книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

При свободном режиме протекания глубину под мостом прини­ мают равной критической и формула (ХѴ-40) для определения подпертой глубины приобретает вид:

а) для прямоугольного подмостового сечения

из выражения критической функции, при несвободном режиме про­ текания скорость определяют путем деления расхода на площадь живого сечения под мостом.

Согласно техническим условиям (СН 200-62) бровка земля­ ного полотна должна возвышаться не менее чем на 0,5 м над под­ пертым уровнем, образующемся при пропуске наибольшего расхо­ да для железнодорожных водопропускных сооружений и расчетно­ го расхода'—'Для автодорожных.

По исследованиям Л. Л. Лиштвана и С. М. Быханова [76], еди­ ная норма запаса в возвышении бровки полотна над уровнем воды в ряде случаев не компенсирует возможные ошибки в расходе и уровне воды, а в некоторых случаях запас этот излишен. В новых Технических условиях необходимо ввести дифференцированную норму запаса возвышения бровки полотна «ад подпертым уровнем воды с учетом вероятной ошибки и размеров аккумуляции воды перед сооружением.

Завершающим этапом гидравлических расчетов малых водо­ пропускных сооружений является расчет размыва на выходах из них.

Размыв рекомендуется рассчитывать по методике, разработан­ ной в 1968— 1969 гг. на основе экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в ЦНИИСе, Г. Я- Волченковым [27, 28, 29, 87].

Особенностью методики ЦНИИСа является учет реальной про­ должительности паводка: расчет ведется не на предельную глуби­ ну размыва, достигаемую лишь при неограниченном во времени прохождении пиковых расходов, а на расчетный и наибольший паводки, характеризуемые определенными гидрографами.

Максимальные ординаты этих гидрографов равны расчетному и наибольшему расходам, имеющим вероятность превышения, пре­ дусмотренную нормами.

Приближенно расчет размыва по гидрографу паводка заме­ няется расчетом размыва во времени при постоянном пиковом рас­ ходе, время которого принимают равным lU продолжительности подъема и спада паводка плюс время стояния его пика.

Рис. XV-16. Типы выходных русел:

ков, длина укрепления, грунт и ширина выходного лога, влияние подтопления со стороны нижнего бьефа.

Разработана методика расчета размыва в выходных руслах с каменной наброской, основанная на исследованиях размыва в не­ однородных грунтах, выполненных в ЦНИИСе В. Ш. Цыпиным [15].

Расчет размыва начинают с определения продолжительности расчетного и наибольшего паводков в соответствии с указаниями «Инструкции по расчету стока с малых бассейнов» (ВСН 63-67), по

русел, под которыми понимается комплекс устройств, находящих­ ся за выходными оголовками, относят к одному из обобщенных ти­

Максимальную глубину размыва в выходных руслах без ка­

hg=\,5hK— эталонная глубина потока; /інб — глубина воды в нижнем бьефе; при отсутствии подтопления нижнего бьефа и уклонах лога іл<0,01 Анб определяют как бытовую глубину в логе из уравнения Шези.

При сочетании подтопления и узкого лога учитывают только

hÿ

ном случае учитывают подтопление.

Предельная глубина размыва является параметром для расче­ та размыва и соответствует условиям стабилизации процесса раз­ мыва. Она может быть достигнута лишь при неограниченном во времени прохождении пиковых расходов.

Предельную глубину размыва в широких логах (кл = 1) для вы­ ходных русел без каменной наброски определяют по формуле

0,2

(ХѴ-51)

где D3 (см. выше), ф — коэффициент, принимаемый равным 1 для укреплений с предохранительным откосом и 0,6 — при отсутст­ вии предохранительного откоса или вертикальном уступе в кон­ це укрепления; L — длина укрепления, отсчитываемая от подош­ вы насыпи; для выходного русла типа 1 принимают L = 0; b — отверстие сооружения, принимаемое для прямоугольных труб равным ширине трубы; для мостов с вертикальными стенками расстоянию между устоями или средней ширине потока под мостом для непрямоугольных подмостовых сечений; для круг­ лых труб — диаметру; Ьр — ширина сечения для труб в конце оголовка, для мостов и труб с портальными оголовками в конце конусов; d — средний диаметр частиц грунта; для связного грунта в условиях бурного потока и малых глубин определяют эквивалентный диаметр по формуле <4= 4,5 (0,15 + СР), где Ср— расчетное сцепление, т]м2. '■

Если глубина размыва при наличии наброски А/іт ах(н) окажется больше глубины размыва, подсчитанной без нее, то к расчету при­ нимают A/lmax.

Необходимость таких детальных расчетов вызвана частыми размывами, наблюдаемыми в нижних бьефах сооружений, если укрепления отсутствуют или выполняются без надлежащего обос­ нования их размеров (рис. ХѴ-16).

После выполнения всего комплекса расчетов по всем сооруже­ ниям на различных по рельефу участках линии производится тех­ нико-экономическое сравнение вариантов сооружений и выбира­ ются наиболее рациональные из них. Некоторая громоздкость рас­ четов по формулам (ХѴ-28—56) несомненно потребует разработки программы расчета на ЭВМ, причем такая программа должна включать и выбор рационального решения.

§ 71. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ РАСЧЕТА ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИИ

Фильтрующие насыпи. Фильтрующие водопропускные соору­ жения в дорожном строительстве у нас применялись сравнительно давно — с 80 — 90-х годов прошлого века. Это были преимущест­ венно временные сооружения, возводившиеся без расчета. В же­ лезнодорожном строительстве фильтрующая насыпь как постоян­ ное сооружение была впервые возведена в 1915 г. через Кандалакш­ скую губу Белого моря на Мурманской ж. д. Затем начиная с 1927 г. фильтрующие насыпи через малые водотоки применялись на Турксибе, Мурманской ж. д., на железной дороге Москва — Донбасс и др. В современной литературе этот вопрос освещен не­ достаточно, поэтому он излагается здесь более подробно.

Развивая исследования С. В. Избаша и Н. П. Пузыревского по фильтрации воды в крупнообломочном материале, М. Ф. Срибный [124] в 1932— 1933 гг. разработал методику расчета фильтрующих водопропускных сооружений под дорожными насыпями, которой проектировщики пользуются до настоящего времени. Методикой предусматриваются два режима гидравлической работы соору­ жения:

1 — режим равномерной турбулентной фильтрации, когда фильтрующая прослойка в земляном полотне работает полным жи­ вым сечением под напором; 2 — режим неравномерной турбулент­ ной фильтрации, когда фильтрующая прослойка пропускает поток со свободной поверхностью по кривой депрессии.

Ввиду затруднительности обеспечить надежную изоляцию круп­ нообломочного фильтрующего слоя и плотное сопряжение его с грунтом насыпи первый (напорный) режим применять не рекомен­ дуется.

1

Рис. ХѴ-18. Фильтрующая насыпь:

а — поперечный разрез; 6 — поодольный профиль;

1 — камень; 2 — изоляционный слой; 3 — кривая депрессии

Поэтому ниже рассматривается расчет только безнапорных фильтрующих насыпей (рис. ХѴ-18). Поперечное сечение фильтру­ ющей части насыпи обычно принимают в виде прямоугольника или трапеции, влиянием уклона лога и глубины воды в нижнем бьефе пренебрегают. Для этих условий М. Ф. Срибный дает следующие формулы, из которых, зная расчетный расход Q (м5/сек) и длину пути фильтрации 5ф (м), равную длине фильтрующей части по логу, определяют глубину воды в верхнем бьефе сооружения hi или ширину фильтрующей части /ф, м (фильтрационное отверстие) в зависимости от того, чем удобнее задаться — /ф или йр

3,

(ХѴ-57)

(ХѴ-58)

В обе формулы входит коэффициент турбулентной фильтрации Кф (м/сек), значения которого даны в табл. ХѴ-7 гв зависимости от крупности и формы камней в фильтрующей части насыпи.

М. Ф. Срибный [124] указывал, что предложенная им шкала Кф обоснована опытными данными до диаметра камня 26 см, и полагал необходимым ее уточнение для более крупных фракций. Однако до настоящего времени таких уточнений произведено не было.

Для того чтобы определить размеры фильтрующей части на­ сыпи вдоль потока, а также для определения глубины воды и ско-

рости течения в нижнем бьефе, необходимо построить кривую деп­ рессии потока в теле фильтрующей насыпи. Это построение произ­

Для безнапорных фильтрующих насыпей производят проверку устойчивости основания насыпи под воздействием ламинарной и турбулентной фильтрации. На ламинарную фильтрацию проверяет­

ся отношение 5ф hi

быть не менее б для основания из мелких песков и не менее 3 для галечного основания. Проверку устойчивости основания на турбу­ лентную фильтрацию производят по условию Ѵф< цгіер, где Ѵф — ско­ рость течения в фильтрующей насыпи, ѵнер — неразмывающая ско­ рость для данного грунта.

Фильтрующие насыпи рассчитывают в запас прочности без уче­ та аккумуляции. Камень фильтрующей части должен быть крепких пород и по возможности одних размеров; мелкие фракции в отсып­ ку не допускаются. Конструкция сооружения видна из рис. ХѴ-18. Перед входом вокруг фильтрующей насыпи устраивают плетневые заграждения или в виде вала из камней для задержания возмож­ ных наносов, плывущих ветвей. Как показали сравнительные под­ счеты, применение фильтрующих насыпей (при наличии на месте камня) эффективно при Qmах^З —4 мг!сек, когда они могут заме­ нить круглые железобетонные трубы отверстием 1,00—1,25 м. Обычно вопрос об устройстве фильтрующей насыпи встает, когда расход воды меньше расхода, пропускаемого трубой минимального размера при безнапорном режиме.

Пример расчета. Железнодорожная линия пересекает слабо выраженный ши­ рокий задернованный лог. Бассейн залесен, наносов практически нет. Высота на­

Принимаем /ф = 9,0 м и по формуле (ХѴ-57) находим

Глубину воды на выходе из фильтрующей насыпи /гВЫх на расстоянии 5 В ы х» 14,0 м определяем по формуле (ХѴ-59)

Скорость течения на выходе

скорость не может размыть задернованную поверхность лога, поэтому укрепле­ ния нижнего бьефа не требуется. Высоту фильтрующей части насыпи на входе принимаем Й!+0 ,5 « 2 ,0 0 м, а на выходе /гВых + 0 ,5 « 1,25 м\ высоту в промежуточ­ ной части назначают по кривой депрессии (см. рис. XV-18).

Переливаемые насыпи и броды. Гидравлический расчет перели­ ваемых насыпей должен решить следующие задачи; 1) установить отметки уровней воды в верхнем и нижнем бьефах при пропуске расчетного расхода (или части его, если перелив допускается одно­ временно с работой водопропускного отверстия); 2) определить удельный расход на участке перелива; 3) определить скорости те­ чения на переливе; 4) определить наивыгоднейшее по размыву сопряжение верхнего и нижнего бьефов и установить размеры укрепления.

Методика расчета переливаемых насыпей разработана в Союздорпроекте, Союздорнии и МАДИ ‘.

Броды являются частым случаем переливаемых насыпей при высоте их, близкой к нулю. Для приближенных расчетов бродов в простых случаях можно пользоваться приведенными ниже реко­ мендациями.

Как указывалось в гл. XIII, глубина затопления брода ограни­ чена йбр = 30-4-40 см в пониженной его части. Если продольный профиль брода очерчен в вертикальной плоскости по круговой кри-

' П е т р о в Н. А., К о н с т а н т и н о в Н. М. Расчет пропуска паводка че­ рез насыпь автомобильных дорог. Труды кафедры гидравлики МАДИ, сб. № 1. М., 1970, с. 156—170.

вой радиусом г, то площадь живого сечения брода определяют [117] по формуле

увеличить нельзя, то для увеличения пропускной способности брода меняют радиус г или устраивают прямую вставку (см. рис. ХІІІ-7), тогда площадь собр подсчитывают по составляющим элементам. После принятия окончательного продольного профиля брода опре­ деляют ширину разлива при пропуске QeP.

Горные потоки, пропускаемые через броды, часто откладывают наносы на лотке брода при спаде паводка; поэтому в таких усло­ виях необходима периодическая расчистка лотков.

За укрепленным лотком брода в нижнем бьефе происходит раз­ мыв грунта. Глубину этого размыва, определяющую размеры не­ обходимого укрепления (см. рис. ХІІІ-7), Б. Ф. Перевозников пред­ ложил рассчитывать как размывы при сливе воды с уступа.

Расчет отверстий лотков селедуков производят как расчет быст­ ротоков согласно указаниям [117]. При этом скорости течения на всех участках селедука должны быть достаточны для свободного пе­ ремещения камней наибольшей крупности, какая может встретить­ ся на данном селевом водотоке.

В § 60 рассматривался случай, когда малые искусственные со­ оружения (мосты) расположены в пойме реки и работают не толь­ ко на пропуск стока с собственного бассейна, но на вход и выход пойменной воды. Так же будут работать сооружения, расположен­ ные на отсекаемых трассой заливах озера или водохранилища при переменном уровне воды в них.

При повышении уровня воды в реке отсеченная часть поймы бу­ дет наполняться через отверстие малого моста, а при понижении — опорожняться. При этом в зависимости от площади отсеченной акватории F, величины отверстия L и интенсивности подъема спада уровня воды h в реке возникает перепад уровней Az, определяю­ щий скорость течения в отверстии моста. Самые невыгодные’усло­ вия работы отверстия будут при максимальном значении Агюах независимо от направления течения. Детальный расчет наполне­ ния и опорожнения акватории отсеченной части поймы через от-