книги / Переходы через водотоки

Преобразуем формулу (VII1-35), обозначая отношение

(VIII-36)

Зная р из натурного соотношения скоростей под мостами на ос­ нове гидрометрических наблюдений, находим для новых переходов Урдр, решая уравнение (VI11-36), а затем и 0пдр=Р0рдр. Отсюда по­

лучаются расходы в отдельных частях отверстий и в делом под мостом.

На основе гидрометрических наблюдений под мостами автором данного параграфа составлен кадастр (приложение 5). В нем при­ ведены фактические значения р, а также показатель степени я, под­ считанный по эмпирической формуле

(VIII-37)

где Ярдр — средняя глубина в русле под мостом; ЯПДР — то же, в пойменной части моста.

Обобщение материалов гидрометрического кадастра потребова­ ло составления графика и введения, кроме р, второй координаты — морфологического безразмерного критерия Мг:

(VIII-38)

1. Мостовые переходы, имеющие удовлетворительные регуляци­ онные сооружения, запроектированные по современным требовани­ ям. Разброс точек позволяет провести осредненные результирующие кривые.

2. Переходы с неудовлетворительными регуляционными соору­ жениями (точки № 8, 11—13). Сюда относится, например, переход

через Оку у Мурома, построенный в 1913 г. Со стороны большой односторонней поймы на этом переходе построена почти прямая дамба длиной 0,7 отверстия. Эта дамба отжимает поток поймы к противоположному нагорному берегу 1.

На графике также приведены точки, обозначенные крестиками

(X) , соединенные пунктиром по наблюдениям в лаборатории

1 Точки № 11 и 12 на графе n=f(M) не показаны.

221

Рис. VIII-9. Зависимости параметров р и п от параметра Мг для од­ ного моста (точками обозначены расчетные значения Р и п для па­ водка вероятностью превышения 1%, номерами (по приложению 5) — натурные точки, крестиками — лабораторные

ВОДГЕО, проведенным А. М. Латышенковым на жесткой модели. Как видно, обе системы точек имеют одно направление.

Определение скоростей под мостом, по данным кадастра, соот­ ветствует русловому режиму в некоторой начальной фазе прохода паводка при разной ВП. Поэтому были обработаны наиболее на­ дежные материалы и составлена кривая № 1 для р и п при ВП =

= 1%! (см. рис. VIII-9) и бытовом неразмытом профиле и кривая № 2 — при размытых руслах, куда вошли р и п, приведенные в

приложении 5.

Таким образом, имеются данные для определения конечных разхмывов при проходе расчетных паводков как в первые год-два экс­ плуатации перехода по кривой № 1 , так и через несколько лет при

среднеразмытом русле по кривой № 2, т. е. с учетом времени. Для удо'бства пользования составлена табл. VII1-5.

222

Коэффициенты размыва в русле Рр могут быть определены из

соотношения скорости до размыва и после:

Л> (VIII-39)

где т — по имеющимся гидрометрическим наблюдениям принима­ ют по табл. VIII-6.

Значения, меньшие чем 0,80, следует применять при проверке работы отверстий на проход редких паводков с ВП = 0,1 % и меньше.

Наибольшую глубину после размыва Атахпр можно определять по формуле

ftmaxnp — Р рйщахрщъ

где hmахрдр— наибольшая глубина в бытовом русле.

223

В пойменной части моста коэффициент размыва определяется в зависимости от количества переносимых наносов. С поймы идет чис­ тая вода и может уменьшить удельный вес наносов. Поскольку батометрических наблюдений под мостами не производилось, скорость после размыва в пойменной части определяется приближенно по формуле

где Vo— неразмывающая скорость для грунта на линии размыва.

Аналогичный метод расчета на гидрометрической основе приме­ ним и для расчета пойменных мостов. Устройство дополнительных отверстий позволяет:

1 ) сохранить протоки, которыми пользуется население, и не уве­

личивать заболоченность поймы; 2 ) уменьшить подпор, в особенности при сильно работающих

поймах, когда в русле проходит всего 30—20% расчетного расхода; 3) уменьшить размыв в русле, что особенно важно при построй­

ке деревянного моста.

Практика показывает, что в эксплуатации пойменные сооруже­ ния часто выносятся, поэтому еще в начале XX в. господствовало мнение, что применять отверстия на пойме не следует. Расчет в то время был несовершенным, в нем не учитывалось различие режи­ мов русел и пойм. Если ;в русле идут наносы, это означает, что ско­ рость потока в русле выше в 1,5—2 раза скорости, не размывающей грунт. Когда же на пойме идет чистая вода, пойменный мост надо рассчитывать по неразмывающей скорости, зависящей от грунта на линии размыва.

Основоположником расчета отверстий в пойме был проф. А. Ф. Фролов, написавший в 1912 г. капитальный труд [147], где им был освещен, в частности, вопрос о расчетах отверстий в дельте Волги. И. С. Ротенбург [116] предложил принимать при расчете подпор для всех отверстий одинаковым. Скорости будут разные в зависимости от сопротивления при распределении потока между отверстиями. Им разработан метод расчета отверстий решением уравнения удельной энергии и даны примеры расчета [115]. О. В. Ан­ дреев дал решение задачи на основе равенства перепадов [8].

Имеется ряд достоверных наблюдений за работой пойменных мостов: на переходах дельты Волги у Астрахани 1908 г. при 14 от­ верстиях, на двух переходах Дона у Ростова в 1917 г. при 10 от­ верстиях и на Днепре у Киева в 1931— 1932 гг. при двух отверстиях, которые можно положить в основу расчета. Всего при некоторой достоверной экстраполяции можно располагать 30 надежными рас­ ходами и площадями размыва. Эти материалы помещены в кадаст­ ре (приложение 5). Фактор времени для уменьшения размыва не учитывается.

На рис. VIII- 10 приведены обобщающие кривые, из них № 3 ре­ комендуемая (табл. VII1-5), где р стремится к 1 ,0, когда в поймен­

ных отверстиях скорость будет равна русловой, и кривая № 4 для

224

Рис. VIII-10. Зависимости параметров р и п от параметра Мг для пойменных мостов. Крестики относятся к вынесенным сооружениям, остальные обозначения те же, что и на рис. VIII-9

укрепленных или каменистых русел. Пунктиром показана кривая, проведенная по точкам размытых мостов. При проверке перехода на предельный паводок можно пользоваться кривой № 4. Цифры в кружках соответствуют номерам приложения 5.

Распределение расхода между отверстиями решается уравнени­ ем баланса расходов:

Q — ^РДр О^РДР“Ь Рн»1 + р2б)2 + -V.)> (VIII-41)

где величины с индексом 1 , 2 и т. д. относятся к первому, второму и

другим отверстиям в пойме. При наличии одного отверстия р можно определять либо по табл. VIII-5 гр. 6 и 8 как общее для всех пой­ менных отверстий исходя из величины Мг для всего перехода, либо

225

граф 7 и 9, также исходя из величины Мг для в с е г о перехода. Тогда pi и р2 и т. д. определяются как среднее арифметическое зна­

чение между двумя найденными, и в каждом отверстии значение Р будет разное.

§ 39. РАСЧЕТЫ ОТВЕРСТИИ В УСЛОВИЯХ ПРИЛИВНО-ОТЛИВНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Почти все океаны, моря, заливы и проливы подвержены кратко­ временным колебательным движениям водных масс, которые опре­ деляют приливный характер рек в устьевых участках. Приливные волны являются результатом астрономических и метеорологиче­ ских явлений и вызывают однократный или двукратный подъем и спад воды за полный цикл продолжительностью около 25 ч.

Приливные волны распространяются внутрь материка через устья, приливные дельты, протоки и низинные реки и медленно -по­ гашаются на некотором расстоянии от моря. Однако характер при­ ливной волны с одним или двумя приливами и одним или двумя отливами за полный ее цикл сохраняется на всем протяжении реки, где происходит гашение прилива. Продвигаясь внутрь материка, сила прилива постепенно ослабевает из-за встречного сопротивле­ ния ее движению в устьях и дельтах рек, от ветра и встречного реч­ ного потока воды, стекающего к морю. Сила прилива, уменьшаясь, становится незаметной на определенном расстоянии от моря, выше которого реки имеют обычный гидрологический режим. Длина участка реки, на котором наблюдаются приливные явления, изме­ няется в течение года. В периоды высоких паводков это расстояние уменьшается, сдвигаясь в сторону моря, а в межень увеличивается, продвигаясь в глубь суши.

В сильно разветвленных устьях рек влияние прилива сказывает­ ся неодинаково в различных рукавах и протоках. В главном русле может наблюдаться едва заметное поднятие уровня воды, а в ма­ лых рукавах и протоках — полный или частичный поворот течения в сторону реки.

Приливные явления могут быть обнаружены путем наблюдений за режимом рек в период изыскательских работ на конкретном мос­ товом переходе.

Приливы и отливы вызывают непрерывное изменение уровня во­ ды в реке, а также изменения скоростей течения и их направления (рис. VIII-11). На участках рек, подверженных действиям прили­ вов, создаются условия переменного подпора, в результате чего течение воды замедляется и постепенно принимает обратное на­ правление. При отливах создаются условия спада, и течение воды ускоряется. Количество воды, поступающее во время прилива через

реке по мере приближения к прибрежному устью (морю).

При смене прилива на отлив и наоборот наступает момент, ког­ да движение воды отсутствует. Образование стоячей воды при при­

226

Рис. VIII-13. График колебаний максимальных и минимальных суточных уровней воды р. Руиса у г. Кхулна за 1944 г.

стоянство прилива, которое заключается в том, что после око ния одного приливного цикла уровень воды оказывается ниже л выше, чем при начале цикла. Поэтому, чтобы исключить влияни ежедневного колебания прилива на оценку объемов прилива и от­ лива, эти объемы рассчитывают по измерениям всего периода,

охватывающего полный приливный цикл, т. е. 25 ч.

Поскольку на реке наблюдается собственный сток, то последний во время прилива подпирается приливными водами и, следователь­ но, должен накапливаться в приливном бассейне. Во время отлива подпорные явления исчезают, а накопившийся объем воды вместе с водой прилива стекает в море. Поэтому фактическая величина от­ ливов бывает всегда больше расхода приливов. На этом и основано

где ЕИ^отл — суммарный объем отлива за полный цикл, мг\ ЕИ7пр—

суммарный объем прилива за полный цикл без влияния собст­

терика.

v J

228

о ) И, ф ут

Рис. VIII-15. График колебаний уровней приливно-отливных вод на р. Рупса (Восточный Пакистан):

а — в квадратурный период; б — в сизигийный

на в эстуарии в результате повышения уровня воды в его верхней части и увеличения скоростей течения при высоких уровнях.

Для мостовых переходов, расположенных в зоне активного дей­ ствия приливов, расчетными являются условия, создающиеся в па­ водковый период, поскольку они характеризуют наивысшие колеба­ ния уровней воды во внутригодовом режиме уровней. За каждый год наблюдений должен быть установлен максимальный уровень, характеризующий суммарное влияние паводка и максимального прилива.

Учитывая, что влияние приливов является постоянно действую­ щим фактором на формирование уроненного режима водотока на определенном участке реки, а величина прилива зависит от величин паводковых расходов, значения максимальных ежегодных уровней воды от суммарного воздействия стока и приливов могут служить исходными величинами для вычисления расчетного уровня высокой воды.

Для определения отверстия моста и размывов подмостового рус­ ла необходимо иметь данные измерений в период сильных приливов и период мелководных. Сильный прилив (сизигийный) с высоким приливом и низким отливом возникает 1 раз в 14— 15 дней при сов­ местном действии астрономических сил солнца и луны. Этот прилив постепенно теряет силу, а через неделю наступает самый слабый прилив, называемый квадратурным или мелководным. В квадратур­ ный прилив уровень воды прилива низкий, а отлива высокий (рис. VII1-15).

Из этих особенностей приливных явлений следует, что количест­ во воды, поступающее в приливную зону и вытекающее из нее во время сизигийных приливов, значительно больше, чем в квадратур­ ный период. Эти явления сказываются и на скоростях течения воды. Что касается величины собственного максимального расхода реки, то для его определения можно производить наблюдения в любое время независимо от периода приливного цикла.

229

На уровенный режим, кроме основных факторов расходов соб­ ственного стока и от действия приливов в ряде районов земного ша­ ра, могут оказывать существенное влияние и местные факторы: рез­ кие подъемы уровней в бассейнах небольших рек из-за выпадения значительных дождевых осадков, сильный штормовой ветер, на­ правленный вдоль реки или под небольшим углом.,

По данным работы [40], ураган в августе 1933 г. на р. Потомак (США) повысил уровень воды в прилив на 2,5 м. В мае 1965 г. в

Восточном Пакистане сильный циклон вызвал подъем максималь­ ного уровня на станции Иньза Гхат на 1,8 м.

В ряде прибрежных районов морей и океанов наблюдается се­ зонная смена преобладающих ветров. Наиболее опасным для мос­ товых переходов является совпадение такого ветра с направлением приливной волны в период формирования максимального годового уровня, в результате чего возможно увеличение приливной волны. Поэтому при проектировании мостовых переходов необходимо про­ изводить учет возможного увеличения расчетного уровня высокой воды от действия попутного ветра. Уровень моря подвержен сезон­ ным изменениям, вызванным метеорологическими факторами, а не приливными условиями. Однако эти колебания невелики и их влия­ ние чувствуется только в прибрежных зонах. На побережье Восточ­ ного Пакистана они составляют 0,5—0,6 м.

Для проектирования мостовых переходов отделение колебаний уровня моря от колебаний уровней, вызываемых собственным сто­ ком реки, не обязательно из-за их незначительной величины, а так­ же из-за того, что они уже учитываются при определении средних уровней за полный приливный цикл по фазам.

При определении максимального расчетного уровня высоких вод необходимо учитывать возможное несовпадение во времени собствен­ ного пика паводка и максимума сизигийного прилива. С учетом ве­

гдеЯ вп% — максимальный уровень воды, вычисленный путем ста­ тистических расчетов наблюденных ежегодных максимальных уровней от суммарного воздействия прилива и паводковых вод; А #в — коэффициент, учитывающей увеличение приливной вол­ ны от действия попутного штормового ветра вдоль реки, прини­ маемый в зависимости от силы ветра ориентировочно равным 0,7— 1,2 от высоты приливной волны в период действия ветра; (Атах—Amin) — разность максимального и минимального уров­ ней воды во время сизигийного прилива; Кк — коэффициент*

учитывающий погрешность ежегодных несовпадений пика па­ водка с максимумом сизигийного периода, принимаемый ориен­ тировочно по приведенным ниже данным:

230