книги / Переходы через водотоки

Рис. VI11-4. Проект моста через Оку у г. Горького, 1960 г.

гается то, чего нельзя добиться нагромождением деталей, не свя­ занных органически с общей формой и конструкцией».

В технике имеются свои объективные законы, которые могут относиться и к восприятию пропорций и соотношений. Установле­ ние их — задача трудная, поскольку они зависят от степени нашего развития и субъективного отношения к прекрасному. Эти законы так сформулировал проф. П. В. Щусев.

1. Закон гармонических или простых кратных отношений: должно быть соотношение пролетов и высоты моста пропорцио­ нально некоторому определенному модулю.

2 . Закон силуэта: получение гармоничного сочетания моста с

окружающим ландшафтом возможно, когда мост господствует над местностью или местность господствует над мостом. Иначе будет спор и отсутствие цельности впечатления.

3. Закон масштаба: величину большого пролета должны под­ черкивать меньшие пролеты. Наихудшее решение, когда имеются равные пролеты.

Следует добавить, что в схеме моста его ось равновесия долж­ на быть близкой к оси равновесия речного пейзажа. При высоком береге большие пролеты должны ближе быть к нему, чем к поймен­ ной части. Это обычно совпадает с утилитарными требованиями.

На рис. VIII-4 показан проект моста через Оку в районе Горь­ кого с пролетами 120 и 50 му который удовлетворяет всем указан­

ным и одновременно судоходным условиям.

На крупные титульные мосты необходимо объявлять конкурс между организациями и даже отдельными группами. Все выдаю­ щиеся мировые мосты осуществлялись по конкурсным проектам. Необходимо привлекать известных архитекторов в качестве соавто­ ров схемы. Это поможет созданию хороших решений.

§36. РАСЧЕТ ОБЩЕГО РАЗМЫВА ПОД МОСТОМ

Внастоящее время имеется ряд методов расчета общего раз­ мыва под мостами, возникающего от стеснения живого сечения реки подходами к мосту и его опорами. В транспортных проектных институтах расчет общего размыва до настоящего времени выпол­ няли главным образом по методу динамических скоростей, приве­ денному в Наставлении по изысканиям и проектированию железно­

201

дорожных я автодорожных мостовых (переходов через водотоки (автор Л. Л. Лиштван, М., ЦНИИС — Главтранспроект, 1972). В этом методе предполагается окончание размыва «при установле­ нии под мостом скорости динамического равновесия. В отдельных случаях применяется расчет размыва, основанный на условии, что размыв прекратится при достижении под мостом бытовой скорости главного русла (постулат Белелюбского) или когда на пике рас­ четного паводка вынос наносов из-под моста «будет равен бытовому расходу наносов, т. е. наступит предельный баланс наносов (пред­ ложение О. В. Андреева).

В некоторых зарубежных странах (Индии, Пакистане, Англии) размыв определяется на основании режимной теории (Кеннеди, Ласей),по которой размыв прекращается при некоторых незаиляющих и нера'змывающих скоростях; «в США размыв рассчитывают по методу Лорсена, основанному на теории влекущей силы потока.

По всем перечисленным методам коэффициент размыва относи­ тельно средней глубины бытового русла ЯбР выражается одной формулой

(VIII-3)

где Q и <2бР — общий и бытовой расходы главного русла; Вр — ширина главного русла; 1Ш— отверстие моста; Ямпр — средняя глубина под мостом после размыва; т и п — показатели степе­

ни, значения которых приведены в табл. VII1-1.

Исходным положением для расчета размыва по перечисленным методам является такое воздействие расчетного расхода на подмо­ стовое русло, при котором наступает равенство «между бытовым притоком наносов и .выносом из-под моста, т. е. стабилизация раз­ мыва. Это условие выражается в различных методах различными значениями показателей степени т и п.

Для выявления процесса раз)мыва под мостом и проверки пра­ вильности указанной предпосылки, положенной в основу методов расчета размыва, в 1964— 1966 г. в ЦНИИСе были проведены экспериментальные исследования. Опыты показали, что стабилиза­ ция размыва не наступает даже за время воздействия расчетного расхода, в несколько раз превосходящее продолжительность одного паводка.

Ясно, что столь длительное воздействие постоянного (расчет­ ного) расхода на лодмостовое русло в условиях реальных павод­ ков невозможно.

Исследования показали, что с развитием размыва скорости под мостом убывают, транспортирующая способность потока умень­ шается, и вынос наносов из-под моста падает. С уменьшением ско­ рости под мостом уменьшается подпор перед мостом и поэтому приток наносов сверху увеличивается. Все же некоторый подпор все время сохраняется, и приток наносов оказывается меньше бы­ тового.

202

Чтобы получить .представление о процессе размыва под мостом при прохождении паводков, на модели мостового перехода были пропущены -паводки различной продолжительности с одним и тем же расходом на пике паводка. Оказалось, что продолжительность паводка значительно влияет на максимальный размыв, который оказывается меньшим, чем при постоянном расходе за то же вре­ мя. Продолжительность паводка существенно влияет также и на подпор перед мостом, приче(м короткие, интенсивные паводки да­ ют сравнительно небольшой размыв, но значительный подпор и наоборот.

В связи -с изложенным расчет размыва следует вести с учетом времени паводка, т. е. по гидрографу расчетного паводка.

Такой расчет в отличие от существующих методов расчета об­ щего размыва позволяет получить истинное значение максималь­ ного подпора и скорости перед мостом и хорошо согласуется с ре­ зультатами наблюдений и экспериментальными исследованиями, проведенными как в лаборатории, так и в натурных условиях.

Расчеты по ряду примеров показали, что применение предла­ гаемой методики дает коэффициент размыва в среднем меньше на 20%, чем по методу динамических скоростей, и на 30% меньше, чем по методу предельного -баланса наносов.

Значение коэффициента размыва позволяет получить среднюю глубину под мостом .после размыва. Однако для практических це­ лей необходимо знать также и максимальную глубину после размыва.

Форма живого сечения под мостом характеризуется коэффици­ ентом

hmах

(VIII-4)

где йщах — -максимальная глубина; # м— средняя глубина. Поскольку это отношение до размыва ххдр известно, то, зная

связь между этим коэффициентом и тем же коэффициентом после размыва апр, можно установить величину последнего.

Соотношения между обоими коэффициентами принимают раз­ личными: по методу динамических скоростей ап9> ажр; по исследо­

ваниям А. М. Латышенкова апр<адр; по О. В. Андрееву апр=

— адр.

Произведенное сопоставление указанных коэффициентов по су­ ществующим мостам показало, что однозначной зависимости меж­ ду ними нет.

Изменение коэффициента а в связи с размывом зависит от ряда причин. Например, если размыв достиг трудноразмываемого грунта, его развитие пойдет в ширину и поэтому коэффициент а будет падать. Если прямолинейное русло, расположенное в сере­ дине моста, деформируется и ко времени прохода расчетного па­ водка представляет собой излучину с расположением наибольших глубин у края отверстия, то коэффициент формы живого сечения под мостом после размыва увеличится.

203

Анализ живых сечений ряда мостов показал, что при прямоли­ нейном русле, однородных размываемых грунтах и устойчивом по­ ложении русла в середине отверстия (моста коэффициент а мало изменяется при размыве, но со временем снижается.

В этих случаях при расчете размыва с некоторым ■запасом можно принимать коэффициент а одинаковым до размыва и после; тогда при построении линии 'размыва необходимо каждую глубину до размыва умножать на средний коэффициент размыва.

Новая методика расчета общего размыва по гидрографу павод­ ка, изложенная в Указаниях ЦНИИСа (89], приближает расчет к реальным условиям работы мостов по пропуску паводков.

Расчет размыва основан на учете неустановившегося движения потока при расчетном паводке, когда во времени изменяются рас­ ходы, скорости, уровни и другие параметры потока. В качестве рас­ четного принимают паводок, максимальная ордината гидрографа которого равна расходу заданной вероятности превышения.

В расчете общего размыва криволинейный гидрограф заменя­ ют ступенчатым, при этом следует учитывать, что этот вид размы­ ва происходит при уровнях выше средней отметки поймы, если не учитывать малого влияния промежуточных опор на размыв, а от­ ложение наносов возможно в период паводка и во время межени.

Форма гидрографа зависит от морфометрических характери­ стик речного бассейна и метеорологических факторов. Методы по­ строения гидрографов расчетных паводков и половодий различа­ ются по характеру их схематизации, которая возможна по тре­ угольникам или трапециям или по типовым уравнениям, описываю­ щим очертание гидрографа. Наконец, возможна схематизация по моделям реальных (половодий и паводков.

При схематизации расчетного гидрографа по треугольнику для его построения необходимо знать две величины из трех, входящих в выражение

2 2 Q

(VIII-5)

Qmax

где Гп— продолжительность половодья или паводка; 2 Q — сумма

расходов за половодье или паводок; Qmax — максимальный расход.

Соотношение подъема и спада ( /i : ^2) при отсутствии наблю­

дений К. П. Воскресенский [30] рекомендует принимать для рав­ нинных рек:

На небольших водотоках при паводках от продолжительных дождей гидрограф схематизируется по трапеции. В этом случае

204

построения гидрографа, помимо данных, входящих в выражение (VIII-5), необходимо еще знать продолжительность стояния мак­ симального расхода f3, которую можно считать равной 0,1 Ти.

Тогда для трапецеидального гидрографа

лл ( tz — z Y

де через z единиц времени от пика паводка; Q max — максималь­ ный расход воды; tx и U — продолжительность подъема и спада

паводка (в сутках или часах).

Для гидрографов половодий т = п= 2,0 для ливневых паводков т = 2,0; я =3,0.

Продолжительность подъема t\ для весенних половодий может

где tc — продолжительность снеготаяния, считаемая со дня с мак­ симальной убылью снега; L — длина реки, км; V\ — скорость продвижения половодья при пике, равная от 56 км/сутки для заболоченных рек до 108 км!сутки для равнинных.

205

Средние значения tc (по Боголюбову) приведены ниже:

Продолжительность спада весенних половодий определяется по приведенным выше соотношениям t\ : t%.

Продолжительность подъема дождевого паводка (в часах) оп­ ределяется (по формуле

где V2 — максимальная скорость течения воды, м/сек (средняя по

сечению), в расчетном створе, определяемая по формуле Шези или по упрощенной формуле

табл. VIII-2.

Форма гидрографа зависит от многих факторов, поэтому наибо­ лее правильно исходить не из какой-либо строгой схематизации гидрографа, а из модели, установленной на основе обобщения груп­ пы реальных гидрографов.

Построение типового графика производится на основе обобще­ ния ряда гидрографов, которые выбирают близкими по повторяе­ мости максимальных расходов к повторяемости, принятой для проектирования мостового перехода.

Для построения типового гидрографа намечают на каждом графике принятой для обобщения группы характерные переломные точки. Эти точки осредняют по абсциссам и ординатам. Ординаты выражают в процентах от максимального расхода, абсциссы — в процентах от продолжительности (половодья или паводка, которая принимается средней для всей группы гидрографов. Полученные относительные гидрографы наносят на один чертеж и к расчету принимают среднее значение очертания относительного гидро­ графа.

Для построения гидрографа расчетного паводка вычисляют ординаты через 5— 10% от общей продолжительности паводка или половодья и, кроме того, в характерных переломных точках.

При замене криволинейного гидрографа ступенчатым число ступеней от момента выхода воды на пойму до начала спада должно быть не менее трех.

206

Для упрощения расчетов ступени на спаде рекомендуется при­ нимать при тех же расходах, что и на подъеме.

Способ разбивки гидрографа на ступени рекомендуется сле­ дующий.

Ветвь подъема гидрографа делят по высоте на три равные части и через точки деления проводят горизонтальные линии.

Через середины участков гидрографа между ступенями прово­ дят вертикальные линии, точки пересечения которых с горизонталь­ ными линиями ступеней принимают за концы ступеней.

Размыв рассчитывают, последовательно суммируя размыв на каждой ступени гидрографа.

Размыв на данной ступени гидрографа определяют по выраже­ нию

где A t— приращение времени, сек; ДW — приращение объема раз­

Расчет сводится к подбору такого объема (следовательно, и глубины) размыва, при котором время, необходимое на его осу­ ществление, было бы равно продолжительности данной ступени гидрографа.

Расчет на последующей ступени гидрографа начинают с раз­ мыва, осуществившегося на предыдущей ступени.

Расчет размыва предусматривает наличие необходимых струе­ направляющих дамб и других регуляционных сооружений на пере­ ходе и устройство срезки грунта или расчистки живого сечения под мостом с необходимым выводом срезки или расчистки за пре­ делы подмостового сечения.

Размыв, определяемый по существующим методам, является предельно возможным при неограниченном воздействии расчетно­ го расхода на подмостовое русло. Поэтому с какого живого сече­ ния (предварительно размытого или неразмытого) начинается размыв, для результата расчета значения не имеет.

При расчете размыва по гидрографу расчетного паводка, когда паводок может выполнить лишь определенную работу по размыву, конечный результат размыва будет зависеть от того, в какой степе­ ни живое сечение было размыто до прохода расчетного паводка.

Если живое сечение заносится после каждого паводка и к про­ ходу расчетного паводка не носит следов размыва от предыдущих паводков, расчетный паводок произведет некоторый размыв, свой­ ственный этому паводку. Если предыдущими (предполагается ни­ же расчетного) паводками живое сечение размыто, при проходе расчетного паводка размыв будет продолжаться и в итоге суммар­

207

ный размыв окажется больше, чем в предыдущем случае.

В связи с этим необходимо решить, какое исходное живое сечение следует принять для расчета с учетом предва­ рительного размыва или без него. Нор­ мы проектирования устанавливают ве­ роятность превышения расхода, при пропуске которого через подмосто­ вое русло следует рассчитывать раз­ мыв.

Расход заданной вероятности не может длиться неограниченно долго, а может продолжаться лишь соответст­ венно паводку, наибольший расход ко­ торого равен расходу заданной веро­ ятности превышения.

Если расчет размыва вести на про­ пуск двух, последовательно идущих расчетных паводков, вероятность такой гидрологической обстановки была бы равна произведению вероятностей наи­ больших расходов этих паводков и, следовательно, расчет велся бы на бо­ лее тяжелые условия, чем это требует­ ся нормами.

Поэтому, например, рассчитывать на предварительный размыв живого сечения от прохода расчетного паводка было бы непра­ вильно.

Чтобы не выйти за рамки требований норм, перед проходом расчетного паводка 'можно рассчитывать лишь на размыв живого сечения средними паводками (50% вероятности).

Материалы наблюдений на реках показывают, что максималь­ ные уровни при паводках 50% вероятности обычно отвечают нача­ лу затопления пойм, когда еще не сказывается стеснение живого сечения подходами к мосту, и поэтому не может быть размыва от стеснения.

В этих случаях не следует считаться с предварительным раз­ мывом и при расчете за исходное может быть принято бытовое жи­ вое сечение, снятое во время изысканий, а при необходимости уче­ та руслового процесса — исходные живые сечения согласно указа­ ниям гл. VII.

Однако если расчетный паводок все же пройдет по предвари­ тельно размытому живому сечению, например на 25—30% от раз­ мыва при расчетном паводке, то преувеличение размыва, как пока­ зывают расчеты, составит незначительную величину в пределах точности расчета общего размыва.

При малом коэффициенте вариации максимальных расходов, а также в случаях, когда среднемаксимальные паводки существенно

208

затапливают поймы с предварительным размывом, следует счи­ таться, хотя можно предполагать, что влияние этого размыва едва ли будет ощутимым.

Объем размыва AW определяют (рис. VIII-5) по формуле

Ah — принятый слой смыва, м\ Вр — ширина русла, м\ /п и /л —

части отверстия моста, соответственно на правой и левой пой­ мах, м\ /сп и /сл — расстояния между осью моста и верхней гра­

ницей срезки или расчистки соответственно по правому и лево­ му берегу русла, м\ Lp — длина распространения размыва, м,

определяемая по формуле

лом (русла и поймы), м/сек; /разл — расчетная ширина разлива

реки, принимаемая при одностороннем стеснении потока подхо­ дом равной 'полной ширине разлива, а при двустороннем стес­ нении — равной половине полной ширины разлива; ie — быто­ вой уклон водной поверхности; g — 9,81 м/сек2; 0,67 — коэффи­

циент, учитывающий соотношение между вычисленной и наблю­ денной длиной, распространения размыва, установленный экс­ периментально'; а — коэффициент, принимаемый по табл. VIII-3

Безразмерный гидравлический параметр нестесненного' потока определяют по формуле

Qoм— часть расхода воды, проходящая в пределах отверстия моста в бытовых условиях.

Формула (VIII-15) была предложена И. С. Ротенбургом, причем значение параметра а принято равным 1 ,0. Опыты ЦНИИСа в 1966— 1967 гг. показали, что значение а оказалось равным 0,7.

В 1968 г. И. С. Ротенбургом было получено приближенное теорети­ ческое решение, позволяющее находить величину коэффициента а

Fr

для различных потоков, характеризуемых параметром — и мерой

209

Т а б л и ц а VIII-3

Fr

П р и м е ч а н и е . При значении — >0,50 значение параметра а принимают

'б

по нижней строке.

При изменении скорости нестесненного потока за период затоп­ ления пойм не более чем на 25% длина распространения размыва принимается для всех ступеней гидрографа такой же, как и для наивысшей ступени.

В противном случае длина распространения размыва опреде­ ляется для каждой ступени в отдельности.

Для предгорных блуждающих рек, на которых струенаправляю­ щие дамбы доводят до границ зоны блуждания, И. С. Ротенбург [115] рекомендует длину распространения размыва принимать рав­ ной расстоянию от оси моста до концов струенаправляющих дамб,

Т.е. £ р = /дамб.

Вэтом случае величину М в формуле (VIII-14) определяют как

При определении времени At (в сутках) по выражению (VIII-12), когда ДЦ7 выражается в тыс. мъ, a G\— G2 в кг/сек,

19.7ДГ

J o p >

210