книги / Переходы через водотоки

: По приближенной формуле (Х-9) подпор перед мостом (с учетом приведенного* выше значения а0 и пойменного расхода, составляющего 26% от общего) равен

Дг = r p l = 0,06-1,8 1 2 = о, 197 м.

Для определения уклона водной поверхности с верховой стороны насыпи по поиближенной формуле (Х-14) найдем:

H n + Az 2.0 + 0,17

При приведенным выше данным получим ф = 0,38, откуда

iB = 0,38-0,00015 = 0,00006,

тогда наибольший подпор составит

AzH= Az + iBB0 = 0,20 + 0,00006-400 = 0,22 м.

В последнем расчете В0 принято равным ширине поймы. Приближенно уклон с низовой стороны насыпи равен:

гн = 0 ,5гв = 0,5-0,00015 = 0,00008.

В конце разлива падение составит 0,00008-400=0,03 ж, а наибольший напор 0,22+ 0,03= 0,25 ж.

§ 48. РАСЧЕТ ВЕТРОВОЙ ВОЛНЫ И ЕЕ НАКАТА НА СООРУЖЕНИЯ

Под воздействием ветра на водной поверхности рек в пределах их разлива, а также в водохранилищах возникают волны, разруши­ тельную силу которых необходимо учитывать при проектирова­ нии подходов к мостам и регуляционных сооружений. Отметки бро­ вок насыпей и верха укреплений их откосов назначают с учетом высоты наката волны на откос сооружения.

Основными факторами волнообразования в водоемах являются скорость ветра, продолжительность его действия и длина разгона /волн. Характер и размер волнообразования зависят также от на­ правления ветра, глубины и конфигурации водоема и их изменения в направлении действия ветра. По классификации ветровые волны, образующиеся на поверхности водоемов, делятся на вынужденные, свободные и смешанные.

Вынужденные — это волны, которые возникают и находятся под непосредственным воздействием ветра.

Свободные волны, или зыбь, распространяющиеся после прекра­ щения ветра или вышедшие из пределов его воздействия. Смешан­ ные волны образуются от сложения вынужденных и свободных волн. На рис. Х-4 приведен профиль ветровой волны зыби.

В нормативных документах [132, 138, 139] приняты следующая терминология и обозначения элементов волны: высота волны йв (вертикальное расстояние от вершины до подошвы волны); длина е о л н ы А,в (горизонтальное расстояние между двумя смежными вер­ шинами или подошвами волны); возвышение гребня волны над ста­ тическим уровнем, т]в.

281

Рис. Х-4. Профиль волны и ее набега на откос на­ сыпи:

1 — статический уровень во­

волны, а обратное отношение — пологостью волны.

Время, в течение которого гребень волны перемещается на дли­ ну волны, т сек, называется периодом волны. Фронт волны — это

линия вершины волны в плане.

Элементы волны — высота, длина и период — называются пара­ метрами волны. Обеспеченностью этих параметров в данной систе­ ме волн, вызванных ветром расчетной скорости, считается выражен­ ное в процентах количество волн, у которых числовое значение па­ раметров больше, чем у остальных в ряду из 100 волн, следующих

одна за другой через заданную точку акватории.

Взависимости от того, возрастает, остается неизменным или убывает осредненное значение параметров волн в таком 'ряду — волнение соответственно называется развивающимся, «развитым или убывающим.

Врасчетах параметров волн мелких водоемов рассматривается

только развитое волнение.

В водоемах по их глубине различают четыре зоны. Первая зо­

мелководная, с глубиной воды Н < — Яв, , где дно водоема влияет

а

на волновое движение воды. Третья зона — прибойная, с глубиной воды # < # Кр, постепенно уменьшающейся к берегу, в пределах ко­ торой происходит разрушение волн. Четвертая зона — приурезовая, в которой волна разрушается окончательно и происходит накат во­ ды на откос берега или сооружения. Водоемы в пределах второй, третьей и четвертой зон называются мелководными. В глубоковод­ ной зоне водоема волнообразование создает только колебательные движения, т. е. периодические повышения и понижения уровня воды.

С началом мелководья, а именно во второй зоне трехмерные (пространственные) волны в виде отдельных бугров и впадин под влиянием дна преобразуются в двухмерные (плоские), имеющие примерно одинаковые длину и высоту по фронту волны. В третьей зоне колебательное волновое движение переходит в поступательное в направлении действия ветра. Глубина воды, при которой происхо-

OQ9

дит такой переход, называется критической ( # кр) и зависит от кру­

тизны волны и отношения — . Приближенно Hwp~2hB.

Лв

У пойменных насыпей происходит удар волны и накат ее на от­ кос, показанный схематически на рис. Х-4.

Акватории разливов рек и водохранилищ, в пределах которых могут располагаться насыпи подходов к мостам, в большинстве случаев относятся к зонам мелководья. Поэтому расчеты парамет­ ров ветровых волн производят применительно к этим условиям.

верхности в направлении действия ветра; средняя глубина водоема Н (м) на протяжении разгона волны

при расчетном уровне воды.

Статистической обработкой данных многолетних наблюдений за ветром на ближайшей к мостовому переходу метеостанции опреде­ ляют расчетные скорости ветра WB.

Для водотоков и водоемов в бытовых условиях при расчете пой­ менных насыпей и регуляционных сооружений на УВВр% и для зарегулированных условий при расчете на ПУВВР% WBопределя­

ют по каждому румбу как среднемноголетние из рядов максималь­ ных скоростей ветра за паводочный период. При расчетах для по­ стоянных уровней в период открытой воды (НПУ и др.) по каждому румбу определяют максимальные скорости ветра lFBpo/o расчетных вероятностей превышения: для железнодорожных мостовых пере­ ходов— /? = 0,33% и для автодорожных р=1 и 2%.

Скорости ветра Я^мат, измеренные на материковой метеостанции, удаленной от водотока или водоема, отличаются от скоростей вет­ ра над водной поверхностью, поэтому значения Wuат приводят к

уровню 10 ж над поверхностью воды №ювод на основании имеющих­ ся материалов наблюдений и специальных исследований.

По вычисленным для всех румбов значениям Wp % строят для

створа перехода розы ветров (рис. Х-5).

При отсутствии данных наблюдений за ветром или коротком сроке этих наблюдений расчетная скорость ветра может быть при­ нята как ориентировочная по данным метеостанций, приведенных в СНиП П-А. 6-62.

Продолжительность действия ветра при расчете параметров вет­ ровых волн мелких водоемов не учитывается. Длина разгона волны D (км) и средняя глубина водоема Я (м) по направлению разгона

определяют по топографическим материалам также для всех рум­ бов, которые можно считать волноопасными.

Если в узком водоеме простой конфигурации отношение средней ширины водоема ВСр к разгону D равно или менее 0,6, расчетный

283

Рис. Х-5. Схема мостового перехода и розы скоростей ветра:

направления разгона к пунктам А и Б на подходах к мосту по всем

волноопасным направлениям.

Способ и последовательность определения параметров ветровых волн в мелководных зонах водоемов по полученным исходным дан­ ным приведены в СН 92-60.

Волновой комиссией при Институте водных проблем АН СССР

разработаны обобщенные предложения по расчету параметров вет­ ровых волн [138]; в отличие от способа расчета, приведенного в [132] в предложениях волновой комиссии для определения основных параметров ветровой волны, рекомендуется один график (рис. Х-6), позволяющий для всех расчетных скоростей ветра определить вы­ соту, длину и пологость волны.

График составлен для определения параметров волн в пределах глубоководной зоны водоемов, а для получения по этим определе­ ниям параметров волн в условиях мелководья применяются пере­

284

/^%гл. Пересечение ординаты с кривой графика дает значение отно-

шения -* (пологость волны), откуда можно определить длину

ВОЛНЫ А/гл (см. рис. Х-6).

По значениям высоты и длины волны, определенных для усло­ вий глубоководья, определяют значения этих параметров для усло­ вий мелководья путем введения коэффициента /сн, который зависит от отношения глубины воды Я к длине волны А,гл:

. 7,8 8,8 10,0 11,0 12,3 13,2 14,2 15,1 15,6 15,9 16,0 16,5

ni%

В некоторых случаях необходимо знать высоту превышения гребня волны над статическим уровнем воды г]в (например, при проверке возвышения низа конструкции моста на несудоходной и несплавной реке). Величина цв зависит от величин h\% , Я, т и опре-

Лгл:^1%

Рис. Х-6. График для определения параметров ветровых волн в глубоководной зоне водоема

285

деляется специальным расчетом [138]. Для приближенных расчетов,

Высоту наката волны Лн на откос (без затопляемых берм) отсчи­ тывают от статического уровня воды в водоеме (рис. Х-4). Ее опре­ деляют по формуле

где hB— определенная высота ветровой волны, м\ т — заложение откоса; кш— коэффициент, учитывающий шероховатость отко­

са, изменяющийся от 1,0 (при укреплении откоса асфальтобе­ тоном) до 0,5 (при укреплении откоса наброской из массивов);

X

__ — пологость волны.

А»

При косом подходе волн к откосам, крутизна которых m > 1 и р^30°, полученная высота наката волны уменьшается на поправочний коэффициент щ, определяемый по формуле:

где р— угол между лучом волны и линией уреза воды, град.

Затопляемая берма у насыпи также уменьшает высоту наката волны на откос. Уменьшение высоты наката зависит от ширины бермы и глубины воды над бермой, считая от статического уровня воды в водоеме.

Наличие на линии разгона волны незатопляемого кустарника или леса снижает высоту ветровой волны, а устройство вдоль пой­ менных подходов к мостам специальных полос защитных лесона­ саждений может полностью погасить ветровую волну.

Пример расчета. Требуется рассчитать ветровую волну для открытой речной поймы со средней глубиной при УВВ0,зз%, равной Я =2 м при максимальном раз­ гоне для западного румба Я =5 км; среднемноголетняя скорость ветра этого рум­ ба за паводочный период, приведенная к высоте 10 ж над поверхностью воды, равна Wb = \0 м/сек.

Пользуясь графиком (рис. Х-6) и данными, приведенными выше, получаем следующие величины:

286

Волна западного румба подходит нормально к железнодорожной насыпи, укрепленной бетонными плитами; по формуле (Х-18) величина наката ветровой волны на откос крутизной 1 : 2 равна:

2-0,9.0,583

V 14,1 = 1,39 м.

§ 49. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО СУДОХОДНОГО УРОВНЯ

При проектировании мостовых переходов через судоходные и сплавные реки необходимо учитывать подмостовые габариты, тре­ бующиеся для пропуска судов. Наивысший уровень воды, при кото­ ром 'проектируемый мост должен беспрепятственно пропускать су­ да, называется расчетным судоходным уровнем (РСУ). Определе­ ние этого уровня производится согласно «Нормам проектирования подмостовых габаритов на судоходных и сплавных реках и основ­ ным требованиям к расположению мостов» (НСП 103-52). Расчеты выполняют раздельно для нешлюзованных и шлюзованных рек.

Для определения расчетного судоходного уровня нешлюзован­ ных рек при наличии многолетних наблюдений составляют ряд мак­ симальных годовых уровней в убывающем порядке. Для этого ис­ пользуют данные водомерных постов, ближайших к мосту и имею­ щих наиболее продолжительные и надежные данные. В качестве исходных для составления ряда принимают наибольшие уровни за каждый год, отражающие суммарные условия, определяющие уров­ ни на мостовом переходе (приливы, заторы, нагоны, подпор и т. п .).

Порядковый номер уровня, характеризующего расчетный паво­ док и его отметку в створе моста, определяют по формуле

100

где р — коэффициент, характеризующий нормативную обеспечен­ ность паводка, определяется по табл. Х-2; п — число лет наблю­

дений за максимальными уровнями воды на водомерном посту.

287

В качестве расчетного принимают паводок, порядковый номер кото­ рого в убывающем ряду уровней равен вычисленному (Х-20).

По данным водомерного поста строят график колебаний еже­ дневных уровней в расчетном году, по которому определяют пери­ од, когда река свободна ото льда и сала. При отсутствии наблюде­ ний в расчетном году необходимо производить восстановление про­ пусков по кривым связи уровней с другими водпостами.

За расчетный судоходный принимают такой уровень, выше кото­ рого продолжительность стояния высоких паводковых уровней со­ ответствует допустимой по классу реки продолжительности стояния уровней (в сутках), вычисляемой по формуле

где т — продолжительность навигации, когда река свободна от льда; к — коэффициент, принимаемый по табл. Х-2.

Определение отметки РСУ производится путем нанесения вели­ чины t на расчетный график колебаний уровней (рис. Х-7).

При недостаточной длине ряда наблюдений и наличии пропус­ ков в наблюдениях особо высоких паводков необходимо произво­ дить удлинение и восстановление рядов ежегодных максимумов уровней по кривым связи с -близлежащими водпостами, а также использовать данные опросов старожилов и другие источники.

При наличии наблюдений только за один сезон изысканий по существующим методам расчета определяют максимальный расход

288

Рис. Х-8. Схема к опре­ делению расчетного су­ доходного уровня:

1 —уровень пропуска па­

водка через водосливные плотины; 2 — нормальный

подпертый уровень; 3 —уро­ вень паводка до постройки плотины

реки. По вычисленной величине расхода морфометрически устанав­ ливают уровень воды заданной повторяемости. По графику колеба­ ний уровней воды, построенному по наблюдениям в один паводочный сезон, производится построение приближенной модели расчет­ ного паводка путем пересчета ординат имеющегося графика на коэффициент.

максимальный уровень воды, наблюденный в период изысканий. При наличии ряда наблюдений менее 15 лет для построения мо­ дели производится выбор наиболее характерного для данной реки

графика колебаний уровней.

Оценка фактической продолжительности навигации может про­ изводиться по любому количеству лет наблюдений. При отсутствии наблюдений на исследуемой реке к этому анализу могут быть при­ влечены данные аналогов соседних рек, а также данные опроса на­ селения. Если судоходство на шлюзованной реке осуществляегся через разборчатые плотины, то расчетный судоходный уровень определяется как для нешлюзованной реки. При пропуске паводка через постоянные плотины при отметках нормального подпорного уровня расчетный судоходный уровень принимают равным уровню воды при паводке обеспеченностью р%, соответствующей классу ре­ ки согласно табл. Х-2 для шлюзованных рек. Вычисленная отметка расчетного судоходного уровня должна быть не менее чем на 0,5 м

выше нормального подпорного уровня.

При пропуске паводка через плотину при отметках ниже нор­ мального подпорного уровня метод определений расчетного судо­ ходного уровня зависит от положения моста относительно длины выклинивания подпора, создаваемого плотиной (рис. Х-8).

Если мост расположен в зоне У, то отметка расчетного судоход­ ного уровня должна быть не менее чем на 0,5 м выше отметки нор­

мального подпорного уровня водохранилища с учетом кривой под­ пора.

При расположении моста в зоне 2 необходимо по данным на­

блюдений или материалам водохозяйственных расчетов из проекта

289

плотины определить уровень воды при пропуске паводка обеспечен- 4 ностью, требуемой для данного класса реки согласно табл. Х-2 для шлюзованных рек.

Вычисленный уровень определяет расчетный год, по наблюдени­ ям которого производится построение расчетного графика колеба­ ний уровней и определение продолжительности навигации.

Допустимая продолжительность стояния уровней более высо­ ких, чем расчетный судоходный уровень, определяется по формуле (Х-21).

По расчетному графику колебаний уровней устанавливают уро­ вень, которому соответствует допустимая продолжительность стоя­

порного уровня е учетом кривой подпора.

В противном случае за расчетный судоходный уровень прини­ мают отметку нормального подпорного уровня с учетом кривой под­ пора и запаса 0,5 м.

При проектировании мостового перехода за рубежом расчетный судоходный уровень должен быть задан заказчиком с приложением соответствующих обоснований. На основании этого должен быть произведен гидрологический анализ полученной отметки расчетного судоходного уровня с учетом материалов изысканий, периода фак­ тической навигации, местных гидрометеорологических условий, ин­ тенсивности и состава судов.

В результате анализа устанавливают обоснованную отметку расчетного судоходного уровня, которая должна согласовываться с заказчиком.

§ 50. РАСЧЕТЫ УРОВНЕЙ ЛЕДОХОДА

Для проектирования мостовых переходов требуется определить следующие уровни ледового режима: появления ледовых образова­ ний; начала осеннего ледохода; ледостава; первой подвижки льда; ледохода; очищения реки от льда.

По каждому из названных уровней должны быть получены наи­ высшие и наинизшие отметки и отметки самого раннего и самого позднего появления льда за период наблюдений. Определение ха­ рактерных уровней ледохода производят путем выборки требуемых уровней из материалов многолетних наблюдений по близлежащему водпосту с последующим переносом по кривым связи уровней на створ перехода.

Такой способ приводит к тому, что принимаемые к расчету уров­ ни ледохода отражают только тот период времени, в течение кото­ рого производились наблюдения. В результате переходы, относящи­ еся к одной категории по нормам, проектируются с использованием неодинаковой информации, что приводит к различным конструктив­ ным решениям опор мостов, находящихся в одних гидрологических условиях. Эти обстоятельства определяют необходимость $ероят-

290