книги / Переходы через водотоки

В зоне чаши водохранилища, включая подпертые НПУ участки притоков, происходит отложение взвешенных наносов, а также ос­ тановка сползающих гряд донных наносов. Следует учитывать, что отложенные в устьях притоков наносы во время прохождения па­ водков в условиях сработки водохранилища могут размываться, а затем вновь накапливаться с наполнением водохранилища.

На реках, несущих много наносов, чаша водохранилища может быть в короткие сроки заполнена отложениями наносов. При этом в зоне выклинивания подпора произойдет резкое повышение дна и уровней воды, что повлияет на назначение высоты пойменной насы­ пи и подмостового габарита, если мостовой переход будет располо­ жен в этой зоне.

По данным Гидропроекта1, отметки дна и водной поверхности р. Евфрат в зоне выклинивания подпора после 10 лет эксплуатации водохранилища повысились до ~ 5 ,0 м.

Ветровые волны разрушают берега водохранилища, причем сме­ щение береговой линии достигает десятков метров в год. Перефор­ мирование берегов происходит до тех пор, пока не образуется при­ брежная отмель, уклон которой будет достаточно пологим для пол­ ного разрушения набегающих волн. Расчеты переформирований бе­

возникающих вследствие повышенных скоростей.

Регулирование водного стока водохранилищем и задержка рус­ лоформирующих наносов, которые перестают поступать в нижний бьеф, вызывают понижение дна русла на протяжении десятков и даже сотен километров.

Протяженность этих деформаций зависит от наличия и мощно­ сти притоков, восполняющих дефицит донных наносов ниже плотин. В нижних бьефах крупных гидроузлов главное русло обычно углуб­ ляется и вследствие уменьшения затопления пойм отмирают пой­ менные протоки.

Возможное понижение дна необходимо учитывать при фундиро­ вании опор моста.

Если врезание русла ограничено базальным слоем неразмываемых грунтов, то на участке нижнего бьефа увеличиваются плано­ вые деформации, русло интенсивно развивает свои излучины.

В нижних бьефах следует ожидать понижения базисов эрозии притоков. Это понижение произойдет не только вследствие указанно-*

* Труды Гидропроекта. Сборник двенадцатый. М. — Л. Изд. «Энергия», 1964, с. 233.

191

го общего понижения дна реки, но также вследствие сопряжения паводочных уровней на притоках с более низкими, чем бытовые, уровнями главной реки. При этом во время паводка увеличиваются уклоны водной поверхности и скорости течения, что вызывает интен­ сивный размыв дна и берегов реки. Такое явление нами наблюда­ лось, например, в устье р. Сок, левобережном притоке Волги, после постройки Куйбышевской ГЭС.

Изъятие из реки больших объемов стока на орошение замедляет русловой процесс и может изменить тип его. Так, например, умень­ шение водной части стока в. блуждающем русле может вызвать ос­ тановку движения гряд — осередков, закрепление их раститель­ ностью, исчезновение рукавов — и привести к меандрированию глав­ ного русла; возможно также постепенное повышение дна реки ниже водозабора, что необходимо учитывать при расчете УВВР%.

Разработка гравийных карьеров в русле реки на перекатах мо­ жет разрушить местные базисы эрозии и привести к изменению хода руслового процесса, в частности, к обмелению вышележащих участков русла и к понижению дна на нижележащих участках.

Влияние на ход руслового процесса оказывает обвалование час­ ти пойм, занимаемых под промышленные объекты. Такое обвало­ вание в большей степени сказывается при незавершенном меандрировании и пойменной многорукавности, так как эти типы руслового процесса связаны с частым затоплением пойм. Выключение части поймы, активно работающей в паводки, приводит к концентрации расхода воды на необвалованной части, что ускорит образование спрямляющих проток и деформацию вогнутых берегов главного русла.

Спрямление меандрирующих русел на большом протяжении (связанное часто с обвалованием пойм) вначале приводит к смене типа руслового процесса, так как по спрямленному руслу начина­ ют двигаться ленточные гряды наносов или побочни. Если берега спрямленного русла не укреплены, то с течением времени русло сно­ ва начнет меандрировать, так как в данных условиях жидкой и твердой фаз стока этот тип соответствует динамическому равнове­ сию русла.

Как указывает И. В. Попов [105], речные поймы, существующие века как устойчивые морфологические образования, могут быстро разрушаться даже от незначительных воздействий на их рельеф и растительный покров. Известны случаи, когда нарушение дернового слоя при строительстве объектов на поймах приводило к образо­ ванию мощных проток и размывам пойменных массивов. Особенно внимательно надо относиться во время строительства к сохранно­ сти береговых валов на перешейках между вогнутыми берегами смежных излучин русла.

Как отмечалось в § 29, сооружения мостовых переходов могут вызвать локальные деформации русла или приостановить развитие макроформы.

Можно выделить три типичных случая локальных нарушений руслового процесса, которые мы наблюдаем на эксплуатируемых

192

Рис. VI1-11. Примеры влияния мо­ стового перехода на русловой про­ цесс:

а — план мостового перехода с за­ крепленными берегами свободно меандрирующего русла:

1 — существующий железнодорожный путь; 2 — проектируемый второй желез­ нодорожный путь; 3 — укрепление во­ гнутых берегов меандров; 4 — проекти­ руемый вариант спрямления излучины

русла;

б — план мостового перехода с от­ верстием, размещенным без учета мощности пойм:

1 — струенаправляющие дамбы; 2 — по­ ложение русла при постройке моста; 3 — то же после прохода паводка;

в —•план русла при недостаточном отверстии моста:

/ — струенаправляющие дамбы: 2 — бытовое русло; 3 — изобаты размытого русла

мостовых переходах при их реконструкции или проектировании вто­ рых путей.

Первые два случая относятся к меандрирующим руслам, а тре­ тий может относиться также ко всем остальным типам русел, кро­ ме блуждающего осередкового.

Существующие мостовые переходы на реках с блуждающим рус­ лом не дают сколько-нибудь определенной картины их влияния на крайне изменчивые мезоформы.

На рис. VII-11, а представлена схема существующего и проек­

тируемого под второй путь железнодорожных мостовых переходов через свободно меандрирующую реку. Одна излучина русла в своем

103

развитии прижалась к левобережной струенаправляющей дамбе, сохранность которой была обеспечена укреплением левого берега. Вторая излучина с низовой стороны подошла настолько близко к полотну дороги, что при проектировании второго пути предусмотре­

остановлено развитие двух излучин, что повлияет на скорость раз­ вития смежных излучин.

На рис. VTI-11, б показана схема мостового перехода с непра­

вильно размещенным отверстием моста, развитым в сторону травой, меньшей поймы, пропускающей 29% расчетного расхода. При по­ стройке моста пологая излучина русла была расположена у левобережной струенатравляющей дамбы; которая должна была обес­ печить слив в отверстие моста вод левой поймы, пропускающей 55% расчетного расхода. В паводок, близкий к расчетному, мощный по­ ток левой поймы отодвинул русло к середине отверстия моста. Про­ исшедшее выправление русла потоком левой поймы нельзя считать положительным результатом работы струенаправляющей дамбы, по­ скольку смещение русла сопровождалось сильным размывом, глу­ бина которого не была предусмотрена при фундировании опор моста. Происшедшая деформация русла является обратимой, так как при низких паводках ход естественного процесса не будет на­ рушаться и русло может вернуться в первоначальное положение.

Когда мост имеет отверстие, недостаточное для пропуска рас­ четного расхода, русло на участке перехода сильно размывается и по ширине занимает все отверстие; при этом обычно образуются две ямы размыва — перед мостом и несколько ниже его, как это изобра­ жено на рис. VII-1 1 , в. Эта деформация русла необратима, но она

не изменяет течение руслового процесса выше и ниже перехода.

В практике проектирования нередки случаи мостовых перехо­ дов через искусственные неукрепленные русла — каналы. В буду­ щем, с осуществлением новых оросительных систем и перебросок речного стока на значительные расстояния, такие случаи будут встречаться еще чаще. Поэтому необходимо иметь представление о возможных деформациях таких русел.

Если течение воды в неукрепленном канале происходит со ско­ ростью большей, чем неразмьивающая, то появляется русловой про­ цесс. Тип его зависит от гидравлических характеристик канала, со­ отношения жидкой и твердой фаз стока и геологического строения местности, в которой проложен канал.

По исследованиям Л. И. Викуловой, каналы в песчаных грунтах при скорости течения, большей неразмывающей, расширяются и ме­ леют, а каналы в связных грунтах расширяются и углубляются. Оба эти явления необходимо учитывать при назначении отверстия мос­ та и фундирования его опор. Поучительный пример последствий неучета деформации канала приводят Ю. А. Ибад-Заде и Р. И. Са­ медов [33] то искусственным руслам для сброса вод .рек Гирдыманчай и Ахсучай в Азербайджане.

194

Дно этих каналов, .проложенных в -глинистых грунтах, за шесть лет (1962— 1968 гг.) понизилось настолько, что были разрушены два автодорожных моста.

Переброска речного стока на значительные расстояния может осуществляться путем устройства пионерного канала, рассчитан­ ного на саморазмыв.

Такие каналы с течением времени превращаются в искусствен­ ные реки с тем или иным типом русловогопроцесса. Вид небольшой реки с блуждающим руслом имеют, например, некоторые древние арыки в Узбекистане.

Расчеты деформаций неукрепленных русел каналов выполняют по методике Л. И. Викуловой (см. упомянутый выше двенадцатый сборник трудов Гидропроекта) или по В. С. Алтунину [2].

Г л а в а VIII. НАЗНАЧЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ МОСТОВ

§ 34. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Выбор отверстия моста является одной из важнейших задач при проектировании мостового перехода.

Первоначально решается вопрос о размещении отверстий водо­ пропускных сооружений на данном водотоке. Нормативами тре­ буется, как правило, на мостовом переходе проектировать одно водопропускное отверстие. Устройство дополнительных водопропуск­ ных сооружений на пойме должно быть обосновано гидравличе­ скими и экономическими расчетами. Это требование является результатом больших размывов пойменных мостов, которые проек­ тировали без соответствующего расчета. В настоящее время разра­ ботаны надежные методы проектирования групповых сооружений, которые в необходимых случаях позволяют обоснованно назначать их отверстия.

Устройство дополнительных сооружений на пойме возможно на протоке или на водотоке, расположенном в общей пойме с основ­ ной рекой.

В последнем случае отвод водотока в русло пересекаемой реки является обычно более целесообразным, чем устройство дополни­ тельного отверстия. Однако это не всегда возможно, как например, на переходе р. Сакмары, где отвод небольшого -водотока в пойме не мог быть запроектирован, потому что служил для водоснабже­ ния близлежащих хозяйств. В связи с этим было принято решение об устройстве двух отверстий на переходе.

При наличии экономической целесообразности водоток в пойме может быть отделен от потока пересекаемой реки водоразделитель­ ной дамбой, которая должна быть запроектирована достаточно на­ дежно, так как размыв ее вызовет тяжелые последствия. Так, на пе­ реходе через р. Илек в высокий паводок 1941 г. размыв водоразде­

195

лительной дамбы вызвал полное разрушение .пойменного моста и длительный перерыв движения поездов.

При выборе отверстия моста должны быть выполнены норматив­ ные требования, учтены условия пропуска паводков, судов и ило­ тов под мостом, условия затопления местности выше мостового пе­ рехода за счет подпора перед мостом. Помимо учета всех этих обстоятельств при выборе отверстия моста сравнивают варианты и выбирают экономически оправданное отверстие.

Для сокращения отверстия моста допускается устройство срез­ ки, увеличивающей площадь живого сечения под мостом. Отвер­ стие принимают с учетом последующего размыва подмостового русла. Коэффициент общего размыва Р определяют как отношение

площади под мостом после размыва сопр к той же площади до раз­ мыва

Допускаемые значения коэффициентов размыва при пропуске расчетного расхода установлены нормами 1. Эти значения выбраны

по условиям обеспечения нормальных условий эксплуатации мос­ тового перехода. Исследование показывает, что эти коэффициенты выше экономически наивыгоднейших и поэтому нормы не препят­ ствуют выбору наиболее выгодных отверстий.

Допускаемые значения коэффициентов размыва Рдоп в зависи­ мости от удельного расхода q0 в отверстии, рассчитанном без раз­

мыва и срезки, приведены ниже:

Значение qo в данном случае может быть определено лишь при­

ближенно. Исходя из предположения об установлении под мостом после размыва бытовой скорости русла значение qo приближенно

можно определить по формуле

где <7Р — элементарный расход в русле, получаемый как qv = Q P

(Qp— русловая часть расчетного расхода, 5 Р — ширина русла).

ан = — , где # п — средняя глубина в пределах пойменной час-

1 См. Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб. СН 200-62. М., Трансжелдориздат, 1962.

196

ностью превышения 1 или 2 % в зависимости от категории дороги.

Отверстия железнодорожных мостов, кроме того, рассчитывают на пропуск наибольшего расхода вероятностью превышения 0,33%.

Современные методы расчета деформаций .подмостовых русел, а также определение наибольшей скорости под мостом и подпора перед ним основаны на учете реальных условий прохождения па­ водков, когда с течением времени изменяются расходы и уровни. В связи с этим нормативы для проектирования мостовых перехо­ дов, предусматривающие расчеты на постоянную величину расхо­ да, должны быть пересмотрены и отнесены к вероятностям расчет­ ного и наибольшего паводков.

При расчете деформаций подмостовых русел следует учиты­ вать, помимо общего размыва от стеснения водотока подходами к мосту, и местные деформации у опор моста и струенаправляющих дамб, которые также изменяются от степени стеснения водотока.

При расчете этих деформаций следует учитывать несовпадение их максимумов во времени. Так, например, общий размыв подмо­ стового русла обычно достигает максимальной величины на спаде паводка, а местный размыв у опор мостов — на пике паводка. Сов­ ременный метод расчета общего размыва позволяет учитывать это несовпадение (см. § 36).

Деформации нодмостовых русел протекают на фоне естествен­ ного руслового процесса пересекаемой реки, который совместно с деформациями, вызванными сооружениями мостового перехода, формирует подмостовое русло. Поскольку год прохождения расчет­ ного паводка неизвестен, неизвестно также, с какой фазой русло­ вого процесса будет он совпадать.

Поэтому расчет деформаций от сооружений мостового перехода целесообразно выполнять для наиневыгоднейшего живого сечения, образовавшегося в результате естественного переформирования русла.

В некоторых случаях при выборе отверстия моста и проектиро­ вании мостового перехода следует учитывать особые условия ре­ жима водотока: наличие нагонных ветров, подпорных явлений, вызванных заторами, подпор от другой реки, гидротехнические со­ оружения и др. При этих условиях максимальные значения расхо­ дов не совпадают с максимальными значениями уровней и расчет­ ные значения уровней заданной вероятности, превышения опреде­

197

ляют по ряду наблюдений независимо от расходов. Ряд же расходов обрабатывают отдельно.

Нормативами требуется устройство на мостовых переходах че­ рез реки в необходимых случаях струенаправляющих дамб, рабо­ та которых при данном размещении отверстия моста и срезке под мостом должна обеспечить наиболее благоприятное распределение деформаций иод мостом.

При проектировании мостового перехода и особенно при выбо­ ре отверстия моста следует учитывать опыт работы существующих мостов вблизи проектируемого. С этой целью должен быть собран материал, характеризующий работу мостов по пропуску паводков: профили живых сечений под мостом, выше и ниже его, промеры глубин у опор, в головных частях струенаправляющих дамб и др.

Все данные по изысканиям -и проектированию мостового пере­ хода должны быть собраны и оформлены в стадии технического проекта.

В состав материалов изысканий, включаемых в технический проект, входят планы района мостового перехода и материалы по выбору места перехода, профили морфостворов, итоговые материа­ лы гидрометрических наблюдений, гидрологические расчеты с «вы­ водами значений расчетных гидрологических данных, а также ма­ териалы согласования трассы перехода, подмостовых габаритов и схемы моста с судоходными и сплавными организациями.

В состав материалов по проектированию мостового перехода входят обоснования выбора отверстия моста, расчеты деформаций подмостового русла, расчеты струенаправляющих дамб и других регуляционных сооружений и их проекты.

По произведенным расчетам должна быть составлена поясни­ тельная записка.

§35. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ МОСТА

Впроекте перехода важнейшей частью является мост как по значимости, так и по затратам, составляющим обычно 70—50% от стоимости перехода. Предварительно схему моста составляют, учитывая общую ситуацию, расчет размыва и подпора, положение уровней, геологические условия, требования судоходства, располо­ жение моста в профиле и плане. Кроме того, зная режим реки и другие условия, определяют отметки строительной площадки по­ селка, складов, расположение подъездных путей.

Автор проекта учитывает предварительные рекомендации и мо­ жет изменить схему моста. Он проверяет расчет общего размыва, основные гидравлические элементы, геологические материалы и со­ ставляет-проект моста и других сооружений, (проект производства работ.

На указанный выше комплекс расчетов имеются специальные правила, инструкции, указания. Поэтому далее остановимся толь­ ко на некоторых моментах работы.

При расположении судоходных пролетов моста следует руко­ водствоваться НСП 103-52. Отнесение реки к судоходной катего-

198

Рис. VIII-1. Проект вантового моста с пролетом 300 м через Днепр у Киева

рии производится Министерством речного флота. Следует требо­ вать обоснования этого отнесения, так как имеются примеры за­ вышенных требований. Следует обязательно выполнять требование на установку в фарватере реки двух судоходных пролетов или за­ меняющего их одного большого (пролета. В 'большинстве случаев положение их на профиле ясно, но на меандрирующих реках и когда мост перекрывает часть поймы удержать русло в двух про­ летах может потребовать больших и иногда бесполезных затрат. Поэтому приходится устанавливать в этих случаях три — пять рав­ ных судоходных пролета.

Порядок установления судоходного уровня подлежит обсужде­ нию. Практически на огромном большинстве рек судоходство на­ чинается, когда уровень воды совпадает с уровнем бровок русла, который возможно и следует принимать за расчетный судоходный.

Основным материалам для моста являются сталь и железобе­ тон. Дерево 'может применяться в виде заводских ферм (клееных и др.) на второстепенных линиях, при этом на постоянных опорах. В лесных районах могут применяться небольшие балочные мосты из антисептированной древесины.

Величина пролетов зависит от материалов и метода производ­ ства работ. Пролеты висячих стальных мостов достигли 1320 м. Проектируется пролет 1800 м через Мессинский пролив. Через

Рейн у Кельна построен оригинальный вантовый мост с пролетом 310 м.

Такой же моет построен через Дунай у Братиславы и строится через Днепр у Киева (рис. VIII-1). Большой мост из железобетона построен через Волгу у Саратова длиной 3 км с ездой поверху, со

средними пролетами 160 ж, через Енисей у Красноярска с проле­ тами, 140 м.

Наименьшие затраты на мосты в комплексе должны быть взя­ ты за основу принятия решений. Практика показала, что большие пролеты из железобетона обходятся на 30—50% дороже, чем ме­ таллические или сталежелезобетонные, экономия металла при этом незначительна или ее нет.

Мосты сооружения утилитарные, тем не менее мост и в особен­ ности большой является в известной степени памятником, характе­ ризующим уровень индустриализации страны, общей культуры. Пример невыразительной схемы моста показан на рис. VIII-2. По общей схеме мост запроектирован как разводной. Конструкция больших пролетов с подвесками, которые просматриваются как стойки.

199

Рис. VIII-2. Пример невыразительной схемы моста

В неразрезных и консольных системах, например, в трехпро­ летном мосту средний пролет надо делать несколько больше край­ них. Это уравновешивает изгибающие моменты на опоре и в сере­ дине пролетов и избавляет от оптического восприятия, когда при равных пролетах средний кажется меньше крайних.

можно мост украсить эмблемами, фигурами или другими деталями. Здесь уместно вспомнить высказывание известного в свое время инж. Пятницкого (журнал «Инженер», 1904 г.), что «...истинная красота, которая делает сооружение бессмертным, достигается без особенных денежных средств. Выбором очертаний, изяществом и смелостью пропорций, оригинальностью и новизной замысла дости-

200