6.2. Гидравлическая схема потока, стесненного мостовым переходом
При стеснении паводочного потока мостовым переходом условия течения в районе перехода существенно изменяются по сравнению с бытовыми, поскольку подходные насыпи отклоняют пойменные потоки от направления их движения в бытовых условиях. Это явление сопровождается искривлением струй, изменением глубин и скоростей потока – в районе мостового перехода возникает резко неравномерное движение воды в период паводков.
Согласно современным представлениям характер протекания потока и рельеф водной поверхности в районе перехода следующие /3/.
Выше по течению от створа перехода на некотором удалении от него струи поворачивают к отверстию моста. При надлежащих размерах и очертании струенаправляющих дамб в отверстии моста располагается наиболее сжатое сечение потока. В нем струи взаимно параллельны и перпендикулярны к створу перехода. Ниже по течению, за мостом, происходит постепенное расширение потока; на некотором расстоянии от сооружения восстанавливаются бытовые условия водотока (рис. 21).
Рис. 21. Схематический план течения потока, стесненного мостовым переходом: 1 - границы разлива воды при УВВ; 2 – подходные насыпи; 3 – водоворотные области; 4 – направление струй; 5 – изолинии уровня водной поверхности; 6 – струенаправляющие дамбы; 7 – граничное живое сечение; 8 – изолиния уровня, окаймляющая впадину водной поверхности.
Одна из струй в районе перехода сохраняется прямолинейной и при стеснении потока. Ее называют разграничивающей осевой струей. Она делит поток на право и левобережный. В стесненном потоке можно выделить участок транзитного движения воды и области замкнутого водоворотного течения. С верховой от перехода стороны водоворотные области занимают незначительную площадь. Они образуются у концов пойменных насыпей и струенаправляющих дамб. С низовой от мостового перехода стороны водоворотные области занимают значительную площадь.
Стеснение живого сечения реки мостовым переходом сопровождается следующими характерными деформациями водной поверхности в районе перехода.
Выше перехода на водной поверхности перед мостом образуется впадина, которая обусловлена более высокими скоростями прямолинейной части потока по сравнению со сливающимися под мостом потоками с поймы. Ниже по течению за мостом, где происходит растекание, поверхность воды транзитного потока приподнята относительно поверхности водоворота. В водоворотных областях, где течение замкнутое и характеризуется малой скоростью, свободная поверхность близка к горизонтальной.
В продольном профиле водной поверхности вдоль прямоструйной части потока, идущей через отверстие моста, можно выделить следующие характерные области. Выше моста от начального сечения наблюдается вниз по течению кривая подпора, в пределах которой уклоны и скорости уменьшаются по сравнению с бытовыми, а отметки водной поверхности повышаются. В некотором сечении на разграничивающей осевой струе (на вертикали П) разность между подпертой и бытовой глубинами достигает наибольшего значения ΔhП, называемого предмостовым подпором. Эта наибольшая разность распространяется до вертикали В, расположенной на расстоянии Хо от створа мостового перехода, после которой ниже по течению к мосту наблюдается явно выраженная кривая спада.
Значение подпора на вертикалях П и В могут приниматься одинаковыми и равными величине предмостового подпора, т.е. Δ hВ= Δ hП.
Непосредственно под мостом уровень воды, как правило, мало отличается от бытового уровня. Иногда он немного ниже. За мостом на участке растекания уклон и отметки водной поверхности меньше бытовых значений, но постепенно бытовые глубины и уклон восстанавливаются до бытовых условий.
Максимальный подпор Δ hН образуется у конца подходной насыпи (с верховой стороны) вблизи границы разлива высоких вод (на вертикали Н).
Криволинейное живое сечение (поверхность, перпендикулярная направлению струй ), проходящее через вертикали В и Н (рис.21), И.С. Ротенбург назвал граничным живым сечением, поскольку ниже его на водной поверхности стесненного потока перед мостовым переходом образуется впадина. С некоторым приближением можно считать, что через вертикаль Н максимального подпора у пойменной насыпи и через вертикаль П предмостового подпора проходит одна и та же горизонталь водной поверхности, окаймляющая впадину. Следовательно, на обеих вертикалях П и Н устанавливается одинаковая геодезическая отметка подпертой водной поверхности. В связи с этим максимальный подпор у пойменной насыпи всегда больше предмостового подпора, так как вертикаль Н находится ниже по течению и имеет в бытовых условиях более низкую отметку свободной поверхности, чем вертикаль П.
В соответствии с описанным рельефом водной поверхности и распределением скоростей в стесненном потоке в нем формируется распределение удельной энергии.
По характеру изменения величины удельной энергии живого сечения в транзитном потоке вдоль по течению различают три зоны.
Зона I – от вертикали, где поток имеет свое бытовое состояние до граничного живого сечения (В-Н), где образуется максимальный подпор. В этой зоне происходит нарастание удельной энергии потока, достигая своего максимума на линии В-Н.
Зона II находится между линией В-Н и сечением потока в отверстии моста. В этой зоне происходит в основном сужение потока в плане. Удельная энергия, достигшая в сечений В-Н максимума, во второй зоне вдоль по течению постепенно уменьшается.
Зона III расположена ниже по течению от перехода, между сжатым живым сечением в отверстии моста и конечным живым сечением, в котором восстанавливаются бытовые условия реки. В зоне III происходит растекание потока с образованием обширной водоворотной области. Потери энергии на гидравлические сопротивления в зоне III больше, чем на том же участке в бытовых условиях.