книги / Переходы через водотоки

Рис. Ш-5. Определение расхода воды методом поплавков-интеграторов: а — профиль; б — план

Определение расходов воды аэрометодом основано на принци­ пе работы поплавков-интеграторов.

Если со дна реки выпустить такой поплавок с удельным весом меньше 1,0 (рис. Ш-5, а), то в зависимости от собственной подъ­ емной скорости, глубины и средней скорости течения на вертикали поплавок появится на поверхности на расстоянии Ln от места его

a dh на vU(mdtt где иПод— вертикальная скорость подъема поплав­

ем Ьл будет иной и может быть выявлена экспериментальным

путем.

Если выпустить ряд поплавков-интеграторов из ряда точек жи­ вого сечения по створу и соединить кривой точки выхода поплав­ ков на поверхность воды, то получим эпюру элементарных расхо­ дов в некотором масштабе (рис. Ш-5, б). Площадь эпюры дает

расход воды в том же масштабе.

Следовательно, чтобы получить расход воды аэрометодом, нуж­ но разместить по створу устройства для выпуска поплавков. При применении аэрометода для определения расхода используют в качестве поплавков жидкость, состоящую из смеси отработанного авиационного масла с керосином в пропорции 1: 1.

41

съемку исследуемого участка в период выхода на поверхность воды жидкого индикатора из сброшенных по створу сосудов. Эту съемку выполняют через 3—4 мин после окончания сбрасывания, чтобы

установился выход индикатора и отчетливо были бы видны струи жидкости на водной поверхности. Съемки производят продольными маршрутами.

При наличии живых сечений по -створам наблюдений аэромето­ дами определяют только поверхностные скорости и направления поверхностных течений на обследуемом участке.

Перед аэрофотосъемкой для определения поверхностных скоро­ стей и направлений течения, если на поверхности нет плывущих предметов, что возможно на спаде, так как на подъеме и на пике паводка обычно много плывущих предметов, производят марки­ ровку водной поверхности. Для целей маркировки служат бутыл­ ки или колбы из тонкого стекла, заполненные жидкостью-индика­ тором (обычно отработанным машинным маслом) или листы бе­ лой бумаги.

В процессе камеральной обработки материалов по определению расходов строят эпюру элементарных -расходов исходя из замерен­ ных значений Ln.

Связь между элементарным расходом q и Ln установлена по

результатам экспериментов, проведенных автором настоящего па­ раграфа в натурных условиях на ряде рек. На данной вертикали определяли элементарный расход путем промера глубины и изме­ рения средней скорости течения вертушкой, затем здесь же погру­ жали на дно реки -сосуд с жидкостью-индикатором и наблюдали выход индикатора на поверхность. Расстояние Ln измеряли мер­ ным шнуром, который держался на поверхности -специальными по­ плавками. Кроме того, был проделан опыт на р. Оке. На створе

42

наблюдений, 'где «а вертикалях были предварительно определены элементарные расходы, поставили лодки на якорях.

При приближении самолета по сигналу одновременно с лодок были опущены на дно реки сосуды с индикатором. Расстояния бы­ ли определены по аэрофотоснимкам, снятым с самолета. В резуль­ тате исследований был получен график, на основе которого была установлена связь q = f(La)

q = 0,135Ln. (III-12)

Практическая проверка описанного способа определения рас­ хода дала хорошую сходимость.

Для получения значений поверхностных скоростей аэросним­ ки обрабатывают на стереометре и получают значения скоростей для измеряемых точек по формуле (Ш -9).

Полученные значения поверхностных скоростей для перевода в

Если надежных значений коэффициента С нет, то коэффициент Ко принимают равным 0,85.

Направление поверхностных течений определяют по изображе­ ниям полос индикатора на аэроснимках.

При съемке в период ледохода или если маркировали водную поверхность, то направления струй получают в виде векторов, дли­ ну и направление кото,рых определяют по смещениям льдин или поплавков на смежных аэроснимках маршрута.

Условные отметки уровней воды определяют относительно при­ нятого начала высот, выбранного на одном из урезов вблизи ство­ ра перехода. Превышения относительно этой начальной точки устанавливают при (помощи стереоскопических измерений.

скольких измерений превышение начала высот над наблюдае­ мым горизонтом воды.

Глубины в точках промерных вертикалей при определении рас­ ходов по поплавкам-интеграторам для каждого цикла измерений находят по выражению

Ас^пов

43

Вычисление глубин по последнему выражению исходя из ско­ ростей и расходов, определенных аэрометодом, недостаточно точно. Поэтому профиль живого сечения получают как среднюю линию дна, проведенную между нанесенными точками всех измерений.

При изысканиях долинных ходов аэрометодом снимают при­ ближенный профиль водотока на основе аэронивелирования, а так­ же составляют уточненный продольный профиль водотока при раз­ личных уровнях воды на основе измерения аэрофотоснимков и наземной геодезической привязки.

Маршрутную аэрофотосъемку с аэронивелированием вдоль реч­ ной долины выполняют прямолинейными маршрутами, ось кото­ рых должна располагаться по осреднешюму направлению фотогра­ фируемого участка реки. Для обеспечения необходимой точности аэронивелирования высота полета должна быть не меньше 1000— 1500 м.

При использовании данных аэронивелирования следует учиты­ вать, что точность отметок продольного профиля речной долины составляет ±1,0 ж.

Все урезные точки, имеющие аэронивелировочные отметки, на­ носят на профиль по расстояниям, полученным с фотосхемы. По нанесенным отметкам находят среднее положение профильной линии.

Целесообразность применения аэрометодов определяется при необходимости получения натурных гидрометрических данных пол­ ным использованием летных средств. Для этого необходимо прово­ дить аэрогидрометрические работы на ряде мостовых переходов или если количество переходов мало и летные средства не могут быть полностью использованы, аэрогидрометрические работы долж­ ны выполняться лишь попутно с основной работой летных средств (аэрофотосъемка вариантов трассы, транспортирование грузов и др.).

Попутное использование летных средств для выполнения аэрогидрометрических работ на одном-двух переходах всегда возмож­ но, так как затраты времени на наблюдение исчисляются всего не­ сколькими десятками минут.

§ 11. ОБСЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

Обследование существующих мостовых переходов выполняют при изысканиях мостовых переходов на проектируемых дорогах, если существующий мостовой переход может служить аналогом для проектируемого. Обследование существующего перехода вы­ полняют также при необходимости его реконструкции по условиям пропуска паводков, а также при классификации мостовых перехо­ дов по водопропускной способности.

В процессе обследования необходим сбор сведений о конструк­ ции и размерах сооружений, о работе мостового перехода по про­ пуску паводков, сбор гидрологических, метеорологических, геоло­ гических и других данных.

44

Указанные сведения и данные собирают в дорожных архивах, на дистанциях пути, в проектных институтах и организациях, эксплуатирующих дороги, в организациях Гидрометеослужбы, реч­ ного флота, лесосплава и в других организациях, проводивших на­ блюдения на реке и эксплуатирующих гидротехнические соору­ жения.

При отсутствии необходимых данных в перечисленных органи­ зациях их получают путем натурного обследования.

Сведения о конструкции и размерах сооружений мостового пе­ рехода должны включать:

по мосту — год постройки, даты его переустройства, схему мо­ ста, размеры опор, их форму, типы фундаментов и глубину их за­ ложения, расположение опор по отношению к направлению тече­ ния, отметки низа конструкции пролетных строений, обреза и подошвы фундаментов опор; геологический разрез по оси моста, гранулометрический состав несвязных и сцепление связных грунтов;

по земляному полотну подходов— год постройки подходов, да­ ты их переустройства, продольный профиль в пределах разлива при наибольшем расходе с запасом по высоте на 1—2 м, попереч­

ные профили земляного полотна подходов, грунты насыпей подхо­ дов и их гранулометрический состав, типы, конструкции и размеры укреплений откосов и их подошв;

по регуляционным сооружениям — продольные и поперечные профили регуляционных сооружений (верховых струенаправляю­ щих дамб, траверсов, примыкающих к земляному полотну, водо­ разделительных дамб и дамб обвалования), грунты сооружений и их оснований, гранулометрический состав, сцепление; типы, конст­ рукция и размеры укрепления откосов и их подошв.

Данные о работе мостового перехода по пропуску паводков включают: наблюдавшиеся случаи нарушения нормальной рабо­ ты перехода (подмывы опор, переливы и подмывы насыпи подхо­ дов, дамб, разрушение их волнобоем, деформации насыпи подхо­ дов и дамб по условиям фильтрации), принятые меры по ликвида­ ции ограничений водопропускной способности (укрепление опор, защита подходов от размыва и волнобоя и т. д.), род выполненных работ, их объем.

Деформации подмостовых русел иллюстрируются промерами живых сечений до прохода паводка и после (с указанием даты про­ мера и отметки пика паводка) под мостом, выше и ниже его, про­ мерами местных размывов у опор мостов, струенаправляющих дамб и траверсов.

На основе анализа данных о деформациях подмостового русла следует установить связь площади живого сечения под мостом и формы этого сечения, характеризуемого отношением максималь­ ной глубины к средней, с высотой паводка, а также выявить тен­ денции перемещения максимальной глубины под мостом.

Данные по бытовым переформированиям русла, необходимые для прогноза деформаций подмостового русла, получают на оспо-

45

ве анализа топографических карт, сопоставления лоцманских карт и съемок за разные годы.

При отсутствии таких карт и материалов съемок могут прине­ сти пользу опросы местных жителей, бакенщиков, паромщиков, которые могут 'сообщить -полезные сведения о русловом процессе в районе перехода.

Должны быть получены данные о расчетном расходе и уровне воды, принятых в построечном проекте и проектах реконструкции мостового перехода, их повторяемость;

многолетние данные о наблюденных максимальных расходах и уровнях по створу мостового перехода, полученные непосредствен­ но или путем переноса с многолетнего гидрометрического поста.

При наличии на реке гидротехнических сооружений влияние их должно быть отражена в материалах наблюдений за уровнями и расходами;

данные об уровнях с верховой и низовой стороны насыпи зем­ ляного полотна подходов при паводке, что позволит корректиро­ вать теоретические расчеты подпора и поперечного уклона на мо­ стовом переходе;

данные о силе и направлении ветра в паводочный период в районе перехода;

план мостового перехода с указанием направлений течения, мест размывов и отложений наносов.

§ 12. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПО ВОДОПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

На сети дорог страны работают тысячи мостов, труб и других водопропускных -сооружений, построенных в различные годы по разным нормам и требованиям на пропуск паводков. Вследствие этого сооружения при соблюдении действующих технических тре­ бований и норм способны пропускать расходы различной вероят­ ности превышения, т. е. имеют различную водопропускную способ­ ность и в ряде случаев весьма малую.

Поэтому ежегодно наблюдаются случаи повреждения и разру­ шения сооружений проходящими паводками. Во избежание этого сооружения е недостаточной водопропускной способностью нужно усилять.

Предварительно сооружения должны быть классифицированы по водопропускной способности, выявлены те из них, которые под­ лежат усилению, и установлена очередность их усиления.

ной практике.

В первую очередь, для классификации сооружений по водопро­ пускной способности выбирают линии, наиболее подверженные размывам.

Исследование показывает, что с увеличением коэффициентов вариации ряда максимальных расходов интенсивности руслообра­

46

зовательных процессов и доли расчетного расхода, пропускаемого поймами, размывы сооружений, запроектированных по одинако­ вым нормам и методам расчета, возрастают.

Когда выбрана железнодорожная линия, для классификации должна быть установлена очередность обследования мостовых пе­ реходов.

На основе анализа .работы ряда мостовых переходов по пропус­ ку паводков установлено, что условия эксплуатации переходов за­ висят от отношения наивысшего наблюденного расхода ф Набл. к расходу, на который рассчитывались сооружения перехода QpaC4.

При Z2s£;l,5 обеспечиваются нормальные условия эксплуата­ ции. В пределах 2,5>Z 2>1,5 возможны разные условия эксплуата­ ции от нормальных до разрушения сооружений. В этой зоне около 60% переходов эксплуатируются с известными затруднениями, а 40% — разрушаются.

При Z2>2,5 сооружения практически во всех случаях разру­ шаются.

Так как мостовой переход должен пропускать при нормальных условиях эксплуатации расход, требуемый нормами, например, Qv>/„ то критерием для установления очередности обследования

переходов должно служить отношение

пропущен сооружением и при каких эксплуатационных условиях этот паводок пройдет.

Запасы в сооружениях (точнее в их размерах) регламентиро­ ваны нормативными документами, относящимися к вновь проек­ тируемым линиям. Учитывая, что конечной целью классификации переходов по водопропускной сйособности является приведение их к современному уровню прочности на пропуск паводков, следует распространить требования норм и на эксплуатируемые мостовые переходы.

Требования к железнодорожным сооружениям сформулированы для двух расходов: наибольшего — вероятностью превышения 0,33% и расчетного 1—2% в зависимости от категории линии.

Нормы предусматривают запасы в сооружениях при расчетном расходе, обеспечивающие нормальные условия эксплуатации. При наибольшем расходе запасы в сооружениях меньше, чем при рас-

47

четном. При этих запасах обеспечивается сохранность сооружений, но поскольку они меньше, чем при расчетном расходе, не исклю­ чены некоторые нарушения нормальных условий эксплуатации. Следовательно, нормами при наибольшем расходе допускаются чрезвычайные условия эксплуатации.

При классификации мостовых переходов по водопропускной способности следует различать значимость отдельных сооружений в комплексе перехода.

Основными сооружениями следует считать те, по которым про­ исходит движение поездов, а также сооружения, повреждение и разрушение которых приводит к перерывам движения.

Сюда относятся мосты, трубы и другие водопропускные соору­ жения, земляное полотно в зоне подтопления, водоразделительные дамбы и дамбы обвалования, поскольку разрушение этих дамб •приводит к разрушениям пойменных мостов, насыпей подходов.

Второстепенными сооружениями являются те, по которым дви­ жение поездов не происходит, но .разрушение которых в течение короткого времени (например, одного паводка) может привести к повреждениям основных сооружений. Сюда относятся верховые струенаправляющие дамбы у мостов, если они не служат водораз­ делительными, и траверсы, примыкающие к земляному полотну.

К остальным сооружениям относятся: низовые струенаправляю­ щие дамбы у мостов, сооружения меженного регулирования русла

ипроток, береговые укрепления. Эти сооружения могут привести

кповреждениям основных сооружений через больший период вре­ мени, чем второстепенные, и являются наименее значимыми в комплексе сооружений перехода. В целях упрощения классифика­ ции эти сооружения при обследовании переходов могут, как пра­ вило, не учитываться.

Вотдельных случаях береговые укрепления (например, берег

излучины, близко подошедшей к земляному полотну) и сооружения меженного регулирования на блуждающих руслах имеют высокую значимость и подлежат учету при классификации.

Категории для характеристики сооружения по водопропускной способности должны быть связаны с условиями их эксплуатации.

Рассмотрим сначала основные сооружения. Когда расход и уровень повышаются до предусмотренного нормами расчетного расхода Qp, запасы в размерах сооружений уменьшаются до тре­ буемого для этого расхода. В диапазоне расходов до Qp предус­ матриваются нормальные условия эксплуатации.

Последующее повышение расхода до предусмотренного норма­ ми наибольшего Qmax вызывает уменьшение запасов в сооружени­ ях, при которых обеспечивается лишь сохранность сооружений, движение поездов происходит с ограничениями из-за снижения скоростей и нормальные условия эксплуатации сменяются чрезвы­ чайными условиями.

В период сработки запасов в сооружениях, но еще до наступле­ ния Qmax может начаться осуществление мер по временному уси­ лению сооружений средствами водоборьбы. За счет подачи проти­

48

воразмывных материалов и проведения работ по водоборьбе чрез­ вычайные условия эксплуатации продолжаются, а сохранность со­ оружений становится ограниченной за счет малых запасов и уча­ стия средств водоборьбы в устойчивости сооружений.

Дальнейшее повышение расхода вызывает уменьшение запасов до минимальных, соответствующих требованиям норм при наи­ большем расходе, но чрезвычайные условия эксплуатации могут продолжаться за счет применения средств водоборьбы даже при расходах, превышающих наибольший.

За пределами этих расходов, когда исчерпаны запасы в соору­ жениях и возможности их поддержания средствами водоборьбы, сооружения разрушаются и эксплуатация становится невозможной.

Следовательно, по условиям эксплуатации и физическому со­ стоянию основные сооружения могут оцениваться четырьмя кате­ гориями: нормальные условия эксплуатации, чрезвычайные усло­ вия эксплуатации, при которых обеспечивается сначала полная, а затем ограниченная сохранность сооружений; наконец, эксплуата­ ция невозможна, сохранность основных сооружений не обеспечена.

Эти четыре группы позволяют классифицировать сооружения по расчетному расходу. При классификации по наибольшему рас­ ходу остаются три группы, поскольку, как отмечалось, требования норм для наибольшего расхода предусматривают лишь сохран­ ность сооружений.

Работа второстепенных сооружений отличается от основных тем, что усиление их мерами водоборБбы обычно не применяют. Запасы для второстепенных сооружений меньше, чем основных. Например, возвышение бровки полотна подходов к мостам над наибольшим уровнем должно быть не менее 0,5 ж, а для незатопляемых дамб — 0,25 м.

Поэтому для второстепенных сооружений могут быть установ­ лены следующие 'градации по условиям эксплуатации и состоянию сооружений: нормальная эксплуатация (обеспечение сохранности сооружений) и сохранность сооружений не обеспечена (эксплуата­ ции невозможна).

В окончательном виде характеристики категорий по водопро­ пускной способности приведены в табл. III-2.

Наиболее благоприятной является I категория, когда запасы в сооружениях отвечают нормативным требованиям при расчетном и наибольшем расходах.

Мостовые переходы, отнесенные к I категории, усилению не подлежат.

Наименее благоприятной является III категория, при которой сохранность сооружения не обеспечивается. В пределах этой ка­ тегории предусмотрены два случая: 1) когда сохранность соору­ жения не обеспечивается только по требованиям для наибольшего расхода (категория III-A); 2) когда сохранность сооружений не обеспечивается при обоих расходах (категория Ш -Б).

Очевидно, категория Ш-Б является более тяжелой, чем III-A, так как сохранность сооружения уже не обеспечивается при более

4 9

Т а б л и ц а Ш-2

Ш-А, когда сохранность сооружения не обеспечивается только при наибольшем расходе.

Отнесение перехода к категории Ш-Б вызывает необходимость его усиления в первую очередь.

Категория II является промежуточной между указанными. К указанным категориям относятся основные сооружения.

Второстепенные сооружения относятся к двум категориям, причем к категории П-Б относятся сооружения, имеющие запасы, при которых их сохранность не обеспечивается при обоих расходах.

Принятая классификация сооружений показывает, что отсутст­ вие сохранности второстепенных сооружений является еще недо­ статочным для усиления перехода в первую очередь.

Отнесение мостового перехода к той или иной категории по во­ допропускной способности производится по наиболее слабому эле­ менту из числа ограничивающих водопропускную способность.

Для отнесения элементов перехода к категориям водопропуск­ ной способности, указанной в табл. Ш-2, необходимо иметь нормы для каждого из ограничивающих элементов.

Нормы должны быть дифференцированы исходя из того, что действующие нормы относятся к I категории водопропускной спо­ собности. Нормы для III категории основных сооружений и II ка­ тегории второстепенных следует принимать исходя из предпола­ гаемых условий, соответствующих возможному началу разруше­

50