книги / Переходы через водотоки

где v — средняя за расчетное время Т скорость течения в русле, со­

ответственно уКр и £>Пр — для криволинейного и прямолинейного участков русла, м/сек; v0— средняя за расчетное время Т нераз­

мывающая скорость для грунта русла со средним диаметром фракций d (м)у вычисляемая по формуле Б. И. Студеничникова Vo = 3fi(Hd)0’25; # Ср — средняя глубина русла за расчетное время Т\ соответственно Яср.Кр и Яср.Пр для криволинейного и

прямолинейного участков русла.

Величину Vo для криволинейного участка русла [113] принимают с поправочным коэффициентом Kw определяемым по формуле

где trio— коэффициент откоса водонасыщенного грунта русла; га —

коэффициент подводного откоса вогнутого берега (без учета слоя наилка); Я л — средняя за расчетное время глубина плесо­ вой лощины у вогнутого берега, ж; г — средний радиус кривиз­ ны излучины, м.

При пересечении трассой ограниченно меандрирующей реки определяют по скорости смещения меандров, на какую долю шага сдвинется излучина в створе перехода.

Для малых и средних рек с узкой глубокой долиной, если сме­ щение излучины за срок службы моста >0,5 А,и, сравнивают ва­ риант перекрытия мостом всего пояса меандрирования и вариант закрепления подмываемых вогнутых берегов верховой и пересекае­ мой трассой излучин.

В первом варианте пересечение .пояса меандрирования и русла возможно под любым углом; во> втором варианте следует стремить­ ся к нормальному пересечению' русла и пояса меандрирования (см. рис. VII-4).

Мост по первому варианту устраивают на цилиндрических опо­ рах, так как русловой поток за расчетный срок будет подходить к ним под различными углами, как это показано на рис. VII-4 при смещении меандра на 0,7 Хи.

Для средних и больших рек с более широкой долиной, если сме­ щение излучины за срок службы моста <0,5 А,и, устанавливают ве­ личину смещения берегов ограниченна меандрирующего русла в створе перехода и учитывают это смещение при расположении моста в плане.

Пример расчета/ Трасса проектируемой дороги пересекает реку в конце поло­ гой (г = 1500 м) излучины русла, которая деформируется по типу ограниченного

меандрирования (рис. VII-5, а) . Русло реки сложено_песчано-гравийным материа­

лом; для размываемого вогнутого берега приняты: dcР=2,8 мм и объемный вес водонасыщенного грунта у=1600 кг/м3. Среднему паводочному расходу соответ­

ствует расход на пике паводка 1938 г.; для этого паводка (рис. VII-5, б) построе­ ны графики хода по времени паводка уровней воды # = f(T) и средних глубин

171

Рис. VI1-5. Графики расчета смещения русла при ограниченном меандрировании:

г — совмещенные поперечные профили правого берега в створе перехода по съем­ кам 1934 г. и 1969 г.;

1 положение русла во время изысканий перехода; 2 — то же, после смещения на ве­ личину 0,2

в русле: по сечению на криволинейном участке Hcp.Kp—f(T), то же на прямоли­ нейном участке Я ср.пр^ (Г) и по длине плесовой лощины у вогнутого берега

Ял =НТ).

На рис. VI1-5, в представлены графики хода средних по сечению скоростей течения на криволинейном vKV=f(T) и прямолинейном vnpf(T) участках русла, а также график изменения неразмывающих скоростей vQ—f (T).

Как видно на рис. VI1-5, в, расчетное время Трасч, в течение которого средняя

за то же время скорости укр = 1,30 м/сек и v0= l,29 м/сек.

По данным лабораторных испытаний, коэффициент заложения откоса водо­ насыщенного песчано-гравелистого грунта равен т 0 = 2,5; подводный откос вогну-

172

того берега ниже слоя наилка в среднем по длине излучины т = 5,3- По формуле (VI1-7) поправочный коэффициент KvQ черазмывающей скорости равен:

мации берегов русла будут в створе / —/, однако по общим условиям трассирова­ ния дороги принято решение оставить пересечение русла по створу А—Б. Для этого створа имеются промеры 1934 г. и 1969 г. (рис. VII-5, г); по этим промерам видно, что за 35 лет бровка берега по створу А—Б сдвинулась на 45 м. За 100

45

лет смещение составит — 100=129 ж, что хорошо увязывается с прогнозируемой 35

линией вогнутого берега (рис. VI1-5, а).

Это смещение учтено при размещении пролетов моста на створе перехода и в расчете общего размыва.

Свободное меандрирование — наиболее сложный тип руслового

процесса, имеющий на отдельных реках много индивидуальных осо­ бенностей и отклонений от рассматриваемой ниже общей схемы процесса.

В отличие от предыдущего типа излучины русла при свободном меандрировании, развиваясь, изменяют свои формы и размеры. Признаком свободного меандрирования является широкая пойма, превышающая ширину современного пояса меандрирования, со сложным рельефом поверхности, представленным веерами возвы­ шенных грив (старых прирусловых валов), разделенных лощина­ ми, а также подковообразными или серповидными старицами.

Излучины проходят цикл развития: вначале, когда излучины слабо (выражены, они сползают вниз по течению аналогично излучи­ нам ограниченного меандрирования, но при этом постепенно изме­ няют свою форму. Угол разворота излучины (см. ниже) увеличи­ вается, скорость сползания по течению уменьшается и дальнейшая деформация ее в плане идет преимущественно за счет разворота вокруг точек перегиба русла и увеличения длины излучины.

Русло в плане принимает форму петли; вытягивание и ее разво­ рот происходят вначале интенсивно, а затем процесс постепенно затухает.

Развитие данной излучины связано с развитием смежных с ней верховой и низовой излучин; две противоположно направленные

173

излучин может замедлить развитие других. Прорывы петель, ста­ билизируя верховые смежные излучины, могут ускорить процесс развития у смежных низовых излучин. Если излучина в своем раз­ витии встретит препятствие (неразмываемый берег, сооружение), то процесс меандрирования нарушается и русло может сделать вы­ нужденный поворот, к которому будет неприменима приводимая ниже методика прогнозирования.

Перегибы средней линии русла являются самыми устойчивыми точками плана свободно меандрирующего русла. Однако и они мо­ гут медленно смещаться вместе со смещением всего пояса меанд­ рирования (см. ниже).

Процесс свободного развития меандров русла сопровождается образованием ряда береговых валов, повторяющих очертание вы­ пуклого берега излучины.

Внемеженная часть гребня крупной гряды наносов, примыкающая к пляжу выпуклого берега, после спада половодья обычно по­ крывается растительностью, которая создает условия для задержки взвешенных наносов в следующее половодье.

Постепенно гребень гряды превращается в береговой вал. За это же время противоположный вогнутый берег размывается, гребень гряды в русле также смещается в ту же сторону и начинается обра­ зование нового берегового вала на выпуклом берегу.

Следы описанного процесса хорошо видны на аэрофотоснимках долины реки (см. рис. II-2). Схема современных береговых валов приведена на рис. VII-6. В зависимости от интенсивности русло­ вого процесса на образование одного берегового вала требуется от нескольких лет до нескольких десятков лет [105]. В среднем для рав­ нинных условий европейской территории СССР этот срок может быть принят 15—20 лет.

174

Ширина берегового вала соответствует ширине сдвижки вог­ нутого берега за тот же период времени.

Плесовая лощина с наибольшими глубинами у вогнутого бе­

размываются, а перекаты наращиваются; в межень происходит об­ ратный процесс. Отметки дна плесов и перекатов могут в течение года колебаться на крупных реках до нескольких метров.

Свободно меандрирующие русла характеризуют следующие па­ раметры:

— шаг излучины, равный расстоянию по прямой между двумя смежными точками перегиба средней линии меженного русла; S — длина излучины, равная расстоянию между верховой и ни­

зовой точками перегиба излучины, измеренному по средней линии русла;--------степень развитости излучины; аи — угол разворота

излучины, образованный векторами, направленными по каса­ тельной в верховой и низовой точках перегиба в сторону тече­

пояса меандрирования на обследуемом участке реки, равная наибольшей ширине поля, ограниченного линиями, соединяю­ щими вершины одинаково направленных излучин; ги — радиус кривизны излучины, измеряемый в случае разделения плесовой лощины отдельно для участка каждой плесовой лощины; Вбр — ширина русла в бровках на прямых участках между излучина­ ми; Вк— ширина русла в створе наибольшей кривизны излучи­

ны; См — наибольшая скорость смещения бровки берега данной излучины, м!год\ См— средняя скорость смещения береговой

линии, определяемая путем сопоставления разновременных съе­ мок на участке нескольких излучин с современным положением русла, м/год (см. § 17).

Для расчета плановых деформаций излучин необходимо^ знать скорость См, которая в запас прочности принимается СМ= 4СМ. Ве­ личины См и См колеблются для разных рек от метров до десятков метров в год.

Если нет разновременных съемок русла, то величину принима­ ют по аналогии с другими участками данной реки или другими реками с тем же типом руслового процесса. Признаками аналогии могут служить уклоны водной поверхности, грунты, слагающие русло, а также величина руслоформирующего расхода воды (в пой­ менных бровках русла).

В табл. VI1-2 приведены величины См и См для некоторых рек 4Юданным [34, 63] и материалам изысканий мостовых переходов.

Приближенный расчет плановых деформаций свободно м е а н д р и -

рующего русла производят по формуле [16, 105]

175

где Уe — величина смещения средней линии русла или вогнутого берега на данном поперечнике, м; См— скорость смещения бе­ реговой линии в точке наибольших плановых деформаций, м/год\ /Сиз— коэффициент скорости развития излучины; Т — число лет срока прогнозирования величины смещения; hn— наибольшая глубина на рассматриваемом поперечнике, м\ hM— наибольшая глубина плеса данной излучины, м\ ho— средняя глубина двух перекатов, ограничивающих данную излучину, м.

Глубины /1ш hMи h0 отсчитывают от уровня средней межени.

Коэффициент /Сиз учитывает изменение скорости развития из­ лучины. Как показали исследования ряда рек [34, 105], угловая ско-

176

висимости, полученные при морфометрических работах (см. § 17), можно построить осредненный график Km = f{an)y или

изводят расчет и построение деформации для следующего отрезка и т. д.

При начальных углах разворота 125°>аи>1950 и небольших сроках прогнозирования (порядка 15—20 лет) формулу (VII-8) можно принять в упрощенном виде

Уб~СыТ.-^.

После построения по изложенной методике плана излучины, ко­

торый будет через Т лет, результаты построения рекомендуется про-

5 верить по натурной зависимости — = / ( аи)- Если имеется резкое

S

расхождение в величинах — , полученных после построения нового

5 плана и по связи— = /(а и) »то необходимо проанализировать

принятую величину скорости См И увязать ее с натурными данными.

177

Ширина пояса меандрирования, если нет ограничивающих ус­ ловий, зависит не только от развития, но и от смещения точек перегибов излучин. При пересечении трассой обширной поймы мо­ жет возникнуть необходимость установить наибольшую возможную для данного участка реки величину Вим (м). Многие исследователи

[11] предлагали эмпирические зависимости, связывающие ширину Виш с шириной русла, расходом воды и шагом меандра; наиболее

приемлемой для наших целей является зависимость В. В. Ромашина

Для развивающейся одноплесовой излучины с увеличением от-

5 ношения — уменьшается радиус кривизны ги и увеличивается мак-

Аи

симальная глубина воды в излучине. Расчет прогнозируемой глуби­ ны [16] выполняют по формуле

Полученную по формуле (VI1-10) величину h'm8iX рекомендуется

проверять по натурной зависимости (см. § 17) максимальной глу­

тесной связи этих величин предпочтение отдают расчету по на­ турной зависимости. Для излучин, в которых плесовые лощины раз­ делены, тесной связи между глубинами и развитием излучин не установлено.

ским условиям. Получив расчетом величины у б и /^ ах зная ши­

178

рину русла Вк и заложение откоса вогнутого берега т, строят схе­

матизированное (Прогнозируемое живое сечение русла в створе мос­ тового перехода (рис. VII-8, б).

Сооружение подходной, насыпи на обширной изрезанной берего­ выми валами и старицами пойме нарушает водный режим ее, соз­ данный в течение веков русловым процессом. Поэтому в проекте мостового перехода предусматривают мелиорацию поймы, чтобы не допустить заболачивание и подтопление хозяйственных угодий. На участках, где откос пойменной насыпи параллелен ложбине или протоке, предусматривают укрепление его или отвод сосредоточен­ ного потока от земляного полотна.

Прямолинейные участки русла, образованные спрямлениями из­ лучин, редки и нормальные пересечения их обычно не соответству­ ют общему направлению трассы, поэтому типичным случаем мосто­ вого перехода через свободно меандрирующую реку будет переход

спересечением русла в одной из излучин. Если сопряженные с ней верховая и низовая излучины образовали узкий перешеек, то рас­ сматриваются два решения: 1) устройство моста на излучине русла

сзакреплением вогнутых берегов сближающихся верховой и низо­ вой излучин; 2) устройство моста на искусственном русле, проры­ том через перешеек между этими излучинами.

Впервом случае делают прогноз плановых деформаций и макси­ мальной глубины у вогнутого берега центральной излучины. Во вто­ ром случае необходимо прогнозировать деформации пологой излу­ чины, образованной спрямлением русла из верховой и низовой из­ лучин. Если перешеек между верховой и низовой излучинами широк и размыв их берегов непосредственно не угрожает сооруже­ ниям мостового перехода, то прогнозируют деформации всех трех излучин.

Сооружения мостового перехода должны возможно меньше на­ рушать естественный русловой процесс.

Для этого отверстие моста размещают на створе перехода с уче­ том мощности пойм и прогнозируемых деформаций русла, а струе­ направляющими дамбами обеспечивают направление пойменных потоков в пойменные участки моста.

Пример расчета. Проектируемая железнодорожная линия III категории пере­ секает среднюю реку со свободно меандрирующим руслом на участке трех сопря­ женных излучин. Ширина русла £ бр= 100 м.

По плану излучин определены углы их разворота а и, которые оказались рав­ ными: для верховой излучины 190°, центральной — 205° и низовой— 195°. По гра­ фику (см. рис. VI1-7) центральная излучина имеет наименьший коэффициент ско­ рости развития ее и, следовательно, является наиболее устойчивой из трех излу­ чин, поэтому пересечение русла сделано в середине этой излучины '(рис. VII-8, а). Так как перешеек между верховой и низовой излучинами в самом узком месте равен 600 м и нет признаков скорого прорыва его, то произведен расчет деформа­

рис. VI1-8, а изображено смещение средних линий русла, а прогнозируемое поло­ жение вогнутых берегов показано на лимитирующих участках. Срок прогнозирова­ ния принят Т= 50 лет, расчет выполнен по формуле (VII-8) в два этапа, по 25 лет

179

Рис. VII-8. Деформация свободно меандрирующего русла:

а — план смещения осевой линии русла; б — поперечные профили русла в створе перехода;

изменение углов разворота аг1 излучин при их развитии; живое сечение по съемке во время

каждый. Средняя скорость смещения береговой линии принята по данным совме­ щенных съемок русла разных лет См = 2,6 м/еод; расчетная величина скорости смещения в точке наибольших плановых деформаций СМ= 4СМ= 4X2,6= 10,4 м/год.

в два этапа дает некоторый запас прочности. В результате этого расчета видим, что верховая излучина через 50 лет будет отстоять от оси земляного полотна на правой пойме не менее чем на 65 м или около 50 м от его подошвы; бровка во­ гнутого берега центральной излучины в створе перехода сместится в сторону

180