6. Определение величины предмостового подпора и максимального подпора у пойменной насыпи

6.1. Основные гидравлические параметры рек

В большинстве случаев мостовые переходы устраивают со стеснением рек подходными к мостам насыпями. Во время половодья насыпи обычно перекрывают большую часть ширины разлива реки, а отверстие моста составляет меньшую часть. Стеснение потока насыпями вызывает существенное его переформирование по сравнению с бытовыми условиями. Оно распространяется по реке на большое расстояние вверх и вниз по течению от мостового перехода.

Опоры моста сравнительно мало стесняют поток и приводят лишь к местному изменению его структуры вблизи опор.

Переформирование речного потока вследствие стеснения мостовым переходом зависит от гидравлических параметров реки в нестесненном состоянии и от меры стеснения потока сооружением. Ниже приведем краткую характеристику этих параметров, к которым относят: число Рейнольдса (Re), параметры кинетичности рек ( П_КБ.), отношение числа Фруда (Fr), в котором за линейный размер взята ширина потока реки, к продольному уклону водотока (i_Б), т.е. Fr/ i_Б.

Режим течения в реках турбулентный и относится к области квадратичного сопротивления. Этот режим движения потока воды характеризует число Рейнольдса, которое может быть вычислено по формуле

(44)

где V – средняя скорость течения потока воды;

h – средняя глубина потока воды;

ν – кинематический коэффициент вязкости ( ν = 0.01см²/с).

Число Рейнольдса является безразмерной величиной и представляет собой меру отношения сил инерции к силам трения. По своему значению числа Рейнольдса, связанные с речными потоками, велики и измеряются сотнями тысяч и миллионами ( Re =10⁵-10⁶).

Равнинные реки и предгорные участки рек имеют небольшие продольные уклоны в пределах от нескольких стотысячных до нескольких десятитысячных. Параметры кинетичности этих рек (числа Фруда, в которых линейным размером является глубина потока) могут быть определены по формуле.

(45)

где V – средняя скорость течения потока воды;

q – ускорение силы тяжести;

h – глубина потока воды.

Параметр кинетичности П_К.Б. речного потока – величина, много меньшая единицы. Таким образом, одной из отличительных особенностей равнинных рек является весьма спокойное течение.

Характерной особенностью рек во время высоких вод является также очень большая величина отношения ширины потока к его глубине L/h_Б, которая измеряется сотнями и тысячами. Вследствие большой ширины потоков отношение числа Фруда, в котором за линейный размер взята ширина потока, к продольному уклону водотока Fr/i_Б, как правило, бывает меньше единицы.

Непосредственно число Фруда является безразмерной величиной и представляет собой меру отношения сил инерций к силам тяжести. Эту величину можно определить из выражения

(46)

где V – средняя скорость течения потока воды;

q – ускорение силы тяжести;

L – расчётная ширина речного потока

Следует отметить, что параметр Fr/i_Б, так же как и параметр кинетичности П_КБ., является одним из основных критериев гидравлического подобия речных потоков; он выражает соотношение в потоке сил инерции и сил тяжести. За характерный линейный размер берется ширина потока, поскольку мостовой переход стесняет реку по ее ширине, при этом влияние мостового перехода распространяется и вдоль по течению на расстояние, соизмеримое с шириной реки.

Степень переформирования речного потока также зависит от меры его стеснения подходными насыпями. В качестве меры стеснения следует понимать отношение общего расхода воды в реке к части расхода, проходившего при нестесненном состоянии потока в пределах отверстия моста Q/Q_М ( в нашем случае Q_Р/Q_М). Можно использовать и геометрические меры стеснения: отношение площадей живого сечения ω_Б/ω_БМ, где ω_Б – полная площадь живого сечения реки, ω_БМ - часть площади в пределах отверстия моста, или отношение ширины разлива реки к величине отверстия моста L/l_М.

Глубина размыва дна в подмостовом живом сечении после стеснения реки мостовым переходом находится в тесной связи с мерой стеснения речного потока Q/Q_М. С увеличением этого отношения глубина размыва возрастает. В связи с этим чаще всего встречающаяся на мостовых переходах мера стеснения невелика и лежит в сравнительно узких пределах от 1.25 до 3.0. Соответственно наибольшие возможные стеснения в отверстиях мостов через коренные русла будут Q/Q_М = 5.0, а в некоторых случаях и более.

Для установления меры стеснения Q/Q_М нужно знать распределение общего расхода Q по ширине реки в нестесненных условиях при уровне высоких вод, т.е. иметь эпюры элементарных расходов.