База нормативной документации: www.complexdoc.ru

16.7. Определение максимальной глубины расчетного общего размыва

Все изложенные выше способы расчета общих размывов дают возможность определения средней глубины в подмостовом русле hрм после общего размыва. Однако при проектировании мостов их опоры необходимо фундировать исходя из фактической максимальной глубины в русле hрм max (рис. 16.12).

Рис. 16.12. Схема к определению расчетного для опор моста максимального общего размыва

Для перехода от расчетной средней глубины после размыва к максимальной уже в течение ряда десятилетий используют физически ясный показатель - коэффициент формы русла (отношение максимальной глубины в русле к ее среднему значению). При этом различают:

коэффициент формы русла бытовой

где

hрн max и hрн - максимальная и средняя бытовые (до размыва) глубины в русле, соответственно (см. рис. 16.12);

749

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

коэффициент формы русла под мостом после размыва

где

hрм max и hрм - максимальная и средняя глубины в русле под мостом после общего расчетного размыва, соответственно (см. рис. 16.12).

При этом величина максимальной (расчетной для опор мостов) глубины общего размыва определялась:

hрм max = aрмhрм, где

(16.13)

hрм - средняя глубина расчетного общего размыва.

Анализ многочисленных натурных данных и результатов лабораторных экспериментов свидетельствует о том, что коэффициент формы русла под мостами, как правило, не остается неизменным во времени и величина его может меняться в ходе размыва как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, и назначение его неизменным в ходе размыва может приводить в одних случаях к опасным инженерным решениям, а в других - к излишним запасам устойчивости и, следовательно, к омертвлению капитальных вложений.

Как показали исследования, выполненные С.Н. Лушом, величина конечного (расчетного) коэффициента формы русла под мостами aрм зависит от коэффициента общего размыва, определяемого степенью стеснения потока подходами, временем воздействия расчетного паводка и его формой, крупностью современного аллювия, шириной разлива речного потока в паводки, инженерногеологическим строением русла и т.д.

В течение истекшего столетия все предложения по расчетам изменения коэффициента формы подмостового русла сводились к разработкам зависимостей двух видов: увеличения подмостового коэффициента формы русла aрм > aрб (Л.Л. Лиштван, И.И. Херхеулидзе, А.М. Латышенков) и сохранения его бытового значения aрм = aрб (Н.А. Белелюбский, Е.В. Болдаков, О.В. Андреев).

Если первая группа методов почти всегда определяла излишние (необоснованные) запасы устойчивости опор мостов с соответствующим омертвлением капитальных вложений, то вторая давала более достоверные значения максимальных расчетных глубин общего размыва.

750

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Согласно данным натурных измерений под существующими мостами в ряде случаев коэффициенты формы подмостового русла после размыва оказываются близкими к бытовым их значениям, хотя отдельные отклонения могут достигать 25 % и более (рис. 16.13).

Рис. 16.13. Коэффициенты формы подмостовых русел до и после размыва (по данным проф. О.В. Андреева). Кружками показаны точки, соответствующие мостам с уширением подмостовых русел

На основе анализа и обобщения натурных данных, данных лабораторных экспериментов и результатов математического моделирования с использованием математической модели поструйного расчета общего размыва в руслах, разработанной С.Н. Лущом на базе программы «Гидрам-3», удалось установить, что в ходе общих размывов подмостовых русел с однородным геологическим строением размываемого дна имеет место тенденция уменьшения коэффициента формы подмостовых русел (рис. 16.14).

Таким образом, при определении максимальных глубин общего размыва (расчетных для опор мостов) по формуле (16.13) коэффициент aрм можно определять двумя способами:

Рис. 16.14. Изменение коэффициента формы русла под мостами aрм в ходе размыва (по данным С.Н.Луща):

751

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

а - данные математического моделирования; б - данные моделирования в гидравлическом лотке

по условию сохранения после размыва бытового значения коэффициента формы подмостового русла (с некоторым запасом)

aрм = aрб

по формуле С.Н. Луща

где

- расчетный коэффициент общего размыва;

hpб и hрм - средние глубины в русле под мостом до и после общего размыва.

16.8. Расчет местного размыва у опор мостов

Местные размывы являются результатом локального нарушения гидравлической структуры набегающего на препятствия (опоры, струенаправляющие дамбы, траверсы и т.д.) потока. Местный размыв наиболее опасен для опор мостов. Развиваясь у передних граней опор, он может привести к потере их устойчивости (по этой причине подмытая опора всегда падает вверх по течению). При значительных местных размывах локальными понижениями могут охватываться площади у всей опоры, а не только у передней ее грани.

Поток, набегающий с некоторой скоростью на опору, тормозится, при этом кинетическая энергия его уменьшается, а потенциальная, выражающаяся в местном поднятии уровня перед опорой, возрастает. Потенциальная энергия, в свою очередь, реализуется в кинетическую энергию нисходящих струй (рис. 16.15), которые, достигая дна, способны размывать его, вызывая появление воронкообразного углубления. Другой причиной общего размыва является местное сжатие струй, обтекающих препятствие. Для препятствий относительно широких эта причина является основной (например, обтекание голов регуляционных сооружений).

752

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 16.15. Схема обтекания опоры моста потоком:

1 - дно до размыва (пунктир); 2 - откос воронки; 3 - нисходящие струи; 4 - донные вихревые вальцы; 5 - струи, обтекающие опору

Как показывают многочисленные наблюдения, скорость обтекания опоры потоком примерно в 2 раза превосходит скорость его набегания. Поэтому местные размывы у сооружения развиваются даже в тех случаях, когда собственная скорость потока меньше, чем непередвигающая для частиц грунта, слагающих его дно.

Ожидаемая глубина воронки местного размыва определяется гидравлическими параметрами потока - скоростью набегания и глубиной, а также формой, размерами препятствия и свойствами размываемого грунта. На размер воронки местного размыва огромное влияние оказывает количество наносов, поступающих в воронку. При этом местный размыв достигает особенно больших значений, когда руслоформирующие наносы в воронку по каким-либо причинам не поступают.

В русловом потоке всегда имеются такие придонные области, где влечение наносов практически отсутствует, несмотря на то, что средние по вертикали скорости течения существенно превосходят неразмывающие для грунтов, из которых сложено размываемое дно. Такими областями (с минимальными расходами наносов) являются подвалья гряд, занимающих достаточно большую площадь в русле. Учитывая, что плановые размеры гряд соизмеримы с плановыми габаритами опор, при проектировании мостов можно ориентироваться на наиболее невыгодную, но реальную русловую ситуацию, когда опора располагается в подвалье гряды, где приток руслоформирующих наносов в воронку местного размыва ничтожен и последняя будет иметь наибольшую глубину.

Одна из схем ноль-балансового расчета местного размыва была разработана И.А. Ярославцевым в 1953 году. На основе многочисленных лабораторных экспериментов с моделями мостовых опор им была получена теоретикоэмпирическая формула для расчета местного размыва у мостовых опор. Преобразованная к виду, удобному для выполнения практических расчетов, она имеет вид:

753

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

для расчета местного размыва в несвязных грунтах

(16.14)

для расчета местного размыва в связных грунтах

где

(16.15)

К - коэффициент, зависящий от относительной глубины потока

и принимаемый по таблице 16.7;

Таблица 16.7.

Коэффициенты относительной глубины потока К

754

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Кx - коэффициент формы опоры, принимаемый для прямоугольных опор равным 12,4, для цилиндрических - 10,0 и для обтекаемых 8,5. Коэффициент Кx для каждой конкретной конструкции опоры может быть более точно определен по рис. 16.16;

Vоп - скорость набегания потока на опору на наиболее глубокой вертикали, м/с;

bоп - средняя ширина опоры по фасаду моста, м;

d - крупность несвязного аллювия, м;

Vнер - неразмывающая средняя скорость течения для связных грунтов, м/с.

Рис. 16.16. Формы мостовых опор и коэффициенты их обтекаемости Кx

Скорость набегания потока на русловую опору определяют с учетом общего размыва на наиболее глубокой вертикали:

755

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

где

Vрм - средняя скорость после общего размыва, м/с.

По данным исследований Г.С. Пичугова определяющее влияние на местный размыв оказывает слой придонного потока толщиной 0,4hрм от дна. Поэтому, для опор мостов с переменной шириной по глубине среднюю ширину опоры следует определять только на этой части набегающего потока (рис. 16.17).

Рис. 16.17. Схема к определению средней ширины опоры по данным Г.С. Пичугова

Скорость набегания потока на пойменную опору (при невозможности смещения русла под нее в ходе естественного руслового процесса) принимают равной скорости течения на пойме после общего размыва, т.е. Vоп = Vпм.

При расчетах местного размыва в резко разнозернистых грунтах нужно учитывать возможность отмостки дна воронки крупными фракциями и при расчете по формуле (16.14) в расчет вводить размер наиболее крупных фракций, содержащихся в размываемом грунте в количестве 15-20 %. Формула И.А. Ярославцева применима для скоростей течения, при которых еще не происходит

756

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

разрушения структурных скоплений наносов - гряд. Практически ее применяют при скоростях течения до 4 м/с.

В практике проектирования в последние годы получил распространение также метод расчета местного размыва Союздорнии (д-р.техн.наук М.М. Журавлев) (М.М. Журавлев. Местный размыв у опор мостов. - М.: Транспорт, 1984. - 113 с). Основной особенностью и несомненным достоинством метода является то, что лежащие в его основе зависимости были получены путем обработки натурных и полунатурных данных о местных размывах как в несвязных, так и в связных грунтах у натурных мостовых опор (в количестве 280 точек).

Глубина воронки местного размыва:

при поступлении наносов в воронку местного размыва при Vрм > Vнер

(16.6)

при отсутствии поступления наносов в воронку размывы при Vоп < Vнер

где

(16.17)

hрм - максимальная глубина потока в русле после общего размыва;

п - показатель степени;

Кф - коэффициент формы опоры, принимаемый для прямоугольных опор равным 1,24, для цилиндрических - 1,0, для обтекаемых - 0,85.

Коэффициент Кф может быть определен более точно по рис. 16.16, при Кф = 0,1

Кx;

Vвзм - средняя взмучивающая скорость турбулентного потока перед опорой.

757

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Вформулах (16.16), (16.17) показатель степени

п= 1 при

п= 0,67 при

Коэффициент Кф для каждой конкретной конструкции опоры может быть также определен по уточненным данным Гипродорнии (Методические рекомендации по расчету мостовых переходов. - М.: Гипродорнии, 1987. - 96 с).

Косина потока может быть учтена путем введения в расчет ширины опоры, принимаемой по нормальному направлению течения потока:

где

a - угол отклонения потока от прямого направления;

lоп - длина опоры вдоль потока (поперек моста).

Скорость Vвзм определяется в зависимости от крупности руслоформирующих наносов и глубины потока:

где

W - гидравлическая крупность наносов (см. главу 32).

758