книги / Проектирование мостовых переходов через большие водотоки

мерах стеснения потока сооружением (см. § 23) остается спокойным и после стеснения. В сжатом сечении и за ним не происходит пе­ рехода через критическую глубину.

От начального живого сечения (сечение, до которого вверх рас­ пространяется влияние мостового перехода) скорость течения вдоль струи, сохраняющей прямолинейное направление, медленно умень­ шается по сравнению с бытовой скоростью. Это уменьшение ско­ рости прямолинейной струи приостанавливается в значительном удалении от моста (вертикаль П на рис. 72). Далее вниз по течению

скорость медленно возрастает и, еще не доходя моста на большое расстояние (вертикаль в рис. 72), уже превышает бытовую скорость

вследствие некоторого сужения струи в плане. Затем происходит быстрое нарастание скорости, достигающей максимального значе­ ния в отверстии моста — в наиболее сжатом сечении потока. За мостом вниз по течению происходит уменьшение скорости, обуслов­ ленное постепенным расширением прямолинейной струи.

По крайней струе, идущей вдоль границы разлива к насыпи и обтекающей ее, характер изменения скорости вдоль по течению несколько иной, чем вдоль прямой струи. От начального сечения выше перехода до самой насыпи происходит уменьшение скорости. Там, где струя подходит к насыпи и сильно искривляется, скорость очень мала, падает почти до нуля. Вдоль насыпи с верховой ее стороны по направлению к отверстию скорость медленно нарастает. Резкое увеличение скорости струи происходит на головном участке верховой струенаправляющей дамбы, а при отсутствии дамбы — на коротком участке насыпи, прилегающем к устою моста. Вдоль верховой струенаправляющей дамбы скорость немного нарастает до сжатого сечения. За ним, на участке низовой струенаправляю­ щей дамбы, скорость почти не изменяется. Уменьшение скорости струи происходит ниже по течению, где струя граничит с обширной водоворотной областью.

Ограничиваясь в гидравлической схеме стесненного потока рас­ смотрением только средних скоростей на вертикалях и полагая, что направление скорости по глубине вертикали неизменное, мож­ но живые сечения потока представлять как цилиндрические поверх­ ности с вертикальной образующей, ортогональные направлению струй. Вблизи моста, где струи не параллельны, цилиндрические живые сечения криволинейные. В достаточном удалении от перехода, где сохраняется параллельноструйное течение, а также в сжатом сечении в отверстии моста, в котором восстанавливается парал­ лельное течение, живые сечения плоские.

На картину течения стесненного потока, в том числе на распре­ деление скоростей течения по живым сечениям, оказывает влияние различие морфологических особенностей коренного русла и поймы. Часть потока в коренном русле сохраняет направление течения, соответствующее очертанию берегов русла. При приблизительно прямолинейном русле в его пределах сохраняется даже на пред-

мостовом участке прямоструйный поток. Пойменные струи не пря­ молинейны и имеют гораздо меньшую скорость, чем в русле (рис. 73).

Водная поверхность потока, стесненного мостовым переходом, имеет специфический рельеф. Этот рельеф впервые описан А. М. Фро­ ловым.

До стеснения русла поверхность воды речного потока прибли­ зительно можно принимать за наклонную плоскость с продоль­ ным уклоном i 6 . Причем, несмотря на резкое различие в морфоло­ гических характеристиках глубокого коренного русла и сравни­ тельно мелкой поймы, в бытовых условиях продольный уклон

ПЛАН

Ряс. 73. План струй и скоростей течения у моста через р. Волгу

водной поверхности i 6 вдоль русла и по пойме приблизительно один

и тот же. Это существенное обстоятельство используется при гид­ равлическом расчете стесненного потока и ранее принималось за основу при расчете распределения расхода по ширине живого сече­ ния потока в бытовых условиях (см. § 23).

После стеснения рельеф водной поверхности по сравнению с бы­ товыми условиями резко меняется.

Перед мостовым переходом в транзитном потоке на поверхности воды образуется в п а д и н а . Появление ее объясняется тем, что в части потока против моста движение жидкости происходит с большой скоростью, которая нарастает к отверстию, а в части пото­ ка, набегающей на насыпь, скорость гораздо меньше, и она сни­ жается по мере приближения к насыпи. Кроме того, сказывается действие центробежной силы на частицы жидкости, движущиеся по искривленным траекториям, выпуклость которых обращена от моста к границе разлива (рис. 72).

Ниже по течению, за мостом, где происходит растекание, поверх­ ность воды транзитного потока п р и п о д н я т а относительно поверхности водоворота. За насыпью уровень воды более низкий, чем на выходе потока из отверстия. Объясняется это тем, что в части водоворота, которая ближе к границе разлива, имеет место обрат­ ное течение, т. е. к насыпи, возможное только при соответствующем понижении уровня воды за насыпью.

В водоворотиых областях, где течение замкнутое и отличается малой скоростью, водная поверхность почти горизонтальная.

Изображать наглядно описанный рельеф водной поверхности потока у мостового перехода на плане удобно с помощью горизон­ талей (рис. 74 и 75). Рельеф водной поверхности на мостовом пере­ ходе через Волгу (рис. 74) снят в натуре весной 1934 г. Горизонта­ ли на плане стесненного потока представляют собой кривые, окай­ мляющие отверстие, с противоположными знаками кривизны выше

Рис. 75. Рельеф водной поверхности у модели сооружения по опытам

вгидротехническом лотке

иниже по течению от моста. По мере приближения к мосту горизон­ тали сгущаются, соответственно вблизи моста увеличиваются ук­

лоны водной поверхности.

Профиль водной поверхности вдоль прямоструйной части пото­ ка, идущей через отверстие, отличается сменой величин уклонов (рис. 76). От начального сечения, до которого вверх распростра­ няется влияние мостового перехода, уклон вниз по течению умень­ шается по сравнению с уклоном нестесненного потока; кривая сво­ бодной поверхности поднимается над бытовой и имеет вид кривой подпора. Затем, еще на значительном удалении от моста начинается постепенный переход к кривой спада; на этом участке кривая сво­ бодной поверхности стесненного потока на некотором протяжении почти параллельна водной поверхности в бытовых условиях. Далее,

при приближении к мосту образуется ясно выраженная кривая спада, уклон резко возрастает и становится значительно большим, чем бытовой. За мостом на участке растекания величина уклона меньше, чем в бытовых условиях; причем вниз по течению профиль

Рис. 76. Профиль йодной поверхности вдоль прямоструйной части потока

свободной поверхности плавно переходит в профиль нестесненного потока.

Описанная схема продольного профиля водной поверхности возможна, если уровень воды в сжатом сечении и вниз по течению за ним стоит ниже, чем при нестесненном состоянии потока, так как продольный уклон за мостом меньше бытового уклона, а перед мо­ стом — больше. На рис. 77 показаны продольные профили вдоль

Рис. 77. Профиль водной поверхности у мостового перехода че­ рез р. Волгу

коренного русла, снятые у мостового перехода через Волгу при проведении гидрометрических наблюдений во время половодья, когда поток был стеснен подходной насыпью.

Поперечный разрез водной поверхности с верховой стороны подходной насыпи может быть либо в виде выпуклой кривой спада (рис. 78), либо в виде горизонтальной линии. Последняя образуется при короткой подходной насыпи и сравнительно длинной верховой струенаправляющей дамбе. В этом случае водовороты у конца на-

сыпи и за дамбой сливаются, что и приводит к горизонтальной сво­ бодной поверхности. При наличии длинной подходной насыпи, что чаще встречается на мостовых переходах, и относительно короткой струенаправляющей дамбе или при отсутствии дамбы с верховой стороны насыпи образуется кривая спада с уклоном свободной

Рис. 78. Поперечный разрез водной п оверхности по обе стороны подходной насыпн

поверхности, резко увеличивающимся на коротком участке вблизи моста. Поперечный разрез водной поверхности у насыпи с низовой ее стороны, по водовороту, представляет собой почти горизонталь­ ную линию или весьма слабо вогнутую кривую спада с очень неболь­ шим понижением отметок поверхности воды от моста к концу на­ сыпи. На рис. 118 показаны профили водной поверхности по обе стороны насыпи, снятые на мостовом переходе через р. Дон.

Как было указано ранее, водная поверхность стесненного по­ тока выше по течению от перехода поднимается над бытовой. Перед

во д о т о к а с о о р у ж е н и е м . Величина подпора неодина­ кова на разных вертикалях потока. Его распределение по площади

вверхнем бьефе наглядно изображается наложенными один на другой планами в горизонталях поверхности воды в бытовых усло­ виях и после преграждения потока сооружением (рис. 75). Благо­ даря характерной форме впадины на водной поверхности перед мо­

стовым переходом (рис. 74) м а к с и м а л ь н ы й п о д п о р образуется у конца подходной насыпи вблизи границы разлива вы­ соких вод. Причем в углу, образованном границей разлива и на­ сыпью, где имеется водоворот с практически горизонтальной водной поверхностью, на некотором участке вдоль насыпи, от берега до крайней струи транзитного потока, сохраняется одинаковая наиболь­ шая на переходе величина максимального подпора. Вверх по те­ чению от насыпи по границе разлива подпор постепенно уменьша­ ется от максимального значения до нуля в начальном живом се­ чении.

Вдоль прямоструйной части потока, идущей в отверстие моста, подпор достигает самой большой величины на вертикали П (рис. 72

и 76), расположенной еще на значительном удалении от оси пере­

(S — расстояние, отсчитываемое вдоль струи) и, соответственно, потери энергии на гидравлические сопротивления и градиенты линии энергии вдоль струй меньшие, чем в бытовых условиях.

Рис. 79. Изолинии Э на плане потока и продольный разрез

и сжатым живым сечением потока в отверстии моста. В этой зоне происходит значительное сужение потока в плане. Удельная энер­

Потери энергии на гидравлические сопротивления в зоне I I больше,

нежели в бытовых условиях, и градиент линии энергии значительно превышает i6.

В зоне / нет водоворотных областей, в зоне I I они незначитель­

ны — занимают небольшую площадь у конца насыпи и за струе­ направляющей дамбой. Поэтому потери энергии на гидравлические сопротивления в этих зонах рассчитываются как потери на трение.

З о н а I I I расположена ниже по течению от перехода, между

сжатым живым сечением и конечным живым сечением, в котором

восстанавливаются бытовые условия. В этой зоне происходит расте­ кание спокойного потока с образованием обширной водоворотной области. Потери энергии на гидравлические сопротивления в зоне I I I больше, чем на том же участке в бытовых условиях, т. е., так

йЭ

же как и в зон е//,в зоне I I I - ^ < 0. Но вид потерь энергии

на гидравлические сопротивления иной. Наибольшее значение приобретают потери, связанные с наличием обширного водоворота.

Границей зон / и I I является криволинейное цилиндрическое живое сечение Я — в, называемое граничным живым сечением. В

и й Э г.

нем удельная энергия каждой струи достигает максимума и -^ - — 0.

Граничное сечение проходит через вертикаль максимального под­ пора.

§26. Распределение скорости и подпора

вграничном живом сечении

Для расчета подпора необходимо предварительно выяснить, как распределяются величины скоростей и подпора по ширине граничного сечения, а также найти расстояние от него до моста.

В зонах I ц II потери энергии на гидравлические сопротивления

допустимо рассчитывать как потери на трение.

Для элементарного криволинейного отрезка каждой струи, пере­ секающей граничное живое сечение, пользуясь методом Н. М. Вер­ надского, можно записать условие продольного динамического равновесия струи в виде

где z — геодезическая отметка свободной поверхности;

В— ширина струи.

Вуравнении (V-7) потери энергии на гидравлические сопротив­ ления определяются как потери на трение о дно, поскольку они

преобладают в потоках с очень большим отношением ширины

кглубине. Коэффициент кинетической энергии при скоростном на­ поре принят равным единице, так как уравнение (V-7) относится

котдельной струе.

Каждая • струя пересекает граничное сечение на плане потока под некоторым углом а к направлению движения в бытовых усло­

виях (рис. 72). Уклон свободной поверхности нестесненного потока по направлению любой струи стесненного потока i= i6cosa. В соот­

ветствии с этим имеем

и уравнение продольного динамического равновесия принимает следующий вид:

С учетом последнего уравнение продольного динамического рав­ новесия в граничном живом сечении записывается в следующем виде:

в граничном сечении. Уклон i6 является уклоном трения нестеснен­ ного потока. Таким образом, струи стесненного потока имеют в граничном сечении разные величины уклона трения.

Для прямой струи на вертикали в сечения (рис. 72), где а=0,

что возможно, так как скорость крайней струи при подходе к насы­ пи снижается почти до нуля.

Очевидно, что средний уклон трения в граничном сечении мень­ ше, чем в бытовых условиях.

Выражая уклон i6 нестесненного потока также по формуле Ше-

зи, имеем согласно (V-10)

СаА cos a. С§ h$