книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки
..pdfконуса. Интенсивность отложения наносов можно установить по эксплуатационным данным на транспортных и гидротехнических сооружениях, расположенных в районе конуса, или определить спе циальным расчетом [18, 127, 149].
Прогнозирование руслового процесса на конусах выноса второго типа выполняют согласно рекомендациям, приведенным в начале настоящего параграфа или по § 30, в зависимости от характера русловых мезоформ.
Следует также иметь в виду, что на конусах этого типа имеется общая тенденция врезания русловой зоны в тело конуса и выработ ки вогнутого профиля равновесия. Кроме этой необратимой дефор мации, могут наблюдаться на селевых потоках периодические за полнения врезанного русла селевыми отложениями, которые затем снова размываются водным потоком в период между прохождени ем селей.
Все эти особенности руслового процесса на конусах выноса учи тывают при проектировании, соответственно давая запас в подмос товых габаритах на конусах выноса первого типа и в фундировании опор моста на конусах второго типа.
§ 33. НАРУШЕНИЯ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА ИНЖЕНЕРНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ.
РУСЛОВОЙ п р о ц е с с в к а н а л а х
Течение руслового процесса нарушается воздействием гидротех нических сооружений (ГЭС, водозаборов, обвалований пойм и др.), возводимых на реках для различных хозяйственных целей. Расчет этого воздействия входит в обязанности организаций, проектирую щих гидротехнические сооружения; поэтому при расположении мос товых переходов вблизи существующих или проектируемых со оружений все сведения об изменении бытовых русловых условии получают в соответствующих организациях.
Характеристика явлений, которые придется учитывать проекти ровщикам мостовых переходов, приводится ниже.
Наибольшее влияние на русловой процесс оказывают плотины ГЭС. Для верхнего бьефа водохранилища характерны следующие явления.
В зоне выклинивания подпора вследствие уменьшения скоростей течения в русле откладываются наносы, и однорукавное русло рас пластывается и превращается в многорукавное. Такие же русла об разуются на устьевых участках притоков, впадающих в зоне вы клинивания подпора.
Если притоки, впадающие на протяжении зоны выклинивания подпора, несли в бытовом состоянии много наносов, задержанных подпором в устьевых участках, то в основной реке вместо распла стывания может произойти углубление русла вследствие наруше ния баланса наносов.
В зоне выклинивания подпора может наблюдаться более частое, чем в бытовых условиях, затопление пойм, что приведет к образо ванию или усилению работы пойменных проток.
В зоне чаши водохранилища, включая подпертые НПУ участки притоков, происходит отложение взвешенных наносов, а также ос тановка сползающих гряд донных наносов. Следует учитывать, что отложенные в устьях притоков наносы во время прохождения па водков в условиях сработки водохранилища могут размываться, а затем вновь накапливаться с наполнением водохранилища.
На реках, несущих много наносов, чаша водохранилища может быть в короткие сроки заполнена отложениями наносов. При этом в зоне выклинивания подпора произойдет резкое повышение дна и уровней воды, что повлияет на назначение высоты пойменной насы пи и подмостового габарита, если мостовой переход будет располо жен в этой зоне.
По данным Гидропроекта1, отметки дна и водной поверхности р. Евфрат в зоне выклинивания подпора после 10 лет эксплуатации водохранилища повысились до ~ 5 ,0 м.
Ветровые волны разрушают берега водохранилища, причем сме щение береговой линии достигает десятков метров в год. Перефор мирование берегов происходит до тех пор, пока не образуется при брежная отмель, уклон которой будет достаточно пологим для пол ного разрушения набегающих волн. Расчеты переформирований бе
регов под воздействием ветровых |
волн выполняют по |
методике |
|
Н. Е. Кондратьева [62]. |
|
|
|
Переформирование берегов р. Сырдарьи ів пределах |
Кара |
||
кумского водохранилища определило положение трассы на |
ряде |
||
участков железнодорожной линии Ленинабад — Мельниково. |
|
||
Для нижнего бьефа водохранилища характерны следующие яв |
|||
ления. |
непосредственно за |
выходной |
|
Происходят деформации русла |
|||
кромкой рисбермы в виде глубоких воронкообразных |
размывов, |
||
возникающих вследствие повышенных скоростей. |
|
|
Регулирование водного стока водохранилищем и задержка рус лоформирующих наносов, которые перестают поступать в нижний бьеф, вызывают понижение дна русла на протяжении десятков и даже сотен километров.
Протяженность этих деформаций зависит от наличия и мощно сти притоков, восполняющих дефицит донных наносов ниже плотин. В нижних бьефах крупных гидроузлов главное русло обычно углуб ляется и вследствие уменьшения затопления пойм отмирают пой менные протоки.
Возможное понижение дна необходимо учитывать при фундиро вании опор моста.
Если врезание русла ограничено базальным слоем неразмываемых грунтов, то на участке нижнего бьефа увеличиваются плано вые деформации, русло интенсивно развивает свои излучины.
В нижних бьефах следует ожидать понижения базисов эрозии притоков. Это понижение произойдет не только вследствие указанно-
* Труды Гидропроекта. Сборник двенадцатый. М. — Л. Изд |
«Энергия», |
1964, с. 283. |
|
го общего понижения дна реки, но также вследствие сопряжения паводочных уровней на притоках с более низкими, чем бытовые, уровнями главной реки. При этом во время паводка увеличиваются уклоны водной поверхности и скорости течения, что вызывает интен сивный размыв дна и берегов реки. Такое явление нами наблюда лось, например, в устье р. Сок, левобережном притоке Волги, после постройки Куйбышевской ГЭС.
Изъятие из реки больших объемов стока на орошение замедляет русловой процесс и может изменить тип его. Так, например, умень шение водной части стока в блуждающем русле может вызвать ос тановку движения гряд — осередков, закрепление их раститель ностью, исчезновение рукавов — и привести к меандрированию глав ного русла; возможно также постепенное повышение дна реки ниже водозабора, что необходимо учитывать при расчете УВВР% .
Разработка гравийных карьеров в русле реки на перекатах мо жет разрушить местные базисы эрозии и привести к изменению хода руслового процесса, в частности, к обмелению вышележащих участков русла и к понижению дна на нижележащих участках.
Влияние на ход руслового процесса оказывает обвалование час ти пойм, занимаемых под промышленные объекты. Такое обвало вание в большей степени сказывается при незавершенном меандрировании и пойменной многорукавности, так как эти типы руслового процесса связаны с частым затоплением пойм. Выключение части поймы, активно работающей в паводки, приводит к концентрации расхода воды на необвалованной части, что ускорит образование спрямляющих проток и деформацию вогнутых берегов главного русла.
Спрямление меандрирующих русел на большом протяжении (связанное часто с обвалованием пойм) вначале приводит к смене типа руслового процесса, так как по спрямленному руслу начина ют двигаться ленточные гряды наносов или побочни. Если берега спрямленного русла не укреплены, то с течением времени русло сно ва начнет меандрировать, так как в данных условиях жидкой и твердой фаз стока этот тип соответствует динамическому равнове сию русла.
Как указывает И. В. Попов [105], речные поймы, существующие века как устойчивые морфологические образования, могут быстро разрушаться даже от незначительных воздействий на их рельеф и растительный покров. Известны случаи, когда нарушение дернового слоя при строительстве объектов на поймах приводило к образо ванию мощных проток и размывам пойменных массивов. Особенно внимательно надо относиться во время строительства к сохранно сти береговых валов на перешейках между вогнутыми берегами смежных излучин русла.
Как отмечалось в § 29, сооружения мостовых переходов могут вызвать локальные деформации русла или приостановить развитие макроформы.
Можно выделить три типичных случая локальных нарушений руслового процесса, которые мы наблюдаем на эксплуатируемых
Рис. ѴІІ-11. Примеры влияния мо стового перехода на русловой про цесс:
а — план мостового перехода с за крепленными берегами свободно меандрирующего русла:
1 — су щ е ст ву ю щ и й ж е л е зн о д о р о ж н ы й п у т ь ; 2 — п р о ек ти р у ем ы й втор о й ж е л е з н о д о р о ж н ы й п у т ь ; 3 — у к р е п л е н и е в о гн у т ы х б е р е го в м е а н д р о в ; 4 — п р о ек ти р у ем ы й в а р и а н т сп р я м л е н и я и зл у ч и н ы
р у с л а ;
б — план мостового перехода с от верстием, размещенным без учета мощности пойм:
j — ст р у е н а п р а в л я ю щ и е д а м б ы ; 2 — п о л о ж е н и е р у с л а при п о стр о й к е м о с т а ; 3 — то ж е п о сл е п р о х о д а п а в о д к а ;
в — план русла при недостаточном отверстии моста:
/ — ст р у е н а п р а в л я ю щ и е д а м б ы : 2 — б ы т о в о е р у с л о ; 3 — и з о б а т ы р а з м ы т о го р у сл а
мостовых переходах при их реконструкции или проектировании вто рых путей.
Первые два случая относятся к меандрирующим руслам, а тре тий может относиться также ко всем остальным типам русел, кро ме блуждающего осередкового.
Существующие мостовые переходы на реках с блуждающим рус лом не дают сколько-нибудь определенной картины их влияния на крайне изменчивые мезоформы.
На рис. ѴІІ-11, а представлена схема существующего и проек тируемого под второй путь железнодорожных мостовых переходов через свободно меандрирующую реку. Одна излучина русла в своем
развитии прижалась к левобережной струенаправляющей дамбе, сохранность которой была обеспечена укреплением левого берега. Вторая излучина с низовой стороны подошла настолько близко к полотну дороги, что при проектировании второго пути предусмотре но укрепление левого берега и рассмотрен вариант спрямления русла. Таким образом, на участке мостового перехода произошли необратимые изменения естественного хода руслового процесса — остановлено развитие двух излучин, что повлияет на скорость раз вития смежных излучин.
На рис. ѴІІ-11, б показана схема мостового перехода с непра вильно размещенным отверстием моста, развитым в сторону правой, меньшей поймы, пропускающей 29% расчетного расхода. При по стройке моста пологая излучина русла была расположена у левобережной струенаправляющей дамбы; которая должна была обес печить слив в отверстие моста вод левой поймы, пропускающей 55% расчетного расхода. В паводок, близкий к расчетному, мощный по ток левой поймы отодвинул русло к середине отверстия моста. Про исшедшее выправление русла потоком левой поймы нельзя считать положительным результатом работы струенаправляющей дамбы, по скольку смещение русла сопровождалось сильным размывом, глу бина которого не была предусмотрена при фундировании опор моста. Происшедшая деформация русла является обратимой, так как при низких паводках ход естественного процесса не будет на рушаться и русло может вернуться в первоначальное положение.
Когда мост имеет отверстие, недостаточное для пропуска рас четного расхода, русло на участке перехода сильно размывается и по ширине занимает все отверстие; при этом обычно образуются две ямы размыва — перед мостом и несколько ниже его, как это изобра жено на рис. ѴІІ-11, в. Эта деформация русла необратима, но она не изменяет течение руслового процесса выше и ниже перехода.
В практике проектирования нередки случаи мостовых перехо дов через искусственные неукрепленные русла—-каналы. В буду щем, с осуществлением новых оросительных систем и перебросок речного стока на значительные расстояния, такие случаи будут встречаться еще чаще. Поэтому необходимо иметь представление о возможных деформациях таких русел.
Если течение воды в неукрепленном канале происходит со ско ростью большей, чем неразмыівающая, то появляется русловой про цесс. Тип его зависит от гидравлических характеристик канала, со отношения жидкой и твердой фаз стока и геологического строения местности, в которой проложен канал.
По исследованиям Л. И. Викуловой, каналы в песчаных грунтах при скорости течения, большей неразмывающей, расширяются и ме леют, а каналы в связных грунтах расширяются и углубляются. Оба эти явления необходимо учитывать при назначении отверстия мос та и фундирования его опор. Поучительный пример последствий неучета деформации канала приводят Ю. А. Ибад-Заде и Р. И. Са медов [33] по искусственным руслам для сброса вод рек Гирдыманчай и Ахсучай в Азербайджане.
Дно этих каналов, .проложенных в глинистых грунтах, за шесть лет (1962— 1968 гг.) понизилось настолько, что были разрушены
два автодорожных моста.
Переброска речного стока на значительные расстояния может осуществляться путем устройства пионерного канала, рассчитан
ного на саморазмыв.
Такие каналы с течением времени превращаются в искусствен ные реки с тем или иным типом руслового процесса. Вид небольшой реки е блуждающим руслом имеют, например, некоторые древние арыки в Узбекистане.
Расчеты деформаций неукрепленных русел каналов выполняют по методике Л. И. Викуловой (см. упомянутый выше двенадцатый сборник трудов Гидропроекта) или по В. С. Алтунину [2].
Г л а в а VIII. НАЗНАЧЕНИЕ ОТВЕРСТИИ МОСТОВ
§ 34. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Выбор отверстия моста является одной из важнейших задач при проектировании мостового перехода.
Первоначально решается вопрос о размещении отверстий водо пропускных сооружений на данном водотоке. Нормативами тре буется, как правило, на мостовом переходе проектировать одно водопропускное отверстие. Устройство дополнительных водопропуск ных сооружений на пойме должно быть обосновано гидравличе скими и экономическими расчетами. Это требование является результатом больших размывов пойменных мостов, которые проек тировали без соответствующего расчета. В настоящее время разра ботаны надежные методы проектирования групповых сооружений, которые в необходимых случаях позволяют обоснованно назначать их отверстия.
Устройство дополнительных сооружений на пойме возможно на протоке или на водотоке, расположенном в общей пойме с основ ной рекой.
В последнем случае отвод водотока в русло пересекаемой реки является обычно более целесообразным, чем устройство дополни тельного отверстия. Однако это не всегда возможно, как например, на переходе р. Сакмары, где отвод небольшого водотока в пойме не мог быть запроектирован, потому что служил для водоснабже ния близлежащих хозяйств. В связи с этим было принято решение об устройстве двух отверстий на переходе.
При наличии экономической целесообразности водоток в пойме может быть отделен от потока пересекаемой реки водоразделитель ной дамбой, которая должна быть запроектирована достаточно на дежно, так как размыв ее вызовет тяжелые последствия. Так, на пе реходе через р. Илек в высокий паводок 1941 г. размыв водоразде
лительной дамбы вызвал полное разрушение пойменного моста и длительный перерыв движения поездов.
При выборе отверстия моста должны быть выполнены норматив ные требования, учтены условия пропуска паводков, судов и пло тов под мостом, условия затопления местности выше мостового пе рехода за счет подпора перед мостом. Помимо учета всех этих обстоятельств при выборе отверстия моста сравнивают варианты и выбирают экономически оправданное отверстие.
Для сокращения отверстия моста допускается устройство срез ки, увеличивающей площадь живого сечения под мостом. Отвер стие принимают с учетом последующего размыва подмостового русла. Коэффициент общего -размыва Р определяют как отношение площади под мостом после размыва соПр -к той же площади до раз-
М Ы В Я СОдр!
Я = — Е_. |
(¥ Ш -1) |
(Одр |
|
Допускаемые значения коэффициентов размыва при пропуске расчетного расхода установлены нормами !. Эти значения выбраны по условиям обеспечения нормальных условий эксплуатации мос тового перехода. Исследование показывает, что эти коэффициенты выше экономически наивыгоднейших и поэтому -нормы не препят ствуют выбору наиболее выгодных отверстий.
Допускаемые значения коэффициентов -размыва Рдоп в зависи мости от удельного расхода qo в отверстии, рассчитанном без раз мыва и срезки, приведены ниже:
Яо |
|
|
р |
Яй |
|
Р ят |
|
|
|
г доп |
|
||||
До |
2 . |
. . . . . . . |
2,20 |
До |
1 0 ........................... |
. . |
1,40 |
» |
3 .................. |
. . . . |
2,10 « |
» |
1 5 ........................... |
. . |
1,30 |
» |
5 ................. |
. . . . |
1,70 |
|
20 и более . . |
. . . |
1,25 |
Значение qo в данном случае может быть определено лишь при ближенно. Исходя из предположения об установлении под мостом после размыва бытовой скорости русла значение qo приближенно можно определить по формуле
OLHQP |
|
(VI11-2) |
<7о |
|
|
OH ~f- АО (1 Он) |
|
|
где qр — элементарный расход в русле, получаемый |
как |
QP |
qv = — |
||
|
|
-ßp |
(QP — русловая часть расчетного расхода, ß p — ширина русла). |
||
он = —-, где Я п — средняя глубина в пределах пойменной час- |
||
Яр |
Qn |
где Qn — |
ти отверстия, Я р — средняя глубина в русле. Яо = |
|
|
пойменная часть расчетного расхода, Q — расчетный |
расход.1 |
1 См. Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб. СН 200-62. М., Трансжелдориздат, 1962.
Если известно отверстие моста 1\ при коэффициенте размывй
Q
Pj, то qо может быть приближенно определено как qQ=
ІіРі
Величины срезки под мостом для обеспечения нормальной ее работы не должны превышать 25% от площади живого сечения под мостом после размыва.
При варьировании отверстия моста задаются различными зна чениями коэффициента размыва от і3— 1,0 до Р = Р Дол и соответст вующими площадями срезки.
Отверстия мостов рассчитывают на пропуск расходов вероят ностью превышения 1 или 2 % в зависимости от категории дороги. Отверстия железнодорожных мостов, кроме того, рассчитывают на пропуск наибольшего расхода вероятностью превышения 0,33%.
Современные методы расчета деформаций подмостовых русел, а также определение наибольшей скорости под мостом и подпора перед ним основаны на учете реальных условий прохождения па водков, когда с течением времени изменяются расходы и уровни. В связи с этим нормативы для проектирования мостовых перехо дов, предусматривающие расчеты на постоянную величину расхо да, должны быть пересмотрены и отнесены к вероятностям расчет ного и наибольшего паводков.
При расчете деформаций подмостовых русел следует учиты вать, помимо общего размыва от стеснения водотока подходами к мосту, и местные деформации у опор моста и струенаправляющих дамб, которые также изменяются от степени стеснения водотока.
При расчете этих деформаций следует учитывать несовпадение их максимумов во времени. Так, например, общий размыв подмо стового русла обычно достигает максимальной величины на спаде паводка, а местный размыв у опор мостов — на пике паводка. Сов ременный метод расчета общего размыва позволяет учитывать это несовпадение (см. § 36).
Деформации подмостовых русел протекают на фоне естествен ного руслового процесса пересекаемой реки, который совместно с деформациями, вызванными сооружениями мостового перехода, формирует подмостовое русло. Поскольку год прохождения расчет ного паводка неизвестен, неизвестно также, с какой фазой русло вого процесса будет он совпадать.
Поэтому расчет деформаций от сооружений мостового перехода целесообразно выполнять для наиневыгоднейшего живого сечения, образовавшегося в результате естественного переформирования русла.
В некоторых случаях при выборе отверстия моста и проектиро вании мостового перехода следует учитывать особые условия ре жима водотока: наличие нагонных ветров, подпорных явлений, вызванных заторами, подпор от другой реки, гидротехнические со оружения и др. При этих условиях максимальные значения расхо дов не совпадают с максимальными значениями уровней и расчет ные значения уровней заданной вероятности превышения опреде
ляют по ряду наблюдений независимо от расходов. Ряд же расходов обрабатывают отдельно.
Нормативами требуется устройство на мостовых переходах че рез реки в необходимых случаях струенаправляющих дамб, рабо та которых при данном размещении отверстия моста и срезке под мостом должна обеспечить наиболее благоприятное распределение деформаций под мостом.
При .проектировании мостового перехода и особенно при выбо ре отверстия моста следует учитывать опыт работы существующих мостов вблизи проектируемого. С этой щелью должен быть собран материал, характеризующий работу мостов по пропуску паводков: профили живых сечений под мостом, выше и ниже его, промеры глубин у опор, в головных частях струенаправляющих дамб и др.
Все данные по изысканиям и проектированию мостового пере хода должны быть собраны и оформлены в стадии технического проекта.
В состав материалов изысканий, включаемых в технический проект, входят планы района мостового перехода и материалы по выбору места перехода, профили морфостворов, итоговые материа лы гидрометрических наблюдений, гидрологические расчеты е вы водами значений расчетных гидрологических данных, а также ма териалы согласования трассы перехода, подмостовых габаритов и схемы моста с судоходными и сплавными организациями.
В состав материалов по проектированию мостового перехода входят обоснования выбора отверстия моста, расчеты деформаций подмостового русла, расчеты струенаправляющих дамб и других регуляционных сооружений и их проекты.
По произведенным расчетам должна быть составлена поясни тельная записка.
§35. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ МОСТА
Впроекте перехода важнейшей частью является мост как по значимости, так и по затратам, составляющим обычно 70—50% от стоимости перехода. Предварительно схему моста составляют, учитывая общую ситуацию, расчет размыва и подпора, положение уровней, геологические условия, требования судоходства, располо жение моста в профиле и плане. Кроме того, ізная режим реки и другие условия, определяют отметки строительной площадки по селка, складов, расположение подъездных путей.
Автор проекта учитывает предварительные рекомендации и мо жет изменить схему моста. Он проверяет расчет общего размыва, основные гидравлические элементы, геологические материалы и со ставляет проект моста и других сооружений, проект производства работ.
На указанный выше комплекс расчетов имеются специальные правила, инструкции, указания. Поэтому далее остановимся толь ко на некоторых моментах работы.
При расположении судоходных пролетов моста следует руко водствоваться НСП 103-52. Отнесение реки к судоходной катего-
Рис. ѴІІІ-1. Проект вантового моста с пролетом 300 м через Днепр у Киева
рии производится Министерством речного флота. Следует требо вать обоснования этого отнесения, так как имеются примеры за вышенных требований. Следует обязательно выполнять требование на установку в фарватере реки двух судоходных пролетов или за меняющего их одного большого пролета. В -большинстве случаев положение их на профиле ясно, «о на меандрирующих реках и когда мост перекрывает часть поймы удержать русло -в двух про летах может потребовать больших и иногда бесполезных затрат. Поэтому приходится устанавливать в этих случаях три — пять рав ных судоходных пролета.
Порядок установления судоходного уровня подлежит обсужде нию. Практически на огромном большинстве рек судоходство на чинается, когда уровень воды совпадает с уровнем бровок русла, который возможно и следует принимать за расчетный судоходный.
Основным материалом для моста являются сталь и железобе тон. Дерево может применяться в виде заводских ферм (клееных
идр.) на второстепенных линиях, при этом на постоянных опорах.
Влесных районах могут применяться небольшие балочные мосты из антисептированной древесины.
Величина пролетов зависит от материалов и метода производ ства работ. Пролеты висячих стальных мостов достигли 1320 м. Проектируется пролет 1800 м через Мессинский пролив. Через Рейн у Кельна построен оригинальный вантовый мост с пролетом 310 м.
Такой же мост построен через Дунай у Братиславы и строится через Днепр у Киева (рис. Ѵ ІІІ-1). Большой мост из железобетона построен через Волгу у Саратова длиной 3 км с ездой поверху, со средними пролетами 160 м, через Енисей у Красноярска с проле тами 140 м.
Наименьшие затраты на мосты в комплексе должны быть взя ты за основу принятия решений. Практика показала, что большие пролеты из железобетона обходятся на 30—50% дороже, чем ме таллические или сталежелезобетонные, экономия металла при этом незначительна или ее нет.
Мосты сооружения утилитарные, тем не менее мост и в особен ности большой является в известной степени памятником, характе ризующим уровень индустриализации страны, общей культуры. Пример невыразительной схемы моста показан на рис. ѴІІІ-2. По общей схеме мост запроектирован как разводной. Конструкция больших пролетов с подвесками, которые просматриваются как стойки.