765

пролетов, минимальные размеры пролетов согласно условию беззаторного пропуска ледохода и карчехода. Степень удовлетворения указанных требований также зависит от выбора места мостового перехода;

—удовлетворениенужд экономическогоразвития,связанных

сиспользованием реки, а также соблюдение требований охраны природы. Это может потребовать уменьшения степени стеснения реки подходными насыпями, т.е. увеличения отверстия моста с целью сокращения затопляемых площадей во время половодий. Обеспечение интересов рыбного промысла, сохранения флоры и фауны в пойме реки может повлиять на выбор места мостового перехода.

На выбор места мостового перехода в первую очередь влияет общее направление проектируемой линии. Однако в некоторых случаях, обоснованных расчетом, место перехода может определяться направлением отдельных участков дороги. Обычно при пересечении средних водотоков место перехода определяется общим направлением дороги, при пересечении же больших водотоков решающим является выбор благоприятного места. Иными словами, выбор места мостового перехода через большой водоток может повлиять на направление проектируемой линии.

Рассмотрим основные требования, определяющие выбор места мостового перехода.

1. По условиям увязки с общим направлением линии желательно наименьшее отклонение места перехода от кратчайшего направления трассы. Это требование имеет особое значение при проектировании магистральных железных дорог высокой грузонапряженности. Однако чем выше стоимость мостового перехода, тем целесообразнее может оказаться выбор места перехода в более благоприятных условиях, обеспечивающих существенное снижение его стоимости, даже если это приводит к некоторому удлинению трассы. При сравнении вариантов учитывают как строительную стоимость перехода,таки стоимостьприлегающих участков трассы между общими точками для всех вариантов, а также эксплуатационные расходы по вариантам.

2. Участок русла реки в месте перехода должен быть устойчивым, по возможности прямолинейным или представлять собой плавную излучину. В противном случае из-за поперечной цирку-

21

ляции воды в одной части отверстия моста могут образоваться большие глубины, а в другой — отмель. Направления течения в русле и на поймах должны быть параллельными и мало изменяться в условиях колебания уровня воды.

3.На участке перехода поймы должны быть узкими, расположенными на высоких отметках, незаболоченными, по возможности без озер, проток и староречий. Это обеспечит наименьшие протяженность и высоту подходных насыпей к мосту и меньшие размеры регуляционных сооружений или отсутствие необходимости в них.

4.Створ перехода не следует располагать на перекатном участке реки, в местах образования наледей, заторов или зажоров льда, а также в местах, где река имеет рукава или острова. Островауменьшаютплощадь живого сечения потока подмостом,

всвязи с чем приходится увеличивать отверстие моста.

5.Следует избегать пересечения рек непосредственно ниже устья притоков во избежание скопления наносов под мостом. Это требование особенно важно для горных рек и участков рек в зоне эрозии, так как они выносят большое количество наносов.

6.Створ перехода следует располагать, как правило, перпендикулярно направлению руслового и пойменных потоков при расчетном паводке, отверстие моста и размеры регуляционных сооружений в этом случае будут минимальными. Это требование можно выполнить при соблюдении условия п. 2. Если направления пойменного и руслового потоков не параллельны, створ перехода располагают нормально к среднему направлению более мощного из потоков. Трасса перехода в пределах ширины разлива высоких вод должна быть по возможности прямой, что позволит сократить протяженность пойменных насыпей. На активно работающей пойме при повороте трассы от моста вниз по течению образуются водяные «мешки», создающие угрозу прорыва насыпи и затрудняющие слив воды с поймы в отверстие моста (рис. 2.4, участок а).

При повороте трассы от моста вверх по течению вдоль пойменнойнасыпивозникают сильные течения (рис. 2.4,участок б), что требует сложных и дорогостоящих средств защиты насыпи от подмыва. При прочих равных условиях вариант III имеет лучшие показатели мостового перехода, хотя при этом

22

возможно некоторое удлинение трассы между общими точками А и Б.

Б

1

2

б

I

Аа

Рис. 2.4. Варианты трассы I, II, III мостового перехода: 1 — границы разлива высоких вод; 2 — препятствие в плане

7.По инженерно-геологическим условиям преимущество имеют участки реки,где коренные и плотныепороды, которые могут служить основанием фундаментов опор моста, залегают неглубоко, а напластование пород не приводит к их смещению. Не рекомендуется располагать мостовой переход на участках, сложенных гипсом, с карстовыми явлениями, а также другими выщелачиваемыми породами. Следует избегать положения трассы перехода, при котором пересекаются оползневые косогоры надпойменной террасы.

8.Мостовой переход через судоходные и сплавные реки должен удовлетворять следующим требованиям:

— в месте перехода направление течения и оси судовых ходов должны быть по возможности параллельны, при этом мост следует располагать перпендикулярно направлению течения. Отклонение оси моста от нормали к направлению течения без увеличения ширины габарита судоходных пролетов допускается не более 5°. При большей косине, но не более 10° [9, 10], требуется увеличение ширины подмостового габарита;

23

—русло реки должно быть устойчивым, позволяющим удерживать судовой ход без перемещения его от одного берега к другому;

—мостдолжен бытьрасположен повозможности напрямолинейном участке реки и удален от перекатов на расстояние не менее полуторной длины буксируемого каравана судов или плотов;

—расположение мостового перехода в пределах речного порта не должно ухудшать условий рейдовых операций.

9. При пересечении реки вблизи проектируемого гидроузла трассу перехода располагают с учетом проекта строительства этого гидросооружения. Если по условиям подхода трассы железнойдорогик створуплотинывозможно проложитьпереход по плотине, то такое решение обычно рассматривают в проекте плотины. Мостовые переходы в зоне водохранилищ и нижних бьефов плотин проектируют с учетом бытового и измененного плотиной режимов реки. При этом возможны следующие варианты расположения мостового перехода:

—в нижнем бьефе плотины; в этом случае место перехода назначают вне зоны сосредоточенного размыва русла за плотиной;

—в пределах распространения подпора; здесь следует стремиться к сооружению перехода в наиболее узком месте водохранилища;

—в верхней части водохранилища, где возможны заторы льда; в этом случае следует установить границы заторной зоны

ирасполагать мостовой переход вне ее.

Итак,выше рассмотреныобщие обязательные,нонедостаточные условия для выбора места мостового перехода. Важнейшее влияние навыбор местамостового перехода оказывают русловые процессы, происходящие в реке.

2.4.2. Типы русловых процессов

Под русловым процессом понимают изменение плана и живых сечений русла под воздействием потока, транспортирующего наносы. Речной поток, имеющий определенную поступательную скорость, способен перемещать частицы грунта, лежащие на дне, т.е. руслоформирующие наносы. Это придает речному потоку

24

некоторые существенные особенности и характеризует его как двухфазный турбулентный поток: жидкая фаза — вода, твердая — переносимые частицы разного размера.

Считается, что руслоформирующие наносы состоят из частиц диаметром более 0,1 мм, а транзитные — из очень мелких частиц (менее0,1 мм) ипереносятся восновной своей массе к устью реки кзонеаккумуляции[9].Такимобразом,пылеватые(d=0,01…0,1 мм), илистые (d = 0,001…0,01 мм) и глинистые (d < 0,001 мм) частицы относятся, как правило, к транзитным наносам.

Эпюра скоростей речного потокапо вертикали имеет криволинейное очертание, которое апроксимируется логарифмической степенной функцией (рис. 2.5).

Скорости течения возрастают от дна к поверхности воды, так

что vпов > vср > vдон, где vпов — поверхностная скорость; vср = v — средняя скорость потока на вертикали; vдон — донная скорость

течения. Необходимо знать функциональную связь между этими скоростями. На частицы, лежащие на дне, непосредственно воздействует именно донная скорость vдон. Поверхностную скорость используют при гидрометрических работах на реках.

25

Среднюю скорость течения удобно использовать при гидравлических и русловых расчетах.

На твердую частицу диаметром d, лежащую на дне, воздействует сила гидродинамического давления Р и подъемная силаF. Подъемная сила возникает вследствие отрывного обтекания и неодинаковой величины продольных скоростей у верхней и нижней поверхностей частицы, а также от воздействия на частицу вихрей, образующихся у дна при турбулентном режиме течения. Этим силам противостоит сила трения частицы о дно F.

Очевидно, возможны три случая существования частицы в русле:

P > F — частица движется;

P = F — частица начинает двигаться или останавливается; P < F — частица неподвижна.

Среднюю скорость течения водного потока, при которой частицы, лежащие на дне русла, приходят в движение, называют размывающей скоростью. Термин «размывающая скорость» введен И.И. Леви. Часто эту же скорость называют неразмывающей, поскольку она соответствует началу движения наносов.

Существует более десяти зависимостей для определения неразмывающих скоростей. Однако ПМП-91 [10] рекомендует определять неразмывающую скорость для однородного по крупности несвязного грунта по формуле Б.И. Студеничникова

гдеg —ускорениесвободногопадения;Н—глубина потока;d — диаметр частиц несвязного грунта.

По формуле (2.18) строится график, приведенный на рис. А1 прил. А.

Процесс размыва связных грунтов, к которым относятся глинистые, суглинистые и супесчаные материалы, обладающие свойством пластичности (раскатывания), является более сложным. Этиматериалы состоят изоченьмелких пылеватых(мельче 0,1 мм) и глинистых (мельче 0,001 мм) частиц, между которыми возникают силы сцепления. В результате имеем дело не с отдельной частицей, а с массивом.

ПМП-91 [10] рекомендует определять неразмывающую скорость для связных и заторфованных грунтов по формулам:

26

— Ц.Е. Мирцхулавы:

где — коэффициент, принимаемый равным 1, когда в русле нет песчаных наносов, и 0,16, когда по руслу движутся песчаные донные наносы; С — коэффициент Шези—Маннинга, определяемый в зависимости от глубины потока и коэффициента шероховатости n; Ср — расчетное сцепление, Па.

По формулам (2.19) и (2.20) также строятся графики (см. прил. А, рис. А2 и А3). При расчетах следует учесть, что если коэффициент шероховатости n 0,3, то значения неразмывающей скорости, полученные по графику (рис. А3), следует умножить на величину 0,03/n; при движении по руслу песчаных наносов — умножить на 1/ = 0,865. При скорости течения, превышающей неразмывающую, возникает массовое влечение донных наносов.В случае P> F ипод действиемподъемной силы частица втягивается в поток и некоторое время движется, не соприкасаясь с дном. Приэтом исчезаетподъемная сила,которая действовала на частицу, лежащую на дне, и под действием силы тяжести она снова падает на дно, ударом приводит в движение другие частицы, и так процесс продолжается бесконечно. Таким образом, руслоформирующие наносы в своей массе перемещаются в виде сальтаций частиц. Мелкие частицы движутся в потоке в виде взвеси.

Количество наносов, проходящих через живое сечение водотока в единицу времени, называют твердым расходом. Этот расход измеряют в кг/с, т/с, а иногда в объемных единицах — м3/с. Насыщение потока наносами характеризуется величиной, которая носит название мутность. Она представляет собой отношение величины твердого расхода к расходу воды и измеряется в кг/м3 или т/м3. Если твердый расход определяют в объемных единицах, мутность выражают в процентах.

Очевидно, что водный поток, имеющий скорость vср, обладает соответствующей этой скорости максимальной транспортирующей способностью, т.е. в этом случае поток полностью насыщен

27

твердыми частицами. Если размываемого материала достаточно, то поток быстро на коротком участке реализует свою максимальную транспортирующую способность и далее движется в режиме стабилизации. Однако в силу турбулентного характера течения происходят изменения максимальной транспортирующей способности в виде пульсаций. Под действием такого течения на плоском дне возникают неровности в форме вытянутых в продольном направлении валиков — скоплений частиц. Как только такие неровности дна образовались, их размеры увеличиваются, поскольку они уже сами нарушают стабилизацию потока. На верховой стороне валиков, обращенной против течения, наблюдается ускоренноедвижение;на гребневыступапроисходит срыв потока с образованием за низовым откосом вихря с горизонтальной осью вращения, нормальной к направлению основного течения. В результате на дне вдоль по течению формируются гряды,следующиедругзадругом.Строениеихпоказанонарис.2.6.

УВВ

2

3

Рис. 2.6. Продольный разрез гряды:

1 — гребень гряды; 2 — подвалье гряды; 3 — вихрь; 4 — частицы, перемещаемые с гряды на гряду

Донные струи, движущиеся по верховому откосу гряды, увеличивают свою скорость при движении к гребню и размывают его. Сносимый материал частично попадает в подвалье, обеспечивая тем самым перемещение гряды, а частично переносится на

28

следующуюгряду. Вследствиетакого механизмадвижения наносов гряды постепенно смещаются вниз по течению. Таким образом, движение донных наносов происходит в форме движения гряд. Скорость смещения гряд значительно меньше скорости потока воды. В зависимости от типа реки и характера руслового процесса скорость движения гряд составляет от нескольких метров до сотен метров в год.

Повышенная шероховатость дна, созданная грядами, способствует усилению турбулентности потока, и, как следствие, все большая часть твердых частиц переходит во взвешенное состояние. Чем больше средняя скорость течения потока, тем интенсивнееидет процессвзвешивания твердыхчастицитембольшепоток насыщен взвешенными наносами. При достаточно большой скорости потока гряды смываются, и наносы полностью переходят вовзвешенноесостояние. Этускорость течения называюткрити-

ческой.

Переход наносов полностью во взвешенное состояние с исчезновением донных гряд возможен при условии, что наносы достаточно однородны по крупности. Если же крупность частиц различная, то крупные частицы движутся по дну грядами, а более мелкие — во взвешенном состоянии. На реках, даже в пиковый период редких высоких паводков, когда скорость течения велика, наблюдается движение наносов и в форме гряд по дну, и во взвешенном состоянии. Такая одновременно существующая двоякая форма перемещения наносов обусловлена различной их крупностью. Чередование периодов высоких и низких вод с соответствующими изменениями расходов воды и скоростей течения сильно влияет на количество и форму перемещения наносов. Во время низкой межени движение гряд приостанавливается, а во взвеси переносятся лишь мелкие частицы в виде транзитных наносов.

Согласноклассификации Государственногогидрологического института существует семь основных типов руслового процесса

[10].

1. Ленточногрядовый тип (рис. 2.7) характеризуется слабо извилистым руслом (коэффициент извилистости не более 1,2), повороты которогосовпадают с поворотом долины;берега устойчивые, задернованные; дно песчаное, крутые гряды занимают

29

всю ширину русла; поймы небольшие, ровные, без проток и староречий. Створ перехода через реку с ленточногрядовым типом руслового процесса располагают нормально к руслу и нешироким поймам. При расчете общего и местного размывов учитывают возможность образования максимальной глубины hmax в бытовых условиях при проходе расчетного паводка.

Рис. 2.7. Русло при ленточногрядовом типе руслового процесса:

а— план; б — продольный профиль по линии наибольших глубин;

в— совмещенные профили сечений по гребню и по подвалью гряды; ГВВ — горизонт высоких вод; ГМВ — горизонт меженных вод;

г — расстояние между гребнями гряд, м

2. Побочневый тип руслового процесса выражен движением наносов в виде гряд, занимающих все русло, и сильным перекосом в плане.

В большинстве случаев русла равнинных рек имеют криволинейное очертание в плане, ширина руслового потока значительно превышает его глубину, а скорость течения заметно изменяется по ширине потока. В таких условиях разные участки гряды наносов по ширине реки смещаются вниз по течению неодинаково. В результате гребень и подвалье гряды располагаются к берегам русла косо, приобретают в плане зигзагообразное очертание, высота гряды по ширине реки становится различной.

30