книги / Местный размыв у опор мостов

Рис. 1.3. Графики Г. Р. Гопкннса, Р. В. Вепса и Б. Касрап [51] сравнений относительных глубин размыва, вычисленных по формулам зарубежных ав­

Варцслнотис

Для приведенных данных Рг = 0,1 \Н/Ь'= 2,0. Из графиков для этих координат получено, что глубина местного размыва колеблется от 0 до 9,05 м.

На основании выполненных исследований Г. Р. Гопкннс, Р. В. Вене и Б. Касраи приходят к выводу, что кривые и, сле­ довательно, формулы различных авторов можно рассматриватьлишь как умозрительные построения, оторванные от фактиче­ ских данных, чем и объясняется недоверие инженеров-мостови- хов к этим формулам. Для оценки правомерности формул, за­ ключают они, необходимы данные натурных (полевых) нзмеэений.

Аналогичные описанной работе Г. Р. Гопкинса, Р. В. Вепса и Б. Касраи сравнения зарубежных эмпирических формул вы­ полнил С. К. Джайн [44]. Так же, как Г. Р. Гопкиис, он срав­ нивает формулы между собой, не привлекая каких-либо факти­ ческих данных. В результате сравнений С. К. Джайп предла­ гает свою формулу глубины местного размыва у опоры

Л = 1,8460*70/ У0>17

Легко установить, что приведенная формула не отвечает физическому смыслу явления, так как крупность наносов в мен (а виде неразмывающей скорости Уо) учитывается не в обрат­ ной, а в прямой пропорциональности. Кроме того, в формуле отсутствует скорость потока V.

Рассматривая приведенные выше подходы к определению глубины местного размыва у опор мостов, можно сделать вы­ вод, что отечественные эмпирические методы хотя и основаны на лабораторных исследованиях, но охватывают достаточно полный диапазон влияющих на размыв факторов и в некоторых случаях в> них осуществляются выборочные сравнения с натур­ ными данными.

Зарубежные методы расчета почти целиком построены на лабораторных экспериментах. При этом репрезентативность небольшого числа привлеченных натурных данных сомнительна (К. К. Инглис, X. В. Шен) чли эти данные ставят под сомне­ ние построенные расчетные зависимости (Е. М. Лаурсен). В ряде зарубежных разработок авторы пошли по пути пренебре­ жения главнейшими факторами местного размыва, вследствие чего расчетные зависимости носят грубо эмпирический харак­ тер. Другая группа зарубежных разработок, хотя и охватывает большое количество факторов местного размыва, но использу­ ет ненадежные связи, вследствие чего не точны и конечные рас­ четные построения.

Такие выводы были сделаны нами [10] при исследованиях 1975—1977 гг., постановка которых была связана с накопив­ шимися запросами проектных и строительных организаций о правомерности существующих методов расчета местного раз-

мыва у опор мостов. Из этих выводов также в т е к а т ь необхо­ димость оценки методов по данным фактических намерении глубин местного размыва, что является неоспоримым критери­ ем репрезентативности того или другого метода.

1.2.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕТОДОВ

В связи с исследованиями 1975—1977 гг. из большого коли­ чества литературных источников., а также из архивов научноисследовательских н проектных организации Союздорнни были собраны данные натурных измерении и данные крупномасштаб­ ных опытов на реках. Общее число собранных данных состави­

исходных данных (см. также пояснения к кадастру, приведен­ ные в приложениях 1 и 2), в том числе п данных лабораторных опытов.

При сборе натурных данных основным стремлением было получить по возможности однородную исходную информацию: высокие или средпевысокпс паводки, при которых измерялся размыв; наличие завершенности общего размыва подмостового русла; отсутствие косины потока или достаточно уверенная оценка угла косины; измеренная по плану в горизонталях глу­ бина воронки размыва и средняя глубина потока; измеренная инструментально скорость потока в створе опоры; наличие гранулометрической кривой фракций наносов или определенно­ го в лаборатории сцепления в грунте; наличие чертежей опоры.

В подавляющем числе случаев, для наблюдений, помещен­ ных в кадастре, приведенный выше перечень условий выполнить удалось. Во всяком случае этим условиям отвечает № кадаст­ ра 1—6; 8—41; 66—96; 99—101; 114—133; 140—160; 163; 164; 172—194. В некоторых случаях, однако имелись замеры мест­ ного размыва при уровне воды, близком к межени (№ 161. 162) или со льда (№ 165, 166, 168 и 169); ие было сведений о сио •собе получения скорости потока (№ 47—62),или скорость пото­

функции, описывающей глубину местного размыва, замо в работе автора [15].

Проверялась репрезенгивность собранных данных лабора­ торных опытов. Известно [10 и др.] что при малы:; ..одела \ лабораторные опыты по сравнению с натурными измерениями дают, как правило, преувеличенные глубины размыв а. При попытке установить влияние масштабности опытов он что, помимо искажений результатов за счет твердой фазы по­

тока (здесь уместно привести известную сентенцию — грунт не моделируется»), искажения глубин размывов увеличиваются по мере уменьшения размеров моделей пропорционально сни­ жению абсолютных значений лобового давления потока на опо­ ру и чисел Ке. По-внднмому, при очень малых смоченных пло­ щадях опор образуется своеобразное распределение струп набе­ гающего потока, которое в сочетании с уменьшенным трением потока об опору вызывает непропорционально увеличенный местный размыв. Граничные значения площадей давления по­

штаба непрерывно возрастает. Поэт му влияние масштабности не может быть оценено постоянным коэффициентом, как это сделано, например, при выводе формулы (1.11).

Существенным является вопрос о продолжительности лабо­ раторных опытов. Как отмечалось выше, при движении наносов так называемая равновесная глубина размыва наступает зна­ чительно быстрее, чем при размыве в осветленном потоке. По данным разных авторов, время наступления равновесной глу­ бины колеблется от 20 мин (И. А. Ярославцев, А. М. Латышенков) до 1 ч и больше (М. Бопасоуидас, В. С. Муромов).

Значительно медленнее происходит размыв в осветленном потоке. В этом случае для достижения практически неизменяе­ мой глубины размыва время исчисляется сутками. Так, М. Бокасоундас это время считает равным 3—5 сут, а В. С. Муромов определяет его «сотнями часов», но отмечает, что после не­ скольких часов прирост глубины размыва становится очень медленным. При крупномасштабных опытах на реках Оке н Протве продолжительность наблюдений ограничивалась 2*1 ч.

Из числа использованных оказалось известной продолжи­

А этот вопрос чрезвычайно важен, чго видно из сопотм.шлепни, сделанных М. Бонасоундасом [39]. Им установлено, чго время стабилизации размыва в условиях осветленного потока замнет от отношения средней скорости потока к неразмынаюшой и по

ва (рис. 1.4,6) дает удовлетворительное соответст.'ч лишь по лабораторным данным (Л„=0,04—0,3 м), а в зоне унатур­ ных и натурных данных характеризуется резким колебанием значений Н/1гн от 0 до 1,9, что недопустимо для расчетов.

Формулы зарубежных исследователей также не дают удов­ летворительного соответствия вычисленных значении глубин размыва фактическим. Наибольший диапазон колебаний точек на графике дает формула Е. М. Лаурсеиа — А. Точа (/:./<,= =0,5ч-5,0) с ярко выраженной тенденцией завышения расчет ных значений глубин размыва примерно в 1,8 раза. Неменыннй

Диапазон колебаний точек дает формула М. Бонасоуидаса с выраженной тенденцией завышения расчетных глубин размыва в 1,8—2 раза. Оказалось, что формула М. Бонасоуидаса не оп­ равдывает тех интересных экспериментальных и теоретических исследований, которые выполнил этот автор [39].

ских наблюдений (рис. 1.5), показывает недопустимо большое колебание А/Л„. При этом следует отметить, что хотя формула X. В. Шена дает и меньший диапазон колебаний Л/Аи= (0,5-т- -5-3,0), но точки наблюдений на графике распределяются менее равномерно, чем на графике, составленном по формуле К. К- Ин-

глиса. В то же время на обоих графиках можно ей; а затем снижение значений А/Лн с абсциссы А,,= 1,0

Таким образом, сравнение формул с фактически:.!и данными показывает, что ни одна из них не дает удовлетворительных результатов. Формулы неудовлетворительны и по своей струк­ туре, а в ряде случаев неверно отображают физический смысл явления. Поэтому сделан вывод [10], что необходим поиск более обоснованных натурными данными расчетных методов. Одна из попыток такого поиска рассматривается ниже.

1.4. МЕТОД СОЮЗДОРНИИ (1977 г.)

Анализ взаимодействия факторов показал большую слож­ ность явления местного размыва, исследование которого обыч­ ными методами построения эмпирических связей малоэффек­ тивно, в чем убеждают рассмотренные выше формулы ряда авто­ ров. Поэтому, опираясь на фактические данные, автор решил рассмотреть явление местного размыва па критериальном и феноменологическом уровнях.

Было выяснено, что основные факторы местного размыва укрупиенпо можно описать двумя критериальными функциями: лобового давления потока на опору п подвижности или перено­ са наносов.

Связь глубин местного размыва, освобожденных от влияния формы опоры (но без выделения режима наносов), с площадью лобового давления потока на опору выражается уравнением

(1-31)

Параметр а, учитывает в.’ ние скорости потока и крупно­ сти наносов.

За характеристику крупности наносов была принята нераз­ мывающая скорость по. выражения которой, предложенные разными авторами, существенно различаются. Так, В. Н. Гон­ чаров, Б. И. Студеиичннков и А. М. Латышенков закономер­ ность изменения у0 в зонах разной крупности наносов прини­ мают одинаковой. В. С. Кнороз, И. И. Леви, М. А. Великанов справедливо считают, что иеразмывающая скорость зависит не только от диаметра частиц, ио и от числа Рейнольдса, которое определяет коэффициент трепня потока, поэтому Уо не может изменяться одинаково в зонах разной крупности наносов. Меж­ ду зоной гладких русел и квадратичной зоной эти авторы вы­ деляют переходную зону.

Однако попытки использования тех и других выражений неразмывающих скоростей в исследовании параметра ах пока­ зали, что с помощью неразмывающнх скоростей местный раз­ мыв может быть описан лишь на коротких участках некоторых

зон крупности наносов [10], что нарушает принцип неразрывно­ сти функции.

Вместе с тем исследованиями установлено, что параметр аI подчиняется некоторой определенной закономерности изменения (Характеристик крупности наносов, отличной от закономерностей

размыва Н. Оказалось, что степень «0 может быть выражена от­ ношением:

Как видно из рис. 1.6, натурные данные распределились по крупности наносов настолько отчетливо, что представилось воз­

где а3 — параметр, зависящий от крупности наносов.

Исследование параметра аз показало, что он может быть выражен через средний диаметр фракций наносов или через их гидравлическую крупность:

0,47 Уе _ Уд

(1.36)

ш0,33 (ёи>)0,Э

Как более простая и физически ясная для дальнейших по­ строений принята зависимость (1.36), введение которой в (1.32) дает следующую формулу глубины местного размыва: