книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

существовавших во время проектирования перехода. Поэтому в проекте необходимо дать прогноз наиболее невыгодных русловых условий, при которых будут работать сооружения мостового пере­ хода.

Теорией руслового процесса, начиная с В. М. Лохтина (1898 г.) и О. Фарга (1908 г.), занимались многие исследователи, разраба­ тывая морфологическую и гидравлическую стороны вопроса.

Однако имеющиеся гидравлические методы расчета вследствие сложной кинематической структуры речного потока с нестабильным руслом используются для расчета локальных деформаций русла у гидротехнических сооружений. Прогнозы русловых деформаций во времени на участке реки могут быть выполнены только с учетом генезиса тех русловых форм, с которыми столкнулся изыскатель при трассировании перехода; при этом гидравлические методы мо­ гут быть использованы как вспомогательный аппарат.

В Государственном гидрологическом институте (ГГИ) за по­ следние годы разработана гидролого-морфологическая теория рус­ лового процесса [63, 105], согласно которой морфологические обра­ зования, возникающие при русловом процессе, подразделяются на три вида: микроформы, мезоформы и макроформы. Первые пред­ ставляют собой мелкие гряды наносов, определяющие шерохова­ тость дна, изменения их связаны с изменением гидравлики потока и они выражают расход донных наносов. Мезоформы представляют собой крупные гряды наносов (ленточные гряды, побочни, осеред­ ки), сопоставимые с величиной русла. Эти гряды, двигаясь по рус­ лу, определяют его конфигурацию, однако при изменении гидрав­ лики потока лишь частично меняют свою форму и являются более устойчивыми морфологическими образованиями. Макроформы — это взаимодействующий устойчивый комплекс образований, вклю­ чающий, например, излучины (меандры) русла и пойму реки.

Строение, размеры и особенности деформаций макроформ опре­ деляются режимом стока воды и наносов, рельефом и геологичес­ ким строением бассейна и речной долины, а также наличием мест­ ных базисов эрозии. Встречающиеся в природе различные комбина­ ции указанных природных факторов создают различные типы руслового процесса. Если на протяжении реки природные факторы меняются, то меняется и тип руслового процесса. Участок реки, на котором сохраняется данный тип руслового процесса, называют морфологически однородным участком.

ГГИ установлено семь типов руслового процесса: ленточногря­ довый, побочневый, ограниченного меандрирования, свободного меандрирования, незавершенного меандрирования, пойменной многорукавности и русловой многорукавности (осередковый). Каждый из этих типов имеет свои особенности деформаций русла и поймы.

В Гидропроекте также разработаны теория и типизация русло­ вого процесса, во многом сходные с принятыми в ГГИ. Если в тео­ рии ГГИ русловой процесс рассматривается как взаимодействие потока и русла и последнему термину придается морфологическое значение, то в теории Гидропроекта этот процесс определяется

взаимодействием двух сред — воды и грунта, причем характер взаимодействия будет различным для несвязных и связных грун­ тов [65].

При изыскании и проектировании мостовых переходов удобней пользоваться разработками ГГИ, которые позволяют на основании только картографических или аэрофотосъемочных материалов (см. § 6) установить тип руслового процесса на участке мостового перехода и дать качественный прогноз будущих русловых дефор­ маций. Для количественного прогноза потребуется выполнение то­ пографических работ по съемке русла, а также получение материа­ лов русловых съемок прежних лет, которые могут быть сопоставле­ ны с материалами съемки мостового перехода.

Прогнозы русловых деформаций, основанные на гидролого-мор­ фологической теории руслового процесса, применяют при проекти­ ровании переходов через реки ЛЭП и трубопроводов [ПО]. Для мостовых переходов такие прогнозы до последнего времени не про­ изводились. Впервые этот вопрос освещен в работе [16], где на ос­ нове указанной деории были даны приближенные решения, отра­ жающие специфику проектирования мостовых переходов, заклю­ чающуюся в прогнозировании наиболее невыгодных живых сечений для расчета размыва у опор моста и плановых деформаций русла для проектирования подходов и дамб.

Если отверстие моста перекрывает русло и части пойм и оно размещено на створе перехода с учетом распределения расчетного расхода, то при прогнозировании естественных русловых деформа­ ций стеснение паводочного потока подходами не учитывают по сле­ дующим соображениям.

Руслоформирующим является паводочный расход воды, прохо­ дящий в пределах русла реки, имеющий, как правило, вероятность превышения 40—60%. Затопление пойм, достаточное для возник­ новения общего размыва подмостового русла, происходит обычно в паводки вероятности превышения р ^10% . Следовательно, в пе­ риод между редкими паводками (исчисляемый десятилетиями) рус­ ловой процесс на участке мостового перехода не будет отличаться от бытового и к моменту пропуска расчетного паводка под мостом могут сформироваться невыгодные по размыву живые сечения и плановые очертания русла, характерные для данного типа русло­ вого процесса. Поэтому в таких случаях применяют гидролого-мор­ фологическую методику прогноза естественных русловых дефор­ маций.

Сток воды и наносов в данных ландшафтных условиях вырабо­ тал речные русла, в которых существуют определенные соотноше­ ния между параметрами, определяющими форму русла, и гидрав­ лическими характеристиками потока. Для потоков, находящихся в состоянии динамического равновесия, такие соотношения, выявлен­ ные эмпирическим путем, называются гидроморфологическими за­ висимостями.

Различными исследователями предложено большое число гид­ роморфологических зависимостей [11, 54, 113], связывающих гео­

метрические характеристики русла и мезоформ наносов с крупно­ стью частиц аллювия, расходом, уклоном и скоростью течения во­ ды. К такому типу эмпирических связей относится и выведенная нами зависимость (ІѴ-8) для скорости динамического равновесия.

Гидроморфологическими зависимостями пользуются при коли­ чественной оценке русловых деформаций (см. § 30—32).

В последнее время в трудах ГГИ, посвященных исследованиям руслового процесса, находят применение статистические и вероят­ ностные методы, которые правомерно использовать при изучении сложных природных явлений, определяемых многими факторами (см. §32).

Русловой процесс нарушается после возведения гидротехничес­ ких сооружений, причем это нарушение может охватить большой участок по длине реки. Локальные нарушения руслового процесса возможны на участке мостового перехода, если последний значи­ тельно стесняет поток, ограничивает развитие излучин или если сооружения мостового перехода не обеспечивают плавного слива пойменных вод в отверстие моста (см. § 33).

Типизация руслового процесса неизбежно схематизирует это сложное явление. Могут встретиться реки с русловым процессом, отличным от установленных ГГИ типов, например текущие в ущель­ ях горные реки с безгрядовым движением наносов, а также реки со смешанным типом руслового процесса.

Поэтому приводимые ниже рекомендации для типичных случаев надо применять с учетом особенностей данной реки и прогнозиро­ вать деформации мезо- и макроформ, обращая внимание на изуче­ ние топографических съемок русла за разные годы.

§ 30. РАСЧЕТ СМЕЩЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ГРЯД И ПОБОЧНЕЙ

Ленточногрядовый тип руслового процесса опознается по сле­ дующим признакам: русло прямолинейное или слабоизвилистое, повороты его совпадают е поворотами долины, берега без следов подмыва и задернованы; дно русла песчаное, в межень просвечива­ ет цепь крупных гряд наносов, занимающих всю ширину русла, по­ ложение гряд хорошо видно на аэрофотоснимках русла; поймы, как правило, отсутствуют или небольшие, ровные, без проток и староречий.

Ленточногрядовый тип характеризуют следующие параметры (см. рис. Ѵ ІІ-1):

%г— шаг гряды, равный расстоянию между гребнями смежных

гряд; — — относительный шаг, равный отношению шага гряды к

Ьр

ширине русла Ьр, величина его находится в пределах 6—8; Дг — высота гряды, равная наибольшему превышению гребня гряды над подошвой подвалья; Дг»1,5ч-2,0 м, но может достигать и больших значений; Сг — средняя скорость перемещения ленточных гряд, зна­ чение этой скорости составляет сотни метров в год.

Скорость перемещения гряд (м/сек) мала по сравнению со ско­ ростью течения воды в русле. По В. Н. Гончарову [35]

_ 1,8<7об

ь г — — - ,

Л г

где q0Q-— расход наносов на метр ширины русла, м5/сек.

Максимальные скорости сползания гряд наблюдаются в паводочный период; в это же время гряды имеют наибольшие размеры по высоте. В меженный период процесс сползания гряд затухает.

Так как скорость смещения ленточных гряд измеряется сотнями метров в год, то за срок службы моста (порядка 100 лет) через створ мостового перехода пройдет много подвальев и гребней гряд. Для расчета общего размыва с учетом гидрографа паводка необ­ ходим профиль живого сечения по подвалью гряды, так как в этом случае средняя глубина после размыва будет наибольшей. При расчете общего размыва по скорости динамического равновесия конечный результат не зависит от исходного живого сечения под

мостом, если ширина и форма русла стабильны.

Плановые деформации берегов русла при этом типе руслового процесса протекают медленно или отсутствуют; этот вид деформа­ ций при проектировании мостового перехода можно не учитывать.

Для определения общего и местного размывов у опор моста не­ обходимо знать бытовую максимальную глубину hm&x в подвалье гряды, которая образуется при прохождении паводка расчетной ве­ роятности превышения (см. рис. V II-1). Эту глубину рассчитывают в соответствии с методикой [16]. В пределах расчетных вероятностей превышения паводков рта2-^0,33% величины йтах определяют по приближенным формулам:

где Нр% — высота расчетного уровня воды заданной вероятности превышения над средней линией дна (см. рис. ѴІІ-1).

В табл. ѴІІ-1 даны значения коэффициента К для вероятности превышения 0,33% < р < 2 % .

Формула Ѵ ІЫ дается для прямолинейных участков русла, а формула ѴІІ-2 — для криволинейных участков.

Если нет данных о крупности руслового аллювия, величину /ітах можно получить, используя эмпирическую зависимость высоты гря­ ды Дг от руслоформирующего расхода Q50 вероятности превышения

Наибольшая глубина в подвалье гряды /ітах не имеет фиксиро­ ванного положения по ширине русла и должна учитываться при расчете местного размыва у всех русловых опор, если нет ограни­ чений по геологическим условиям.

Створ мостового перехода через реку с ленточногрядовым ти­ пом руслового процесса располагают нормально к руслу. Поймы при этом типе обычно незначительны, без проток и стариц, и пере­ сечение их возможно без специальных требований к плану трассы, без регуляционных сооружений и водоотвода. Учет руслового про­ цесса в этом случае сводится к определению наибольшей глубины воды, которая образуется в подвалье гряды при расчетном па­ водке.

Пример расчета. Река на участке автодорожного мостового перехода течет по неширокой долине, пойменная часть которой представлена ровным лугом; русло шириной 50—60 м изогнуто по пологой кривой, следуя общему повороту долины. По руслу сползают ленточные гряды, берега задернованы, без следов боковой эрозии; средний диаметр донных наносов ЩР=0,8 мм. Руслоформирующий расход

то коэффициент К по табл. ѴІІ-1 равен 0,25. Наибольшую глубину для криволи­ нейных русел рассчитываем по формуле (ѴІІ-2); тогда

йшах = 5,65(1 + 0,25) = 7,06 м.

По формуле (ѴІІ-3) величина hmax несколько меньше.

Атах « 5,65 + 0 ,12-3400,37 Ä! 6,7 М .

По геологическому разрезу в створе перехода находим, что базальный слой более крупного аллювия (dcр= 2 мм) залегает на глубине 8,4 м, следовательно, глубина Атах—7,06 м может образоваться при проходе расчетного паводка; эту бытовую глубину принимают за исходную при расчете общего и местного раз­ мывов у русловых опор моста.

При побочневом типе руслового процесса движение наносов также происходит грядами, занимающими всю ширину русла, но сильно перекошенными в плане. Возвышенные части гряд примыка­ ют к противоположным берегам русла и вследствие перекоса рас­ полагаются в шахматном порядке; в межень они обсыхают, обра­ зуя побочни, которые хорошо опознаются на крупномасштабных картах и аэрофотоснимках.

/ — с р е д н я я л и н и я м е ж е н н о го р у с л а ; 2 — с р е д н я я л и н и я п а в о д о ч н о го р у с л а ; 3 — и з о б а т ы ; 4 — п л е со в ы е л о щ и н ы ; 5 — п е р е к а т ы ; 6 — побочни

Шахматное расположение побочней приводит к искривлению меженного потока и образованию поперечной циркуляции на за­ круглении; поток, размывая плесовую лощину у вогнутого берега, переносит наносы к выпуклому берегу, наращивая противолежа­

щий побочень.

Плесовые лощины меженного русла отделены друг от друга по­ ниженными частями перекошенных гряд наносов, образующими перекаты. В паводок по руслу сползает вся гряда со скоростью, зависящей от устойчивости русла; плесовые лощины углубляются,

агребни перекатов наращиваются. В межень побочни неподвижны

иразмываются лишь гребни перекатов, а плесовые лощины частич­

но заносятся.

При побочневом типе не происходит значительных изменений плана коренных берегов русла и переформирования пойм, однако коренные берега менее устойчивы, чем при ленточногрядовом типе. Побочни, сползая вниз по течению, прикрывают от размыва те уча­ стки берега, к которым они примыкают, а прижимные участки бе­ рега между грядами, где расположены плесовые лощины, размы­ ваются, что приводит к периодическому расширению и сужению русла. При расширении возможны отторжения побочней и переме­ щения в образовавшийся рукав главного русла. Поймы обычно не­ широкие, рельеф их состоит из вытянутых по направлению течения рядов параллельных грив; встречающиеся при этом типе руслового процесса широкие поймы являются реликтовыми или имеют озер­ ное происхождение.

Признаками периодически расширяющихся русел являются об­ рывистые подмываемые берега, а также следы отторжений побоч­ ней и спрямлений русла. План русла побочневого типа представлен на рис. ѴІІ-2. Побочневый тип характеризуют параметры:

Хп— шаг побочня, равный расстоянию по прямой между смеж­ ными точками перегибов средней линии меженного русла; Ьр — ши­ рина меженного русла; В бР — ширина русла в его пойменных бров-

ках; - ----- относительный шаг побочня; Са — средняя скорость спол-

Ор

зания побочней (ее устанавливают по совмещению съемок

различных лет); величина Са составляет от десятков до сотен мет­ ров в год.

участке (на перекатном участке .0бр~ 1,0— 1,56р).

Для периодически расширяющихся русел устанавливают вели­ чину 5 тах, равную ширине русла в пойменных бровках в момент его наибольшего расширения (см. § 17). Для оценки устойчивости русел иредложено много показателей.

По Н. А. Ржаницыну [112], обобщенный критерий устойчивости имеет вид

db

(ѴІІ-4)

НЧ

где d — средний диаметр руслового аллювия, м\ b — ширина рус­ ла, м; Н — средняя глубина русла, м; і — уклон водной поверх­ ности.

Для устойчивых русел У ^ Ю 0, для среднеустойчивых 10< У < < 100, для неустойчивых У < 10.

Если нет русловых съемок за различные годы, то величину У ис­ пользуют для установления Св по аналогии с рекой такого же типа, где есть русловые съемки разных лет. При выборе аналога следует также иметь в виду, что устойчивость побочней и других русловых форм зависит не только от грунтовых и гидравлических характери­ стик русла, учитываемых формулой (ѴІІ-4),

Подвижность этих морфологических образований зависит так­ же от режима жидкаго и твердого стока—'длительный многопи­ ковый лаводочный период и большой объем донных наносов при прочих равных условиях увеличивают интенсивность руслового процесса.

Движение побочней приводит к переформированиям живого се­ чения русла в створе мостового перехода; при сползании под мост правобережного побочня наибольшие глубины будут у левого бе­ рега, а при сползании под мост левобережного побочня — наи­ большие глубины будут у правого берега; средняя часть русла бу­ дет находиться в более стабильном положении, так как через нее всегда будут проходить перекатные участки гряд.

Скорости переформирований русла побочневого типа указыва­ ют на возможность образования за период службы моста плесовой лощины как у правого, так и у левого берегов. Следует учитывать и возможное расширение коренного паводочного русла по сравне­ нию с его размерами, снятыми в момент изысканий. По материалам русловой съемки выбирают три живых сечения (например, I, II и

с

4 — н а п р а в л е н и е см е щ ен и я п е р е к а т а ; 5 — у к р е п л е н и я к о р е н н ы х б е р е го в ; 6 — п р о гн о зи р у ем о е н а и н и зш ее п о л о ж ен и е ли ни и о б щ е го р а з м ы в а п о д м о ст о м ; 7 - оп оры м о ста

III на рис. VI1-2), два из которых соответствуют наибольшим глу­ бинам у правого и левого берегов русла, а третье — перекату с наи­ большей глубиной.

Эти сечения совмещаются на створе мостового перехода А — Б по общей осевой линии, представляющей собой среднюю линию русла в пойменных бровках (см. рис. ѴІІ-2).

Построение трех прото-зируемых живых сечений производят с учетом возможных ограничений по геологическому строению русла в створе перехода.

Расчеты общего размыва производят для всех трех сечений и строят объемлющую наинизшую линию возможного размыва под мостом (рис. ѴІІ-3).

Величину Вщах определяют методом, изложенным ів § 17 на мор­ фологически однородном участке реки.

Если получить данные для такого определения нельзя, то ß max принимают равной наибольшему расширению побочневого русла на участке мостового перехода.

Створ мостового перехода через реку с побочневым руслом (ес­ ли нет специальных требований судоходства и сплава), распола­ гают нормально к руслу в пойменных бровках, не считаясь с поло­ жением нестабильного меженного русла. Струенаправляющие дамбы должны обеспечить возможно меньшее нарушение естест­ венного .руслового процесса, направив пойменные потоки в поймен­ ные части отверстия моста. Отверстие моста назначают не менее ширины русла в пойменных бровках 5бр, даже если коэффициент общего размыва будет ниже допускаемого. При меньшем отверстии стеснение коренного русла подходными насыпями вызовет сосредо­ точенный размыв у конусов и устоев моста во время прохода побочней в створе перехода.

Если ß 6p<ßmax, то целесообразно рассмотреть варианты уве­ личения отверстия моста до ßmax или укрепления берегов расши­ ряющегося русла.

Пример расчета. Трасса проектируемой железнодорожной линии пересекает реку с периодически расширяющимся руслом шириной ßep=420 м, пропускающим 77% расчетного расхода воды. Поймы незначительны: левая пойма пропускает 16%, а правая пойма — 7% расчетного расхода. Наибольшая ширина русла на участке реки с однородными условиями стока В шаж=450 м. По руслу движутся побочни, сложенные гравием с песком и мелкой галькой (dcp» 8 мм); ширина меженного русла, сжатого побочнем, ÖP Ä 80 м . Сопоставлением планов русла, снятых в 1931 и в 1955 гг., установлено, что побочни сползают вниз по течению

со скоростью Сп» 2 0 м/год Показатель устойчивости меженного русла при уклоне 0,0004 и средней глу-

0,008-80

бине в паводок Н —8 м по формуле (ѴІІ-4) равен У - 09 п ППГ1/І = 25, что соот-

■ U, UUU4

ветствует среднеустойчивым руслам.

Как видно на рис. ѴІІ-3, в 1931 г. наибольшие глубины находились у левого берега русла, а в 1955 г. — у правого берега; в 1939— 1941 гг. перекат проходил в середине коренного русла.

Перекрытие мостом русла в пойменных бровках мало стесняет паводочный поток, поэтому увеличивать отверстие до наибольшей ширины русла ßmax нецеле­

сообразно.

Принято решение укрепить берега коренного русла (рис. ѴІІ-3, а). Для трех характерных положений меженного русла (1931, 1939 и 1955 гг.) построены.про­ фили живых сечений (рис. ѴІІ-3, б), по которым рассчитан общий размыв под­

мостового русла.

Получены следующие коэффициенты общего размыва: для профиля 1955 г. /7=1,26, для профиля 1931 г. /7=1,27 и для профиля 1939 г. /7=1,04. Как видно изэтих цифр, при крайних положениях меженного русла коэффициенты размыва получены близкими, а при среднем положении русла, когда через створ моста проходит перекат, коэффициент размыва резко уменьшается, так как площадь живого сечения под мостом до размыва в этот момент будет наибольшей.

Положение пунктирной линии на рис. ѴІІ-3, б изображает возможное наинизшее положение размытого дна русла.

§ 31. РАСЧЕТ СМЕЩЕНИЯ МЕАНДРОВ ПРИ ОГРАНИЧЕННОМ И СВОБОДНОМ МЕАНДРИРОВАНИИ. НЕЗАВЕРШЕННОЕ МЕАНДРИРОВАНИЕ

И ПОЙМЕННАЯ МНОГОРУКАВНОСТЬ

Ограниченное меандрирование является промежуточным типом руслового процесса между побочневым типом и свободным меандрированием. При замедлении транспорта донных наносов побочни закрепляются растительностью и превращаются в изолированные пойменные массивы, примыкающие к бортам сравнительно узкой долины, которая ограничивает развитие излучин (меандров) русла, имеющих в плане вид синусоиды.

Пойменные массивы размываются с верховой и наращиваются с низовой стороны. Сползание вниз по течению слабовыраженных меандров русла происходит с сохранением их очертаний и разме­ ров— русло передвигается параллельно самому себе (рис. ѴІІ-4). Перекаты расположены косо к направлению течения и проходят ниже точек перегиба русла. Наибольшие глубины находятся у под­ мываемого верхового берега пойменного массива. В межень пере­ каты размываются, а в половодье наращиваются: в плесовых ло­ щинах происходит обратный процесс. В процессе сползания излу­ чин пойменные массивы полностью перерабатываются и бывают сложены тем же аллювиальным материалом, что и русло.1

Рис. ѴІІ-4. Схема мостового перехода через реку с ограниченно меандрирующим руслом: