книги / Мостовые переходы

ей составлен график (рис. IV. 19)', который дает возможность опре­ делять высоту, длину и пологость волны в пределах глубоководной зоны водоемов. Найденные с помощью графика параметры ветро­ вой волны затем пересчитывают для условий мелководья.

Предварительно определяют величину а= 1000x/o2iO (где длина разгона волны хв м, а расчетная скорость ветра vi0в м/с), которую откладывают на оси абсцисс (рис. IV. 19, точка А). Из точки А восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой графи­ ка В, а затем точку Всносят на ось ординат и получают точку D.

В результате этого на кривой графика находят значение величины b=Xr/hB(г) (пологость волны), а на оси ординат — значение величи­

ны с= 1000/гВ(г)/и2ю. В этих выражениях параметры волны ЛВ(г) и Я,г в м, а скорость г>м в м/с. Индекс «г» указывает на то, что пара­ метры волны соответствуют глубоководной зоне водоема.

121

щее ей значение / = ЯМ/Ав(м) (где АВ(м) и кмв м) на основании приве­ денных ниже данных:

Параметры АВ(М) и Ям имеют 1%-ную вероятность превышения. Расчет параметров ветровых волн производят по направлениям ветра всех восьми румбов. Это объясняется тем, что расчетная скорость ветра г>ю, длина разгона волны х и средняя глубина во­ доема А для разных направлений имеют различные значения; сле­ довательно, заранее трудно сказать, какое направление является

наиболее волноопасным.

Наличие на поймах реки леса или кустарника приводит к неко­ торому снижению высоты ветровой волны. Это снижение учитыва­ ют путем умножения найденной по формуле (IV.50) высоты волны на коэффициент /Сл< 1,0.

При проектировании мостовых переходов через несудоходные и несплавные реки для проверки возвышения низа конструкции мос­ та нужно знать высоту превышения гребня волны над статическим,

Высота набега волны на откосы насыпей и других сооружений Анаб (см. рис. IV. 17) зависит от высоты и длины ветровой волны, крутизны откоса, шероховатости и проницаемости крепления отко­ са, наличия берм, а также от косины подхода волны к откосу.

При фронтальном подходе волны к откосу высоту набега huаб находят по формуле, рекомендованной СН 92—60:

т\ Па

непроницаемого покрытия (асфальтобетона), 0,90 — для бетонного покрытия, 0,80 — для мощения камнем, 0,65—-для наброски из ва­

122

Г л а в а V

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Мостовые переходы устраивают в большинстве случаев со стес­ нением рек подходными к мостам насыпями. Во время высоких вод насыпи обычно перекрывают большую часть ширины разлива ре­ ки, а отверстие моста составляет меньшую часть (см. рис. 1.1). Стеснение потока насыпями вызывает существенное его перефор­ мирование по сравнению с бытовыми условиями. Оно распростра­ няется по реке на большое расстояние вверх и вниз по течению от мостового перехода. Как показывают наблюдения, на существую­ щих переходах влияние перехода на поток сказывается на расстоя­ нии в несколько ширин разлива.

Опоры моста сравнительно мало стесняют поток и приводят лишь к местному изменению его структуры вблизи опор.

Переформирование речного потока вследствие стеснения мосто­ вым переходом зависит от гидравлических параметров реки в не­ стесненном состоянии и от меры стеснения потока сооружением.

§ V.I. ОСНОВНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РЕК ВО ВРЕМЯ РАЗЛИВА ВЫСОКИХ ВОД

Режим течения в реках турбулентный и относится к области квадратичного сопротивления. Числа Рейнольдса (Re) большие, измеряются сотнями тысяч и миллионами (табл. V.1).

Т А Б Л И Ц А V.1

Гидравлические параметры нестесненного водотока

Равнинные реки и предгорные участки рек имеют небольшие продольные уклоны в пределах от нескольких стотысячных до не-

124

скольких десятитысячных. Параметры кинетичности этих рек (чис­ ла Фруда, в которых линейным размером является глубина пото­ ка) можно выразить через продольный уклон и скоростной коэф­ фициент в формуле Шези:

Ввиду большой относительной шероховатости естественных водо­ токов коэффициент Со в них почти никогда не превышает 40—50 м V2/c, поэтому продольный уклон ioбывает значительно меньше, чем g/C2о, и, следовательно, параметр кинетичности /7к.б речного потока — величина, много меньшая единицы. Обычно па­ раметр кинетичности имеет величину порядка нескольких сотых или даже тысячных. Таким образом, одной из отличительных осо­ бенностей рассматриваемых водотоков является весьма спокойное течение.

Характерной особенностью рек во время высоких вод является также очень большая величина отношения ширины потока к его глубине Ljho, которая измеряется сотнями и тысячами. Вследствие большой ширины потоков отношение числа Фруда, в котором за линейной размер взята ширина потока, к продольному уклону во­ дотока, как правило, бывает меньше единицы. Выразим этот пара­ метр через скоростной коэффициент и относительную ширину:

Для. рек во время высоких вод LjhoX^olgи, значит, Fr/Zo< 1,0. Па­ раметр FrД'б не превышает обычно нескольких десятых, а на участ­ ках равнинных рек с широкой поймой снижается до нескольких со­

тых.

Заметим, что параметр РгД'б, так же как и параметр кинетич­ ности /7к.б, является одним из основных критериев гидравлического подобия речных потоков; он выражает соотношение в потоке сил инерции и сопротивления (трения). За характерный линейный раз­ мер в формуле параметра принимают длину участка потока, рав­ ную его ширине, поскольку мостовой переход стесняет реку по ши­ рине и влияние перехода вдоль по течению распространяется на расстояние, соизмеримое с шириной реки.

§ V.2. МЕРА СТЕСНЕНИЯ ВОДОТОКА МОСТОВЫМ ПЕРЕХОДОМ. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ ПО ШИРИНЕ РЕКИ

В качестве меры стеснения будем принимать отношение общего расхода воды в реке к части расхода, проходившей при нестеснен­ ном состоянии потока в пределах отверстия моста Q/QM(рис. V.1). Используют иногда и геометрические меры стеснения: отношение площадей живого сечения юб/соб.м, где COG— полная площадь живо­ го сечения реки, ыд.м — часть площади в пределах отверстия моста,

или отношение ширины разлива реки к величине отверстия мос­

та LflM.

125

Характеризовать стеснение отношением расходов Q/QMпредло­ жил впервые А. М. Фролов. Такая характеристика стеснения наи­ более правильна и имеет в гидравлическом смысле более общее значение, так как эпюра элементарных расходов отображает в ин­ тегральном виде влияние различных естественных условий на рас­ пределение воды по ширине реки.

Глубина размыва дна в подмостовом живом сечении после стес­ нения реки мостовым переходом находится в тесной связи с мерой стеснения водотока Q/QM. С увеличением ее глубина размыва воз­ растает. В связи с этим чаще всего встречающаяся на мостовых пе­ реходах мера стеснения невелика и лежит в сравнительно узких пределах от 1,25 до 3,0. Во всяком случае на равнинных реках отверстия мостов не устраивают меньшими, чем ширина коренного русла. В зависимости от размеров поймы коренные русла равнин­ ных рек пропускают в паводок от 20 до 80% общего расхода водо­ тока. Соответственно наибольшие возможные стеснения в отверсти­

ненных условиях при уровнях высоких вод, т. е. иметь эпюры эле­ ментарных расходов.

В зависимости от характера и объема изыскательских работ, произведенных на месте перехода, построение эпюр элементарных расходов производят различными способами. Если на изысканиях во время паводка выполнены гидрометрические работы при ряде высоких уровней воды, то имеется возможность для каждого из них построить эпюры элементарных расходов. Когда изыскания ограничиваются морфометрическими обследованиями без производ­ ства измерений, при высоких водах эпюры строят на основании расчетов.

Как правило, гидрометрические работы не удается провести при уровнях воды, достигающих расчетного уровня, случающегося *в редкие годы. Ввиду этого возникает необходимость, используя данные, получаемые при более низких уровнях, построить эпюру расходов, соответствующую расчетному уровню (РУВВ).

Для решения задачи можно применить способ И. П. Кравченко,

126

заключающийся в экстраполяции эпюр, полученных наблюдениями, до расчетного уровня высоких вод (рис. V.2). В основе способа ле­ жит установление графической зависимости между средней ско­ ростью на каждой вертикали гидрометрического створа и уровнем воды; экстраполяцию этой зависимости до РУВВ выполняют также графически.

Последовательность построения эпюры при РУВВ по способу И. П. Кравченко следующая.

Рис. V.2. Построение эпюры средних скоростей при РУВВ ( / — 15 — номера вер­ тикалей)

Над профилем гидрометрического створа вычерчивают эпюры средних скоростей на вертикалях по данным измерений при раз­ личных уровнях вод (рис. V.2, а). Горизонтальную ось всех эпюр принимают одну и ту же. Эпюры скоростей имеют геометрически подобный вид. Ниже профиля створа для каждой вертикали строят кривые измерения средней скорости в зависимости от уровня во­ ды (рис. V.2, б) и производят графическую экстраполяцию этих кривых до РУВВ. По найденным экстраполяцией скоростям строят эпюру средних скоростей на вертикалях при РУВВ (рис. V.2, а), эпюра № 8. Если разность уровней воды между РУВВ и наиболее высоким уровнем, при котором измерялись скорости, значительная, то рекомендуется построить промежуточную эпюру скорости, соот­ ветствующую среднему уровню воды между максимальным наблю­

127

дением и РУВВ. Эта эпюра должна быть геометрически подобной эпюре при максимальном наблюденном уровне. Имея эпюру сред­ них скоростей на вертикалях при РУВВ, строят, как обычно, эпюру элементарных расходов q=vh. Площадь полученной таким образом эпюры элементарных расходов выражает максимальный расчетный расход. Он должен быть увязан с расчетным расходом заданной

вероятности превышения, по величине которого на кривой расхода Q=<t>(z) находят расчетный уровень высоких вод.

Если на переходе не проводилось измерений скоростей течения при высоких водах, построение эпюры элементарных расходов мож­ но приближенно выполнить на основании гидравлического расчета по морфологическим характеристикам реки в месте перехода по ме­ тоду, указанному М. А. Великановым.

Первоначально рассчитывают распределение известного общего расхода водотока между морфологически однородными частями речного створа: руслом, протоками, участками пойм. При этом при­ меняют формулу равномерного движения Шези и считается, что продольный уклон во всех частях створа одинаковый. Тогда отно­ шение расхода воды через какую-либо часть створа к расходу че­ рез коренное русло

где /Сп — расходная характеристика какой-либо части створа (на­ пример, пойменного участка); Kv— расходная характеристика ко­ ренного русла. Расходная характеристика выражается формулой

/C=(oCy/icp.

Так как общий расход воды в реке

Q = Qp + Qi + Qi + • • • + Qn — Qp (* + т г + тг + • ■• +

ч

В каждой части створа расход Qi= f qdl, где Li— ширина дан-

О

ной части створа; q— элементарный расход на вертикали. Соглас­ но предложению М. А. Великанова, разбивая поток воды на струи единичной ширины и допуская применение формулы Шези к каж­ дой струе с заменой при этом гидравлического радиуса глубиной, ‘можем записать элементарный расход на вертикали в виде

128

Показатель степени у формулы Н. Н. Павловского для коэф­ фициента Шези в случае естественных водотоков можно брать рав­

о

При этом в каждой части створа (русло, пойма и др.) величина Ь,

эпюру Я7'4 по ширине створа (рис. V.3). Площадь эпюры выражает

Li

J h7 4 dL. Зная величину b, нетрудно определить элементарный рас-

о

ход на любой вертикали q=bW/kи затем построить эпюру элемен­ тарных расходов (рис. V.3).

§ V.3. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОТОКА, СТЕСНЕННОГО МОСТОВЫМ ПЕРЕХОДОМ

Во время паводка (половодья) движение воды в реках неустановившееся — изменяющееся во времени, но изменение уровня и расхода воды происходит постепенно и в уравнении движения реч­ ного потока член этого уравнения, учитывающий изменение скоро­ сти течения во времени, очень мал по сравнению с членом, выра­ жающим потери удельной энергии на гидравлические сопротивле­ ния, поэтому, если гидрограф паводка разделить по коротким от­ резкам времени на ступени (рис. V.4), то для каждой отдельной ступени допустимо производить расчеты по уравнению установив-

шегося движения. Таким образом, переходя последовательно с од­ ной ступени на другую и применяя для каждой сравнительно прос­ тые расчетные зависимости установившегося движения, можно оце­ нивать гидравлические явления, связанные с изменением расхода и уровня воды в ходе паводка.

Рассмотрим движение, соответствующее некоторой ступени гид­ рографа во время разлива высоких вод.

Незатопляемая насыпь отклоняет речной поток от направления его движения в бытовых условиях (рис. V.5). Выше по течению от перехо­ да в некотором удалении от него струи,поворачивая к от­ верстию моста, искривляют­ ся. В отверстии моста при правильно устроенной струе­ направляющей дамбе распо­ лагается наиболее сжатое се­ чение потока; в нем струи приобретают первоначаль­ ное направление, перпенди-

кулярное к оси перехода. Ниже по течению, за мостом, происходит постепенное расширение потока; на некотором расстоянии от соору­ жения восстанавливаются бытовые условия водотока.

На схематическом плане течения реки, стесненной мостовым пе­ реходом, следует различать: а) тран-' зитный поток, б) области замкнуто­ го водоворотного течения. Послед­ ние занимают значительную пло­ щадь ниже по течению от перехо­ да, располагаясь за подходной на­ сыпью. Выше по течению от перехо­ да водоворотные области незначи­ тельные. Они образуются на неболь­ ших площадях у конца пойменной насыпи и у струенаправляющей дам­ бы со стороны, обращенной к пойме, т. е. в тех местах, где происходит сильный изгиб крайней струи тран­ зитного потока, обтекающей насыпь

иструенаправляющую дамбу. Речной поток, имеющий в быто­

130