора.

Достигнув максимума по высоте, затор после прорыва переме­ щается вниз, а заторный уровень резко уменьшается. Если мосто­ вой переход расположен выше зоны образования заторов, то про­ изводится проверка распространения заторного уровня до створа перехода.

В основной части водохранилища ледовые явления происходят более плавно, чем на реках. Ледовый покров в водохранилищах обычно устанавливается раньше, чем на реках в бытовых условиях, а освобождение водохранилища от льда запаздывает на одну-две недели. Это объясняется малыми скоростями течения, которые не препятствуют существованию сплошного ледяного покрова. Однако сильные ветры могут разрушить ледяной покров осенью в момент его образования и весной.

При сработке водохранилища в зимнее время площадь водной поверхности уменьшается и часть ледяного покрова может оседать на берегах и повисать на опорах моста.

В период весеннего половодья по мере заполнения объема во­ дохранилища, сработанного за зиму, ледовый покров будет подни­ маться, отрываясь от берегов.

Подпор в верхнем бьефе водохранилищ может способствовать полному прекращению ледохода из-за малых скоростей течения.

ходы воды при этом значительно возрастают по сравнению с периодом обычного ледохода, что не­ обходимо учитывать при проектировании. Для определения разме­ ров ледохода в верхнем бьефе необходимо установление времени запаздывания начала ледохода в водохранилищах по сравнению с естественным режимом реки.

В некоторых случаях возможен местный ледоход за счет подви­ жек льда при сильных ветрах на водохранилище, однако скорость этих подвижек бывает незначительной.

Вода в водохранилищах зимой сохраняет положительную тем­ пературу, в результате чего после выпуска ее в нижний бьеф река на определенном протяжении остается непокрытой льдом. Поддер­ жанию полыньи зимой способствует также характер течения пото­ ка при сбросе воды из водохранилища в нижний бьеф. При суточ­ ном регулировании расходов из-за резкого изменения уровней и скоростей на участке нижнего бьефа могут наблюдаться разруше­ ния и взломы ледяного покрова. Для приближенного расчета дли­ ны полыньи используется формула Ф. Н. Софронова или К. И. Рос­ сийского (ѴІ-38).

По данным И. И. Леви, полыньи за некоторыми гидростанциями достигают 20—30 км от створа плотины, а в теплые зимы [70] до 50 км.

Для выполнения гидрологических расчетов мостовых переходов необходимо иметь кривую свободной поверхности реки при наличии влияния водохранилища. При проектировании в сложных гидроло­ гических условиях, а также при затоплении ценных угодий и объ­ ектов построение кривой подпора от плотины производится по ме­ тодам H. Н. Павловского, А. Н. Рахманова или используются материалы организации, проектировавшей водохранилище. По­ строение кривой подпора (рис. ѴІ-27) при проектировании мосто­ вых переходов производится приближенным методом Дюпюи — Рюльмана [96]:

(VI-35)

К ' Па! ' Па

где ïCp — средний уклон водотока; ЬА— расстояние от плотины до расчетного створа; Іг0— нормальная глубина воды при расчет­ ном горизонте воды; z — подпор у плотины; еА — подпор в рас­ четном створе.

По заданным значениям z и h0 [96] определяют величины функ­

ZA

затем по той же таблице определяют соотношение - и гд, При

z

Ао

— > 5 кривая подпора соответствует горизонтальной линии. ho

Если уклон непостоянен, расчет производится по участкам с одинаковыми уклонами, с последующим построением кривой под­ пора по этим участкам.

Для расчетов мостовых переходов, расположенных выше пло­ тины при наличии данных о ПУВВ и расчетном расходе Qv, их принимают для дальнейших расчетов. Если мостовой переход рас­ положен на некотором удалении от плотины, то отметки УГВВ оп­ ределяют по уравнению (ѴІ-35), а расходы с учетом боковой приточности [72, 96] по формуле

где п — показатель редукции расхода по площади водосбора, при­ нимаемый равным 0,75 для весенних половодий и 0,6 для лив­ невых паводков; QnjI и Епл — расход и площадь бассейна в створе плотины.

Вычисленные по формуле (ѴІ-36) расходы могут быть уточнены гидрометрическими наблюдениями.

При расположении мостового перехода в конце водохранилища или на боковых притоках гидрологические расчеты выполняют с учетом переменного подпора. Необходимо установить, при каких подпорных уровнях может проходить собственный паводок водото­ ка, а также величину его максимального расхода и уровня без влияния подпора. Если паводок может проходить при различных уровнях подпора, то необходимо определить невыгодные условия работы отверстия моста и величины максимального подтопления пойменных подходов.

Изменение стока в нижнем бьефе плотины вызывает значитель­ ные изменения режима реки на большом расстоянии ниже плоти­ ны. Уменьшается годовая амплитуда изменений уровней, а также максимальные уровни. Эти изменения происходят и на притоках основной реки.

Из-за резкого изменения расхода, сбрасываемого в нижний бьеф, движение воды ниже плотины имеет неустановившийся ха­ рактер. Изменение гидрологического режима реки оказывает влия­ ние на русловые процессы и вызывает значительные переформиро­ вания русла ниже плотины.

Переформирования русла позволяют [108] выделить деформа­ ции, которые должны учитываться при гидрологических расчетах мостовых переходов:

ск и х р а сч е т а х н ео б хо ди м о у ч и т ы в а т ь с а м ы е н еб л а го п р и я т н ы е у с ­

б о л ь ш и х в о д о х р а н и л и щ , п р у д о в с в о д о с л и в а м и и о зе р , р а с п о л о ж е н ­

мам, а также крупные старые плотины, находящиеся под постоян­ ным техническим надзором [72].

Расчетный расход от прорыва плотины для створа перехода, рас­ положенного ниже плотины на расстоянии L, определяется по фор­

муле

%

ѴР0ВкПрНв

где W0— объем водохранилища при наивысшем уровне верхнего' бьефа, м3; В — ширина водохранилища в створе плотины при его предельном наполнении, м; Я н— максимальный напор допрорыва плотины, м\ %— коэффициент, характеризующий ус­ ловия прохождения волны прорыва в нижнем бьефе, опреде­ ляется по табл. VI-13; QM— ожидаемый расход притока на мо­ мент прорыва плотины; /сПр — коэффициент, учитывающий от­ ношение ширины прорыва к ширине плотины, а также боковое сжатие и принимается [96] при прорыве новых земляных пло­ тин 5-го класса, находящихся в удовлетворительных условиях эксплуатации, равным 0,50; для всех других некапитальных плотин — 0,75.

Т а б л и ц a V I-1Î

При определении расстояния L от плотины до перехода не учи­ тывается длина участка гашения энергии перепада при прорыве плотины, равная 10 Я н.

Расстояние, на котором волна прорыва окажется равной волне расчетного паводка и ее влияние не отразится на устойчивости мо­ стового перехода, может быть определено по следующей формуле:

ле (ѴІ-38) ; Qv% — расчетный расход воды заданной вероят­ ности превышения и определяемый для расчетов отверстия мо­ ста на незарегулированной реке; QM— расход межени или боковых притоков на предполагаемый период прорыва плотины.