книги / Переходы через водотоки

Т а б л и ц а VII-3

(переход)

левой поймы на 60 м. Это смещение учтено при расположении моста на створе

перехода. Деформации низовой излучины не являются лимитирующими для мо­

=370 м до гИ'=ЗО0 м; для отношений----- =0,270и ----- =0,333(см. выше)находим

Лтах=П’52^9 = 12’9 * ’

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 (Ли, Sll} аи, См) для незавершенного меандриро-

ния, определяют: 5

казатель затопляемости поймы, где 7гп — средняя глубина затопле­ ния поймы и Лр — средняя глубина русла при расчетном уровне.

181

Чем больше отношение ^5; тем на более ранних стадиях разви-

Н р

тия происходит спрямление излучины.

В случае 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.

В обоих 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

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 (IV-3), (IV-8) и (IV-9), мы получили сле­

дующие выражения для средней глубины Ядин и ширины в бров­ ках £ Дин динамически устойчивого русла спрямляющей протоки при заданных значениях продольного уклона i и грунтовой характерис­ тики d (м):

Параметры х и Р принимают согласно данным, приведенным в

§ 13 гл. IV. Для определения параметра р 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 ного уклона динамически устойчивого русла

182

В формуле (VII-13, а) п — коэф­

фициент шероховатости.

Как показали расчеты, для гравелистых и галечниковых ру­ сел лучше пользоваться форму­ лой (VII-13), а для песчаных — формулой (VII-13, а).

Необходимость в определении *дин встречается, когда значение продольного уклона не задано, например для длинных русел, от­ водящих протоки при пойменной многорукавности (см. ниже) или малые реки, текущие по поймам больших рек при свободном меандрировании последних.

Расчет по формулам (VII-11) и (VII-12) не исключает возник­ новения меандрирования на спрямленном русле, поскольку оно не укреплено и в него посту­

пают донные наносы. Однако придание живому сечению искусст­ венного русла формы, соответствующей расчету, исключит ускоре­ ние естественного процесса в искусственном русле. Сопряжение искусственного и естественного русел производят по круговым кри­ вым радиуса г ^ З ,5 В дин -на ^эксплуатируемых и г ^ 5 Б дин на сплавных и судоходных реках.

При переходе через реку с руслом типа незавершенного меанд­ рирования возникает вопрос: где располагать мост — на излучине или на спрямляющей протоке и, следовательно, для какого русла прогнозировать деформации. Для решения этого вопроса необходи­ мо знать гидравлические характеристики при расчетном уровне во­ ды для излучины и для спрямляющей протоки. Обозначим расход

> 1 следует рассмотреть оба варианта с устройством запруд,

Qnp

закрывающих русло или протоку (рис. VII-9).

Пример расчета. Мост располагают на спрямляющей протоке, находящейся в

начальной стадии развития. Требуется определить размеры протоки, если по ней пойдет Q=200 мг/сек, вероятность превышения которого равна р~50% . Средний диаметр грунта в протоке d=0,01 м, продольный уклон /=0,001; х=0,35; (3 = 0,72.

По формуле (VII-11) находим среднюю глубину динамически устойчивого русла

183

По формуле (VII-1^) находим ширину этого русла в бровках

_________ 200__________

=80 м.

Если в данном призере зададимся значениями d и Н то по формуле (VII-13)

получим

0,190,01°’9 0,722

0 , 001.

~2,Об1,93—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 круппых гряд наносов м°жет -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 перемещения гряд насосе® ® тех рукавах, где расположены истоки и устья заглохших проток. Допрос размещения отверстий мостов при пой­ менной многорукавДОсти очень сложен. Русловой процесс в этих рукавах и протоках ® 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 Исмену 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 боЛ®^их отверстий на наиболее активных рукавах

и протоках.

Описанные выше особенности руслового процесса при ограни­ ченном, свободном ^ незавершенном меандрировании соответству­ ют руслам, сложенным несвязными - аллювиальными грунтами; в этих условиях зоны эрозии и аккумуляции совпадают (размыв во­ гнутого берега и отЛОЖ^ения грунРгн на противоположном выпуклом берегу) Если русло сложено связными грунтами, для которых зоны эрозии и аккумуляции не совпадают (размытые глинистые частицы

взвешиваются потонем и уносятся далеко от места размыва), то фарватер русла не соответствует его плану, наибольшие глубины находятся у выпукДьгх, а наименьшие у вогнутых берегов [65].

От обычного типИ меандрируюЩих русел также отличаются рус­ ла рек, унаследовавших свои излучины от несовременных условий

184

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 выпуклого берега. 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 больщих 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, называемого 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 (катастрофически размывается, увеличивая ширину зоны блуж­

185

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 ифакт= 0дин, н о э т о 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 рсам определяют [16] по фор­

мулам:

где Qv% — расчетный расход заданной вероятности превышения, мъ/сек\ В — ширина блуждающего русла по створу перехода, м\ d, х, р — имеют те же значения, что и в формулах (VII-11) и (VII-12); Ябыт — средняя глубина русла при УВВР%, вычислен­ ная по живому сечению, снятому во время изысканий, м.

Определение рсам необходимо как при перекрытии мостом всей

ширины блуждающего русла, так и при стеснении его подходными насыпями (рис. VII-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 (VII-15) значение рсам для нестесненного русла; затем методами, изложен­

ными в гл. VIII, определяют общий размыв подмостового русла и значение р. Истинная величина коэффициента общего размыва рист,

нормируемая СНиПом, будет

Рсам

Максимальные глубины hmах могут образоваться при спаде па­

водка на любой вертикали створа перехода, не зависят от Qmax и

186

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 йшах рассматривают как случайные и строят натурную за­ висимость hia8ix= f (Рэ) по измерениям за ряд лет. Если для створа

перехода нет данных для построения этой зависимости, то величи­ ну hmах принимают по аналогии со створами, где производились

промеры русла на спаде паводка.

Поскольку величина hmax может образоваться при любом из

уровней воды, для которых производились промеры, наинизшую от­ метку дна получают, вычитая hmax 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 и в пределах гор­ ной долины при достаточной ее ширине [34, 54]. Поперечный разрез

187

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 м, 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% и менее. 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 Лтах описанными выше приемами затруднительно, поэтому вели­ чину ftmax определяют по приближенной формуле

, 0,75

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

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

ний паводочный расход, мг/сек; i — 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 Язоны до ширины отверстия моста (см. рис. VII-10, а).

' Даже при перекрытии мостом всей ширины Я30ны в суженных

местах блуждающие русла резко меняют во время паводка форму живых сечений и глубины воды. Поэтому все опоры моста должны

188

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. VII-10, а).

Стеснение потока опорами моста пренебрежимо мало, поэтому коэффициент общего размыва принят рж 1. Вблизи створа перехода действует водомерный пост, на котором ведут наблюдения за уровнями и расходами воды; средний диа­ метр донных отложений d~0,001 м. Расчетный расход Q\% =9550 м3)сек.

На рис. VII-10, б видна большая интенсивность руслового процесса: только за период е 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 м на­

По данным наблюдений за 14 лет на гидростворе водпоста, совпадающем со створом перехода, получена зависимость Нт&х=!(Рэ), представленная на рис. VII-10, в; по этой зависимости величина hm&x i% = 12,4 м.

Средняя отметка уровня воды для ряда промеров hmaiX равна 172,96 м. Тогда наинизшая отметка размытого дна будет

172,96—12,40= 160,56 м.

Коэффициенты саморазмыва русла рсыл будут переменными. Так, например, для живого сечения на 3 мая 1967 г. величина /7сам по формуле (VII-15) равна 1,65, а для живого сечения на 29 июля 1967 г. рСам=2,11.

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

189

конуса. 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 ПРОЦЕСС В КАНАЛАХ

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 условий 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.

190