707

2.11.2. Выбор места мостового перехода

Мостовой переход (рис. 2.33) — это комплекс сооружений, возводимых в границах разлива высоких вод, включающих в себя в общем случае мост 1, подходные насыпи 2 и регуляционные сооружения 3, 4.

Рис. 2.33. Мостовой переход через реку:

а — продольный профиль; б — план; 1 — мост; 2 — подходные насыпи; 3 — струенаправляющие дамбы; 4 — траверсы

На выбор места мостового перехода влияют: общее направление проектируемой линии, морфологические и гидрологические характеристики реки, инженерно-геологические условия, требования судоходства и сплава.

Основные факторы, которые следует учитывать при выборе места мостового перехода (рис. 2.34):

–трасса железной дороги должна пересекать реку в наиболее узком месте, что предполагает меньшую длину моста;

–место мостового перехода должно назначаться как можно ближе к воздушной линии с тем, чтобы обеспечить кратчайшую длину линии;

–русло реки в месте пересечения должно обладать достаточной устойчивостью;

–в месте мостового перехода поймы должны быть не широкие и не заболоченные;

–мостовой переход не следует располагать в непосредственной близости от впадения значительных притоков;

–ось мостового перехода должна быть перпендикулярной направлению течения реки;

–по инженерно-геологическим условиям преимущество имеют участки реки, где коренные и плотные породы, которые могут служить основанием фундаментов опор моста, залегают неглубоко, а напластование пород исключает их смещение.

Рис. 2.34. Варианты трассы мостового перехода через реку

2.11.3. Определение максимальных расходов заданной вероятности превышения

Для проектирования мостовых переходов решающее значение имеют колебания годовых максимальных расходов. Задача сводится к установлению такого наибольшего расхода, который га-

73

рантировал бы устойчивость и сохранность сооружений на мостовом переходе, безопасность и бесперебойность движения поездов по участку мостового перехода.

Для сохранности сооружений мостового перехода могут представлять опасность расходы, превышающие принятый в расчет максимальный расход. Под вероятностью превышения того или иного максимального расхода принято принимать вероятность появления расходов, превышающих его значение. Норма вероятности превышения р задается в долях единицы (1/300; 1/100; 1/50) или в процентах (0,33; 1,0; 2,0 ℅).

Расчет сооружений мостового перехода ведется по двум расходам и соответствующим им уровням.

1.Отверстие моста определяется по расчетным расходам (уровням воды) с вероятностью превышения р = 1 % для линии III категории и выше и р = 2 % для линии IV категории [4].

2.Высота пойменных насыпей и струенаправляющих дамб определяется по наибольшим расходам (уровням воды) с вероятностью превышения р = 0,33 % для линии III категории и выше и р

=1 % для линии IV категории [4].

Определение расходов заданной вероятности их превышения производится различными методами в зависимости от наличия или отсутствия многолетних наблюдений годовых максимумов уровней и расходов воды для данной реки.

При наличии многолетних наблюдений (в дипломном проекте эти уровни приводятся непосредственно на планшетах либо задаются руководителем) для определения расходов заданной вероятности превышения применяется прогнозирование максимальных расходов на основе методов математической статистики.

Определение максимальных расходов заданной вероятности превышения при наличии многолетних наблюдений. В ходе выполнения дипломного проекта на листе миллиметровой бумаги строится продольный профиль местности мостового перехода (рис. 2.35). Масштабы профилей зависят от длины перехода и принимаются по табл. 2.45.

Профиль мостового перехода по границам главного русла разбивается на три части:

1)главное русло;

2)левая пойма;

3)правая пойма.

Рис. 2.35. Профиль мостового перехода

74

Таблица 2.45

Рекомендуемые масштабы профилей мостового перехода

Необходимо на профиль из таблицы наблюдений за уровнями высоких вод (исходные данные) выбрать и нанести следующие уровни воды:

1)самый минимальный уровень воды (Нmin), м;

2)первый средний уровень (Нср.1), м;

3)второй средний уровень воды (Нср.2), м;

4)самый максимальный уровень воды (Нmax), м;

5)теоретический уровень воды, на метр превышающий максимальный (Нmax +1), м.

Для каждого участка профиля мостового перехода (относительно выбранных уровней высоких вод) определяем следующие гидрологические характеристики:

1)ω — площадь живого сечения участка, м2;

2)В — ширина свободной поверхности воды, м;

3)Нср = ω/B — средняя глубина или гидравлический радиус, м;

4)v = mHñð2/3I1/ 2 — скорость течения воды, м/с;

5)Q = ωv — расход воды, м3/с.

Значение коэффициента шероховатости поверхности ложа потока (m) зависит от характеристик потока, морфологических признаков и определяется по прил. Ю.

Продольный уклон реки (I, ‰) определяется по карте, непосредственно в месте мостового перехода.

Результаты расчета сводятся в табличную форму (табл. Я1).

По результатам расчетов основных гидрологических характеристик строим кривую Q = f(H) (рис. 2.36). По ней можно определить расход для всех остальных значений наблюденных уровней воды. Также строится кривая скорости v = f(H) для главного русла (рис. 2.37).

Для определения расходов воды (Qp, Qmax) и уровней воды (Нp, Нmax) методами математической статистики необходимо иметь данные о максимальных расходах воды за ряд лет и построенные кривые зависимости Q = f(H) и v = f(H).

Статистической обработке подвергается ряд годовых максимальных расходов воды.

Рис. 2.36. График зависимости расхода воды от уровня воды

75

Кроме того, по данным гидрологической станции должна быть установлена генетическая природа максимальных расходов воды данной реки. Допустим, в рассматриваемом примере максимальные расходы образуются в основном от ливневого стока.

Расчет начинается с определения среднего арифметического значения максимального расхода. Сумма

n

максимальных годовых расходов (графа 4-я) ∑Qì( i) = 6035 м3/с при числе членов ряда n = 20.

В графах 5-й и 6-й получены данные для расчета коэффициента вариации Сν.

При ограниченном числе членов ряда (n ≤ 30) коэффициент вариации определяется по формуле (2.96)

77

Таблица 2.46

Ведомость определения расходов заданной вероятности превышения

Правильность вычислений модульных коэффициентов проверяется их суммой, которая должна

n

Определив сумму квадратов модульных коэффициентов ∑Êi2 (см. табл. 2.46), по формуле

1

(2.96) определяем коэффициент вариации:

Q = 25,13− 20 = 0,27 = 0,52 .

При расчете максимальных расходов от ливневого стока на равнинных реках следует принимать коэффициент асимметрии Cs, равный удвоенному значению коэффициента вариации: Cs = 2Cν.

Ординаты Кр% для вычисления расходов по формуле (2.97) получаем из табл. А′1, интерполируя табличные значения Кр% при Cν = 0,5 и Cν = 0,6.

Расходы заданной вероятности превышения составят: Q0,33 % = 3,01 302 = 909 м3/с;

Q1,0 % = 2,59 302 = 782 м3/с.

2.11.4. Расчет отверстия моста

Отверстие моста должно полностью перекрывать коренное русло, в которое входят меженное русло и побочни. При широких поймах, пропускающих в половодье значительное количество воды, пересечение всей поймы насыпями приведет к резкому увеличению скоростей у моста и глубоким размывам. Поэтому отверстие моста кроме главного русла должно перекрывать и часть поймы.

В курсовом проекте при пересечении трассой больших и средних водотоков отверстие моста можно определить по приближенной формуле [25]:

78

где В — отверстие моста, м; р — допускаемый коэффициент размыва (для приближенных расчетов можно принимать равным 1,0–1,25); Вгр — ширина главного русла, м (определяется по карте); Враз — ширина разлива реки при наивысшем наблюденном горизонте высокой воды, м.

Полученная величина В округляется в бо´льшую сторону и принимается для определения стоимости моста в соответствии с типовыми пролетными строениями.

В дипломном проекте отверстие моста определяется по графику накопления площади живого сечения (рис. 2.38).

График строится на миллиметровой бумаге на одном листе с живым сечением в месте перехода. Горизонтальный масштаб для живого сечения водотока и графика накопления площади живого сечения принимается общим. По оси ординат графика откладывают суммы площадей живого сечения, а по оси абсцисс — длину. Начало координат графика можно принять от уреза расчетного уровня воды (см. рис. 2.38).

Затем живое сечение реки разделяется вертикалями на элементарные фигуры и ведется подсчет их площадей. На графике, снося вертикали, откладывают нарастающим итогом сумму значений элементарных площадей. Полученные точки соединяют плавной кривой и получают кривую, которая характеризует накопление площади живого сечения.

Потребная площадь живого сечения под мостом без размыва русла определяется по формуле

где vр — средняя расчетная скорость течения воды на пике паводка. В дипломной работе ее значение принимается по графику зависимости v = f(H) (рис. 2.37).

Положение одной из береговых опор задается в зависимости от геологических и других местных условий.

От точки кривой накопления рабочей площади, соответствующей намеченному положению устоя (например, точка I на рис. 2.38), по оси ординат откладывают значение вычисленной потребной площади и через эту точку проводят прямую, параллельную оси абсцисс. Точку пересечения этой прямой с кривой накопления площади живого сечения сносят на ось абсцисс и получают таким образом положение другого берегового устоя (точка II), т.е. определяют потребное отверстие моста. Площади ω будет соответствовать наибольшее отверстие моста Lmax, определяемое по графику (см. рис. 2.38).

В результате стеснения живого сечения подходными насыпями произойдет размыв русла под мостом. Площадь живого сечения под мостом после размыва ωпр увеличится и будет равна:

где ωдр — площадь живого сечения до размыва, м2; р — коэффициент размыва.

79

Следовательно, если учесть, что русло под мостом будет размываться, то потребную площадь живого сечения можно уменьшить, введя в расчет потребной площади коэффициент размыва. Тогда с учетом размыва потребная площадь живого сечения под мостом будет равна:

Очевидно, что ω′ ≤ ω, так как р ≥ 1.

Коэффициент размыва имеет предельные значения и нормируется в зависимости от величины расхода воды в реке q, приходящейся на 1 м фронта потока.

Максимально допускаемые коэффициенты размыва следует принимать по табл. Я3.

Определив q = Qp /Lmax и значение коэффициента размыва р, можно подсчитать потребную площадь живого сечения с учетом размыва ω′.

Площади ω′ будет соответствовать наименьшее отверстие моста Lmin (см. рис. 2.38). Если полученное таким образом положение второго берегового устоя (точка II) окажется почему-либо недостаточно благоприятным (например, опора окажется в пределах главного русла), можно назначить другое положение первого берегового устоя (точка I). Подобным построением в обратном порядке можно найти положение первого берегового устоя (точка I′), соответствующее отверстию моста Lmin.

Главное русло потока должно целиком включаться в расчетное отверстие моста.

Варьируя между крайними значениями Lmax и Lmin, находят наиболее приемлемое решение при назначении итогового отверстия моста (необходимо учесть выбранную схему моста и длину пролетных строений).

Величина пролетов больших и средних мостов обуславливается, с одной стороны, экономическими соображениями, а с другой — требованиями судоходства, сплава и условиями ледохода.

С точки зрения экономики величина пролетов зависит от высоты моста и от геологических условий: чем больше высота моста и чем сложнее геологические условия, тем выше стоимость опор и поэтому тем большие пролеты оказываются выгоднее. В связи с этим, в частности, в пределах главного русла целесообразнее назначать большие пролеты, чем на поймах, где глубина заложения опор меньше и устройство оснований под опору дешевле, чем в главном русле.

Судоходные пролеты размещаются в количестве не менее двух: по пролету для каждого направления (вниз и вверх по реке), обязательно в главном русле реки. Если ширина главного русла в межень меньше ширины двух судоходных пролетов, то устраивается один судоходный пролет.

2.11.5. Определение расчетного судоходного уровня

Отметка расчетного судоходного уровня, от которого отсчитывается высота подмостового габарита (табл. 2.48), является одной из основных данных для определения проектной отметки железнодорожной линии на мостах через судоходные реки.

Исходными для определения отметки судоходного уровня Нрсу являются: многолетний ряд годовых максимальных уровней в створе моста, данные водомерных наблюдений о колебаниях уровней воды в течение года и класс реки (характеристики классов внутренних водных путей России, соответствующие действующим нормам [22], приведены в прил. Б′).

Пример. Необходимо определить расчетный судоходный уровень для реки III класса. Исходный ряд наблюденных на реке за 20 лет наивысших уровней в порядке убывания приведен в табл. 2.47.

Согласно ГОСТ 26775–85 на реках III класса за расчетный для определения Нрсу принимается год, в котором наивысший уровень воды имеет вероятность превышения р = 4 % (табл. 2.47).

Находим порядковый номер этого расчетного года в ряду, где уровни расположены в порядке убывания:

m = P(n+0,4) + 0,3 ; 100

80

m = 410020,4 + 0,3 =1,12 .

Принимаем m = 1, т.е. расчетный год — 1956-й с наивысшей отметки уровня 1431 см над нулем графика гидрологической станции.

Далее устанавливаем число суток t в расчетном году, в течение которых уровни могут быть выше уровней Нрсу. Это число суток определяется в виде процента К от фактической продолжительности навигации в расчетном году tнав. Для рек III класса К = 6 % (табл. 2.47).

В примере фактическая продолжительность навигации в 1956 г. по данным гидрологической станции составила tнав = 222 сут (рис. 2.39). Следовательно,

Принимается t = 13 сут и по графику колебаний уровней в 1956 г. (см. рис. 2.39) устанавливается, что уровнем, выше которого уровни воды стояли в течение 13 сут, является уровень с отметкой 1130 см. Этот уровень принимается за расчетный судоходный уровень с отметкой 1130 см. Этот уровень и принимается за расчетный судоходный уровень. Его абсолютная отметка (с учетом отметки 0 графика

— см. рис. 2.39) Нрсу = 114,9 + 11,3 = 126,20 м.

2.11.6. Проектирование продольного профиля железных дорог на мостовых переходах

Минимальная отметка проектной линии в пределах судоходных пролетов определяется по формуле

где Нрсу — расчетный судоходный уровень, м; Нгаб — высота подмостового габарита в средней части пролета над РСУ, м; зависит от класса реки и принимается по табл. 2.48; hстр — строительная высота наибольшего судоходного пролетного строения моста, м; в расчетах принимаем от низа конструкции в пролете до подошвы рельса (табл. 2.49); hбал — толщина балластного слоя, м (принимается по прил. Р); hшп —толщина шпалы, м (для железобетонных шпал hшп =

= 0,23 м; для деревянных hшп = 0,15 м); hсп — высота сливной призмы, м (для однопутной ж.д. hсп = 0,15 м).

Таблица 2.48

Подмостовые габариты судоходных пролетов мостов

81

Примечания: 1. Приведенные в табл. 2.48 значения являются габаритами судового хода под судоходными пролетами.

2.В знаменателе приведена ширина для второго и последующих судоходных пролетов.

3.Значения ширины В, указанные в графе 4-й, приведены для разводного пролета, предназначенного для пропуска

только судов с большой надводной высотой (превышающей значения, указанные в прил. Б′). Если разводной пролет предназначен для пропуска составов, то его ширину следует принимать в соответствии с графой 3-й.

Расчетный судоходный уровень воды (Нрсу) определяется по многолетнему ряду наблюдений (п. 2.11.5) и всегда принимается ниже расчетного уровня высоких вод.

При большой ширине пойм в месте мостового перехода для уменьшения объема подходных насыпей следует, выдерживая на мосту площадку необходимой по нормам проектирования продольного профиля длины, спуститься от нее возможно более крутым уклоном (вплоть до руководящего) до минимально допустимой отметки на пойме (рис. 2.40). Если длина моста превышает минимальную длину площадки, то можно располагать на уклонах даже береговые пролеты моста (при условии применения в них пролетных строений с устройством пути на балласте).

Рис. 2.40. Схематический продольный профиль линии в пределах мостового перехода и кривые подпора и спада:

а — при наличии струенаправляющих дамб; б — при отсутствии струенаправляющих дамб;

1 — подпор с верховой стороны; 2 — спад с низовой стороны

82