книги / Переходы через водотоки

Рис. XV-16. Типы выходных русел:

Расчетными формулами учитывается форма выходных оголов­ 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 е малых бассейнов» (ВСН 63-67), по которой находят эквивалентное время паводков, равное lU продол­

жительности подъема и спада паводка, плюс время стояния его пика.

Затем для рассматриваемых сооружений типы их выходных русел, под которыми понимается комплекс устройств, находящих­ ся за выходными оголовками, относят к одному из обобщенных ти­ пов, основные характеристики и схемы которых приведены на рис. XV-16.

Максимальную глубину размыва в выходных руслах без ка­

^в^л

381

Рис. XV-17. График для определения коэффи­ циента формы воронки размыва (/св) при раз­ личных относительных

длинах укрепления

где kB— коэффициент формы воронки размыва при свободном

растекании (рис. XV-17); Вл = — — ширина лога; <ал и /гл —

Пл

соответственно площадь живого сечения и средняя глубина лога.

На рис. XV-17 /св дан в зависимости от отношения АЯтах к экви­

>0,75 1

где t — продолжительность размыва; /о,75 — время осуществления в

условиях свободного растяжения 75% предельной глубины раз­ мыва, которое определяют в часах по формуле

у — объемный вес воды, т/м3; 0 — показатель степени при не­

свободном растекании

382

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 (&л=1) для вы­ ходных русел без каменной наброски определяют по формуле

(XV-51)

где £)э (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 шежду устоями или средней ширине потока под мостом для непрямоугольных подмостовых сечений; для круг­ лых труб — диаметру; £?р— 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 d3=4,5 (0,15 + Ср), где Ср — расчетное сцепление, т/м2.

383

Максимальную глубину размыва за укреплением с каменной наброской (типы I, III, VI и IVa с каменной наброской по табл. XV-6) определяют по формуле

JVK(O)— критический удельный объем камня, принимаемый при свободном растекании WK(O)=W K, а в условиях несвободного растекания и узких логах определяемый соответственно по фор­ мулам:

384

Если глубина размыва при наличии наброски АЛтах(н) окажется

больше глубины размыва, подсчитанной без нее, то к расчету при­ нимают A/Zmax.

Необходимость таких детальных расчетов вызвана частыми размывами, наблюдаемыми в нижних бьефах сооружений, если укрепления отсутствуют или выполняются без надлежащего обос­ нования их размеров (рис. XV-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 (XV-28—56) несомненно потребует разработки программы расчета на ЭВМ, причем такая программа должна включать и выбор рационального решения.

§ 71. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ РАСЧЕТА ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Ф и л ь т р у ю щ и е н а с ы п и . 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.

385

1

1

6)

Рис. XV-18. Фильтрующая насыпь:

а — поперечный разрез; б — продольный профиль;

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

Поэтому ниже рассматривается расчет только безнапорных фильтрующих насыпей (рис. XV-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 (мг/сек) и длину пути фильтрации S<j> (м), равную длине фильтрующей части по логу, определяют глубину воды в верхнем бьефе сооружения hi или ширину фильтрующей части 1ф, м (фильтрационное отверстие) в зависимости от того, чем удобнее задаться — /ф или h\:

з.

(XV-57)

(XV-58)

В обе формулы входит коэффициент турбулентной фильтрации Кф (м/сек), значения которого даны в табл. XV-7 в 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-

386

рости течения в нижнем бьефе, необходимо построить кривую деп­ рессии потока в теле фильтрующей насыпи. Это построение произ­ водят, вычисляя последовательно глубины воды в теле насыпи /г2, h3 . . . . hn через определенные расстояния по пути фильтрации S2y S3 ___Sn, отсчитываемые от сечения I—I (рис. XV-18). Вели­ чины h2f h3 ___ hn находят по формуле

ф ф

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

быть не менее 6 для основания из мелких песков и не менее 3 для галечного основания. Проверку устойчивости основания на турбу­ лентную фильтрацию производят ПО условию ^ ф < 0 ,н ер , где Vф— ско­

рость течения в фильтрующей насыпи, инер — 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. XV-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 О тах^З—4 м3/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.

387

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

Принимаем /ф = 9,0 ж и по формуле (XV-57) находим

Глубину воды на выходе из фильтрующей насыпи /гВых на расстоянии 5вых~14,0 м определяем по формуле (XV-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 +0,5«2,00 м, а на выходе hBых+0,5«1,25 м\ высоту в промежуточ­ ной части назначают по кривой депрессии (см. рис. XV-18).

П е р е л и в а е м ы е н а с ы п и и б р о д ы . Гидравлический расчет перели­ ваемых насыпей должен решить следующие задачи: 1) установито 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 К

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 /i6p= 30-f-40 см в пониженной его части. Если продольный

профиль брода очерчен в вертикальной плоскости по круговой кри-

1 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.

388

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

по формуле

Скорость потока в расчетном сечении брода определяют по

Qmax= Q6P. Если Qmax>Q6p, поскольку предельное значение йбр.тах увеличить нельзя, то для увеличения пропускной способности брода меняют радиус г или устраивают прямую вставку (см. рис. XIII-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. XI11-7), 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 Аг, определяю­

щий скорость течения в отверстии моста. Самые невыгодные усло­ вия работы отверстия будут при максимальном значении Azmax независимо от направления течения. Детальный расчет наполне­ ния и опорожнения акватории отсеченной части поймы через от-

389

верстие моста с определением Агтах производят по методу Э. А. Горбовского, основанного на решении дифференциальных уравнений, полученных из уравнения баланса объемов воды Qdt — Fdh. Расчет

производят при помощи номограмм, опубликованных в рабо­ те [117].

Е. В. Болдаков предложил упрощенный прием расчета наи­ большей скорости течения уШах в отверстии моста, полагая, что она зависит только от величины Дгщах. Ее он рекомендует опреде­ лять как наибольшую величину подъема — спада уровня воды в ре­ ке по водомерным наблюдениям за время / = 60 мин. Тогда

^тах ~ 3,1 ~\/~А^щах.

Г л а в а XVI. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА

§ 72. ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Выбор оптимального решения мостового перехода производится путем сравнения вариантов, различающихся по ряду признаков. При этом, кроме денежных показателей, учитываются натуральные количественные и качественные показатели (сложность строитель­ ства, потребность в дефицитных материалах, уровень механизации работ, простота или сложность содержания сооружения в эксплуа­ тации и др.).

Денежные показатели состоят из капиталовложений и других единовременных расходов, а также из текущих эксплуатационных затрат. Исключение составляют случаи, когда одинаковые по про­ должительности строительства варианты сравниваются при одном и том же стабильном грузопотоке. В таких случаях (например, разбивка моста на пролеты, выбор коэффициента общего размы­ ва русла .в зависимости от глубины фундирования опор и т. п.) сравнение вариантов производится лишь по строительной стои­ мости.

Для сравнимости единовременные расходы К необходимо при­ вести к текущим расходам Э за срок окупаемости сооружения:

Р пр — у- + Э ,

или

Лц> = / ( + ТЭ,

где Рдр — приведенная стоимость сооружения; Т — срок окупаемо­

сти сооружения, годы.

Отсюда видно, что для определения приведенной стоимости со­ оружения необходимо знать его срок окупаемости.

390