книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

Рис. ѴІІ-8. Деформация свободно меандрирующего русла:

а — план смещения осевой линии русла; б — поперечные профили русла в створе перехода;

/ — с р е д н я я л и н и я во вр ем я и зы ск а н и й п е р е х о д а ; 2 — п р о гн о зи р у ем ая с р е д н я я л и н и я ч е р е з 25 л е т ; 3 — т о ж е , ч е р е з 50 л е т ; 4 — п о л о ж ен и е д е ф о р м и р у е м ы х б е р е го в в с т в о р е п е р е х о д а ч е р ез 50 л е т ; 5 — то ж е , д л я в е р х о в о й и зл у ч и н ы ; 6 — н а п р а в л е н и е в е к т о р о в , о п р е д е л я ю щ и х

каждый. Средняя скорость смещения береговой линии принята по данным совме­

угла разворота излучины (деформации русла во втором этапе расчета примерно в 2 раза меньше, чем в первом), поэтому точность расчета увеличивается, если общий срок прогнозирования разбить на большее число этапов расчета. Расчет в два этапа дает некоторый запас прочности. В результате этого расчета видим, что верховая излучина через 50 лет будет отстоять от оси земляного полотна на правой пойме не менее чем на 65 м или около 50 м от его подошвы; бровка во­ гнутого берега центральной излучины в створе перехода сместится в сторону

(переход)

левой поймы на 60 м. Это смещение учтено при расположении моста на створе перехода. Деформации низовой излучины не являются лимитирующими для мо­

При частом затоплении поймы процесс свободного меандрирования в начальной стадии иногда нарушается образованием спрям­ ляющей протоки.

Спрямляющая протока развивается постепенно, затем во время сильного паводка русло перемещается в спрямляющую протоку. После перемещения русла в спрямляющую протоку развитие излу­ чины прекращается, и она постепенно отмирает. До перемещения русла в спрямляющей протоке наблюдается русловой процесс лен­ точногрядового или побочневого типа, а после перемещения русла спрямляющая протока начинает меандрировать до образования но­ вого спрямления и повторения цикла развития. Этот процесс назы­ вается незавершенным меандрированием.

Незавершенное меандрирование в натуре устанавливают по нали­ чию спрямляющих проток, находящихся на различных стадиях раз­ вития. Кроме основных характеристик, применяемых при свободном

меандрировании (Хи, SH, аи, См) для незавершенного меандрирония, определяют:

h

длина спрямления и 5ИЗ— длина спрямленной излучины;^- — по-

Н ѵ

казатель затопляемости поймы, где ha — средняя глубина затопле­ ния поймы и Н р— средняя глубина русла при расчетном уровне.

Чем больше отношение —L; тем на более ранних стадиях разви-

Н р

тия происходит спрямление излучины.

Вслучае устройства моста на излучине деформацию русла рас­ считывают по методике для свободного меандрирования. Если мост устраивают на спрямляющей протоке, то деформации рассчиты­ вают по тому типу руслового процесса, который наблюдается на спрямлении с учетом возможного перехода к меандрированию.

Вобоих случаях произойдет нарушение естественного руслового

процесса, так как должна увеличиться пропускная способность русла в излучине или на спрямлении.

При закрытии насыпью протоки скорость деформации излучины См увеличится до величины См'\ ориентировочно можно принять

Щиз

лучине и в спрямляющей протоке при уровне воды на отметке их пойменных бровок, a QHз расход воды только в излучине.

Если излучина русла будет закрыта насыпью, то по спрямляю­ щей протоке пойдет расход, равный Qs, и поперечное сечение ее увеличится.

Используя формулы (ІѴ-3), (ІѴ-8) и (ІѴ-9), мы получили сле­ дующие выражения для средней глубины Ядин и ширины в бров­ ках Диш, динамически устойчивого русла спрямляющей протоки при заданных значениях продольного уклона і и грунтовой характерис­ тики d (м) :

1

Параметры х и ß принимают согласно данным, приведенным в § 13 гл. IV. Для определения параметра ß вероятность превышения принимают того паводочного расхода реки, при котором пойма за­ топлена на уровне бровок спрямляющей протоки.

По этим же формулам можно рассчитать и проектируемое спрямление излучин свободного меандрирования.

Аналогичным путем можно получить выражение для продоль­

По формуле (VII-12) находим ширину этого русла в бровках

4 ,7 -0 ,01°’28-2,061+°’35-0,72

Если в данном примере зададимся значениями d и Я то по формуле (V II-13) получим

0,19-0,01°’9-0,722

=J------ :----------Ч — = о,ооі. 2 об1’33-2'0’35

При частом глубоком и длительном затоплении поймы в резуль­ тате повторных спрямлений незавершенных меандров образуется тип руслового процесса, называемый пойменной многорукавностью.

Отдельные рукава большой протяженности рассматриваются как самостоятельные русла, которые имеют тот или иной из описанных типов руслового процесса; поэтому специальных измерителей, ха­ рактеризующих пойменную многорукавность, не предусматривается. Следует иметь в виду, что перемещение по главным рукавам круп­ ных гряд наносов может привести к закрытию одних и к возобнов­ лению течения в других ранее заглохших протоках. Поэтому необ­ ходимо прогнозировать возобновление деятельности заглохших на момент изысканий проток, учитывая расположение и скорости пере­ мещения гряд насосов в тех рукавах, где расположены истоки и устья заглохших проток. Вопрос размещения отверстий мостов при пой­ менной многорукавности очень сложен. Русловой процесс в этих рукавах и протоках в связи с частым затоплением пойм резко ме­ няется после строительства мостового перехода. Даже при устрой­ стве на переходе более одного водопропускного отверстия пере­ распределение расхода воды после закрытия части проток вызовет усиление, а иногда и смену типа руслового процесса в протоках, пе­ рекрытых мостами. В этом случае следует возможно меньше стес­ нять паводковый поток, не допуская больших подпоров и размывов у моста на главном русле, а также активизации проток или их отво­ дов, идущих параллельно трассе перехода, путем устройства соот­ ветствующей системы регуляционных сооружений.

Следует рассмотреть варианты отводов русел и устройства мос­ тов средних или больших отверстий на наиболее активных рукавах и протоках.

Описанные выше особенности руслового процесса при ограни­ ченном, свободном и незавершенном меандрировании соответству­ ют руслам, сложенным несвязными аллювиальными грунтами; в этих условиях зоны эрозии и аккумуляции совпадают (размыв во­ гнутого берега и отложения грунта на противоположном выпуклом берегу). Если русло сложено связными грунтами, для которых зоны эрозии и аккумуляции не совпадают (размытые глинистые частицы взвешиваются потоком и уносятся далеко от места размыва), то фарватер русла не соответствует его плану: наибольшие глубины находятся у выпуклых, а наименьшие — у вогнутых берегов [65].

От обычного типа меандрирующих русел также отличаются рус­ ла рек, унаследовавших свои излучины от несовременных условий

жидкого и твердого стока (например, от сброса флювиогляциальных вод в конце последнего оледенения). По этим обычно пологим из­ лучинам в настоящее время перемещаются крупные гряды наносов,, например побочни; при расположении побочня у вогнутого берега излучины глубины у этого берега будут меньше глубин у выпуклогоберега. При понижении базиса эрозии и увеличении продольного уклона в меандрирующем русле также может возникнуть движение побочней. Это явление, по-видимому, наблюдается в настоящее вре­ мя в нижнем течении р. Урала в связи с понижением уровня Кас­ пийского моря.

§ 32. РАСЧЕТЫ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ РУСЛОВОЙ МНОГОРУКАВНОСТИ

(ОСЕРЕДКОВЫЙ ТИП). КОНУСЫ ВЫНОСА

Осередковый тип характерен распластанным многорукавным руслом, по которому движутся расчлененные большие гряды нано­ сов. Возвышенные части гряд обсыхают в межень и образуют осе­ редки, разделенные извилистыми протоками. В паводок основной поток идет по широкому руслу, наибольшие глубины могут образо­ ваться в любой его точке в зависимости от расположения круп­ ных скоплений наносов и проток между ними. Осередковый тип рус­ лового процесса возникает при больших объемах твердого стока (донных наносов) на участках рек, где уклон водной поверхности резко уменьшается по сравнению с вышележащими участками и происходит частичная аккумуляция наносов.

В зависимости от гидрографа стока осередковый тип руслового процесса разделяется на два подтипа. При длительной межени об­ сохшие части осередков покрываются растительностью, способ­ ствующей отложению наносов, и превращаются в острова; протоки между такими островами обычно меандрируют, способствуя дефор­ мации островов в продольном и поперечном направлениях; расчеты этих деформаций выполняют для типа руслового процесса, наблю­ даемого в том или ином рукаве русла.

При длительных паводках и кратковременной межени лишенные растительности осередки крайне подвижны: конфигурация протоков и гряд наносов резко меняется в течение одного паводка, причем скорость перемещения отдельных русловых форм достигает сотен и даже тысяч метров в год; такой подтип называется блужданием русла.

Особенно интенсивен процесс блуждания по выходе горных рек на предгорную равнину, сложенную мелкозернистыми наносами. Пойм на таких участках нет, высокие паводки занимают всю шири­ ну слабо врезанного в долину распластанного русла, называемога также зоной блуждания отдельных рукавов меженного русла. В на­ чале спада паводка крупные гряды наносов замедляют движение и создают большую неравномерность в распределении расходов, скоростей течения и глубин воды. Если стрежень потока сваливает­ ся к одной из границ зоны блуждания, невысокий суглинистый бе­ рег ікатастрофически размывается, увеличивая ширину зоны блуж­

дания. Окружающая зону блуждания равнина иногда имеет от­ метки более низкие, чем отметки русла, которое постепенно поднимается вследствие частичной аккумуляции наносов.

При прохождении паводков нарушается динамическое равно­ весие русла, так как местные скорости течения значительно больше скоростей динамического равновесия [73] для данных грунтов; паводочный поток, взвешивая мелкий аллювий, временно углубляет русло, которое по спаде паводка снова заполняется отложениями наносов. Увеличение глубины русла в паводок идет главным обра­ зом за счет саморазмыва. Саморазмыв прекращается после дости­ жения равенства Уфакт= Цціш, но это равенство может быть для ■ блуждающих русел только кратковременным, поэтому среднюю глу­ бину саморазмыва при расчетном расходе воды непосредственно промерами определить практически невозможно. Расчет деформа­ ций блуждающего русла в створе мостового перехода заключается в определении величины саморазмыва русла и наибольшей ширины зоны блуждания. Среднюю бытовую глубину русла при саморазмыве Н сам и коэффициент саморазмыва р сам определяют [16] по фор­ мулам:

В быт

где Qp% — расчетный расход заданной вероятности превышения, мг!сек\ В — ширина блуждающего русла по створу перехода, ж; d , X, ß — имеют те же значения, что и в формулах (ѴІІ-11) и (ѴІІ-12); Ябыт — средняя глубина русла при УВВР% , вычислен­ ная по живому сечению, снятому во время изысканий, ж.

Определение р сам необходимо как при перекрытии мостом всей ширины блуждающего русла, так и при стеснении его подходными насыпями (рис. ѴІІ-10, а).

Впервом случае рсам учитывают при заложении опор моста; во втором случае по нему проверяют выполнение требований СНиПа.

ВСНиПе нормируется только коэффициент общего размыва р, вызванный стеснением потока. Поэтому если блуждающее русло

стеснено подходными насыпями, то из величины р выделяют вели­ чину рсамДля этого определяют по формулам (VII-14) и (ѴІІ-15) значение р сам Для нестесненного русла; затем методами, изложен­ ными в гл. VIII, определяют общий размыв подмостового русла и значение р. Истинная величина коэффициента общего размыва риот, нормируемая СНиПом, будет

Максимальные глубины h max могут образоваться при спаде па­ водка на любой вертикали створа перехода, не зависят от Qmax и

Рис. ѴІІ-10. Деформация блуждающего русла:

а — план вариантов мостового перехода; б — профили живых сечений русла по створу перехода в теснине; в — график зависимости ftmax = f(Pa %);

/ — т р а с с а п е р е х о д а , с т е с н я ю щ е го з о н у б л у ж д а н и я ; 2 — н а п р а в л я ю щ и е п о то к д а м б ы ;- # —

связаны с увеличением местного элементарного расхода вследствие сжатия потока крупными грядами наносов. Так как эту связь в явном виде для блуждающего русла установить невозможно, то ве­ личины ftmax рассматривают как случайные и строят натурную за­ висимость hxaax = f (рэ) по измерениям за ряд лет. Если для створа перехода нет данных для построения этой зависимости, то величи­ ну /ітах принимают по аналогии со створами, где производились промеры русла на спаде паводка.

Поскольку величина h max может образоваться при любом из уровней воды, для которых производились промеры, наинизшую от­ метку дна получают, вычитая h mах из средней отметки уровня воды в ряду имеющихся промеров русла.

Процесс блуждания русел, сложенных крупным аллювием, имеет некоторые особенности. В отличие от русел, сложенных мел­ козернистым материалом, галечниковые русла более устойчивы и скорости перемещения осередков меньше. Такие русла блуждают не только по выходе реки на предгорную равнину, но ив пределах гор­ ной долины при достаточной ее ширине [34, 54]. Поперечный разрез

долины включает обычно узкую галечниковую пойменную террасу, покрытую тонким слоем наилка и закрепленную растительностью, паводочное широкое русло, врезанное в террасу на глубину 1,5— 3,0 ж, сложенное скоплениями галечника, и одно или несколько ме­ женных русел, занимающих не более 0,1—0,2 ширины паводочного русла. Иногда среди паводочного русла расположены отторженные пойменные массивы. Галечниково-валунные гряды создают ступен­ чатые профили меженных русел, расположенных на разных уров­ нях, и способствуют свалам стержня паводочного потока из одного меженного русла в другое. Свалы к пойменной террасе вызывают размыв берегов паводочного русла; вся ширина горной долины в пределах галечниковой пойменной террасы является зоной блуж­ дания паводочного русла.

Обнаженные в межень галечные гряды паводочного русла начи­ нают перемещаться при паводках ниже средних, а интенсивный раз­ мыв пойменных террас происходит при паводках вероятности пре­ вышения 5% и1менее. Скорости смещения пойменных бровок состав­ ляют десятки метров в год, а скорости перемещения гряд в паводочном русле десятки, а иногда и сотни метров в год. При уклонах и глубинах, менее критических, водная поверхность паводочного потока в галечно-валунных блуждающих руслах — бурная с резки­ ми местными перекосами; в этих условиях определение величин hmax описанными выше приемами затруднительно, поэтому вели­ чину /іщах определяют по приближенной формуле

где dmax — максимальный диаметр камней, передвигаемых потоком, ж; і — продольный уклон русла на участке определения глубины.

Максимальная ширина зоны блуждания [11] на данном участке реки может быть приближенно определена по формуле В. В. Ро­ машина:

ний паводочный расход, ж3/сек; і — продольный уклон на участ­ ке реки.

Трассу мостового перехода через реку с блуждающим руслом выбирают в наиболее узком месте зоны блуждания. Стеснение зоны блуждания подходными насыпями возможно при условии соору­ жения дамб, направляющих воду и гряды наносов и постепенно су­ жающих поток от ширины Взоны до ширины отверстия моста (см. рис. V II-10, а ) .

Даже при перекрытии мостом всей ширины В30Ны в суженных местах блуждающие русла резко меняют во время паводка форму живых сечений и глубины воды. Поэтому все опоры моста должны

быть заложены на одинаковой глубине, определяемой, если нет других условий, наибольшей глубиной размыва подмостового русла.

Пример расчета. Створ мостового перехода через реку с блуждающим руслом намечен в теснине шириной 978 ж, полностью перекрываемой отверстием моста- (см. рис. ѴІІ-10, а).

Стеснение потока опорами моста пренебрежимо мало, поэтому коэффициент общего размыва принят р » 1 . Вблизи створа перехода действует водомерный пост, на котором ведут наблюдения за уровнями и расходами воды; средний диа­ метр донных отложений d « 0,001 ж. Расчетный расход Qi% =9550 м3/сек.

На рис. ѴІІ-10, б видна большая интенсивность руслового процесса: только за период с 3 мая по 29 июля 1967 г. при расходах воды ниже средних русло совершенно изменило форму живого сечения, у левого берега образовались боль­ шие глубины и сползшим осередком закрылся мощный рукав правого берега. Из данных наблюдений видно, что наибольшие глубины не соответствуют наибольшим расходам воды. Так, например, в паводок 1957 г. наибольшую глубину 9,2 ж на­ блюдали 20 июля при расходе 3830 м3/сек, а при Qmax=4800 м3/сек, проходившем

Характер руслового процесса на конусах выноса в устьях гор­ ных водотоков зависит от режима стока воды и наносов, а также от рельефа устьевого участка водотока.

По русловому процессу конуса выноса можно разделить на два типа:

1) вся поверхность конуса является действующей; паводочный поток, растекаясь по конусу, откладывает наносы и постепенно на­ ращивает его; русловой процесс заключается в перемещении по всему конусу сети мелких русел, меняющих свои очертания с каж­ дым паводком;

2) на конусе имеется четко выраженное-русло или зона блуж­ дания русла, .занимающая часть поверхности конуса; русловой про­ цесс заключается в движении побочней и осередков в глубоко вре­ занном русле или типичном блуждании русла в пределах активной зоны конуса; остальная часть конуса является недействующей или

ственных изменений в его рельефе.

Прогнозирование руслового процесса на конусах первого типа состоит в определении темпов наращивания отметок поверхности