7. Местный размыв у опор моста

7.1.Формирование местного размыва у опор моста

При проектировании мостовых переходов одним из элементов расчета является определение местного размыва у опор моста.

Во время высоких паводков на мостовых переходах поток, как правило, сжат подходами к мосту, что вызывает общий размыв дна. Вместе с тем, в это же время наиболее резко изменяется кинематическая структура течения около опор, приводящая к глубокому местному размыву. Таким образом, в большинстве случаев, местный размыв происходит в условиях поступления наносов сверху по течению потока воды от общего размыва, который является фоном развития местного размыва.

Формирование местного размыва одновременно с общим наступает после выхода воды на пойму, идут они параллельно, как бы независимо друг от друга, поскольку вызывающие их причины разные. В одном случае – сжатие потока воды подходами, в другом - локальное нарушение структуры при встрече препятствия в виде опоры моста.

Механизм местного размыва можно себе представить следующим образом. Начинается размыв у лобовой и боковых граней опоры, вследствие сгущения линий тока и выравнивания по вертикали скоростей течения у дна и на поверхности воды /2/. Изгиб течения в плане при обтекании опоры и вызываемая этим поперечная циркуляция воды создают нисходящее течение вдоль передней грани опоры. У дна перед опорой образуется водяной валец, он интенсивно размывает дно, валец распространяется и на бока опоры. Над вальцом с боков опоры продольное течение подхватывает вымытые с дна грунтовые частицы и выносит их вниз за опору (рис.24).

Рис. 24. Схема обтекания цилиндра потоком воды

Максимальные глубины размыва образуются перед носом опоры и сбоку ее, невдалеке от носовой части, разница в глубинах впереди и сбоку почти не замечается.

Более поздними экспериментальными исследованиями /13/ установлено, что при обтекании потоком мостовой опоры образуются три характерные зоны: зона трехмерного отрыва, где формируется большой подковообразный вихрь, расположенный в придонной части опоры; зона в кормовой части опоры, включающая в себя точки двумерного отрыва и водоворотную область; и зона волнообразования, возникающая в результате обтекания потоком препятствия в виде опоры. Особо следует отметить, что местный размыв развивается гораздо быстрее, чем общий. Объем грунта, выносимый потоком при общем размыве, во много раз превышает объем грунта из воронки размыва около опоры, поскольку общий размыв распространяется на значительное расстояние вверх по течению, а размеры воронки в плане соизмеримы с шириной опоры.

Глубина местного размыва у опор моста определяется после расчета общего размыва дна в пределах отверстия моста.

7.2. Расчет глубины местного размыва по формулам всн62-69

Для несвязных грунтов расчетные формулы имеют вид /3/:

• при поступлении донных наносов в воронку размыва

(57)

• когда поток не влечет донные наносы или какая-либо причина исключает их поступление в воронку размыва

(58)

(59)

где Н₀ – предельная глубина местного размыва у одиночной цилиндрической опоры при V=V₀, м;

b – расчетная ширина опоры моста, определяемая по приложению 8 или 9, м;

h – глубина потока воды перед опорой после общего размыва дна реки, м;

β – параметр формулы и показатель степени, вычисляемый из выражения β = 0,18(b/h)^0.867 или определяемый по приложению 11;

V – средняя скорость течения в отверстии моста после общего размыва, м/с;

V₀ – неразмывающая скорость, м/с;

V_Н – начальная скорость трогания частиц грунта дна у боковых граней опоры;

W – средняя гидравлическая крупность несвязного грунта, м/с. Определяется по приложению 12;

М – коэффициент, зависящий от формы опоры, определяемый по рис.25;

К – коэффициент, учитывающий угол между вектором скорости набегающего потока воды и осью опоры. Определяется по формуле

(60)

где f - коэффициент, определяемый по графику (рис. 26) в зависимости от угла набегания потока на опору α° и отношения длины опоры к ее ширине L/b.

Если α° ≤ 10° (угол между направлением набегающего потока и осью опоры ), то коэффициент К принимают равным 1.0.

Во всех расчетных формулах, приведенных выше, глубина потока перед опорой h с учетом общего размыва равна

(61)

где h_max– глубина потока перед опорой до общего размыва, м;

Р – коэффициент общего размыва по площади.

Средняя скорость течения в отверстии моста после общего размыва (м/с) определяется по формуле

(62)

где Q_Р – расчетный расход, проходящий через отверстие моста, м³/с;

ω_БМ – площадь живого сечения в пределах отверстия моста (м²), вычисленная по формуле (51)

Неразмывающая скорость течения для несвязных грунтов (м/с) определяется по формуле Б. И. Студеничникова

(63)

где h – глубина потока воды перед опорой после общего размыва, м;

d – средний диаметр частиц грунта на линии общего размыва, м. Принимается по приложению 7.

Начальная скорость трогания частиц грунта дна у опоры (м/с) определяется из выражения

(64)

где d и h подставляют в одинаковых мерах. Показатель степени y = 0,125 (для натуральных условий).

Если дно реки сложено связными грунтами, расчет местного размыва производят по зависимости

(65)

где V₀ вычисляют по формуле для связных грунтов

(66)

где С_Р – расчетное сцепление, определяют по приложению 13;

ε – коэффициент абразивности. Если по дну влечется песок, то ε = 1,4. При отсутствии песка ε = 1,0.