В СССР на многих реках построены или возводятся гидроэлектростанции,
каналы и водохранилища для водоснабжения, ирригации и других
водохозяйственных целей, поэтому переходы через зарегулированные реки
часто встречаются при проектировании дорог.
Наряду с вновь проектируемыми переходами возникают случаи переноса дорог
и мостов из зоны подтопления или их переустройства в связи с
создаваемыми водохранилищами.
При наличии проектов плотин, утвержденных к постройке или строящихся,
переходы .проектируют с учетом влияния плотин на режим реки. Когда
проекты плотин находятся в стадии разработки, возникает необходимость
сравнения двух вариантов переходов: проложения дороги по плотине или вне
ее.
Согласно СНиП П-И.1-62, гидросооружения по капитальности разделяют на
пять классов:
1-й класс — постоянные сооружения, удовлетворяющие повышенным
требованиям, разрушение которых может вызвать последствия
катастрофического характера;
2-й класс — достоянные сооружения, удовлетворяющие средним требованиям,
разрушение которых может причинить значительный ущерб народному
хозяйству;
3-й класс — постоянные сооружения, удовлетворяющие средним требованиям;
4-й класс — лостоянные сооружения, удовлетворяющие минимальным
требованиям;
5-й класс — временные сооружения!.
В зависимости от класса для расчета сооружений принимают величину
максимального расхода воды различной вероятности превышения, назначают
основные параметры сооружения.
По способу пропуска воды плотины делятся на глухие, не допускающие
перелива через них, и водосливные, допускающие перелив воды через тело
плотины.
Плотины также делятся по материалам и по напору
(низконапорные, средне- и высоконапорные).
Мостовые переходы через водотоки, зарегулированные водохранилищами,
проектируют с учетом капитальности плотин и срока их службы. В некоторых
случаях необходимо проверить расчетом сохранность мостового перехода от
разрушения капитальной плотины. Такие расчеты выполняют специальными
методами с привлечением проектных материалов по плотине.
В остальных случаях расчеты выполняют для условий длительного
существования водохранилищ и их воздействий на сооружение 'переходов.
Для некапитальных плотин расчеты ведут с учетом их разрушения.
Поступление воды в водохранилища определяется климатическими и
физико-географическими условиями, а сток из него — размерами
водохранилища и графиком расходования воды на водохозяйственные
потребности.
В результате сток реки на участке ниже плотины, а также в водохранилище
является зарегулированным, а выше водохранилища — естественным.
Задачей регулирования стока водохранилищами является перераспределение
стока во времени в соответствии с требованиями водопотребностей путем
заполнения водохранилищ водой в период половодья и паводков и его
опорожнения в период маловодья.
По характеру регулирования различают водохранилища годового и
многолетнего регулирования. Первые распределяют сток в течение года,
задерживая часть полых вод и сбрасывая накопленный объем в меженный
период (рис. VI-21), вторые — перераспределяют сток в течение нескольких
лет, задерживая часть стока многоводного периода и повышая расходы
водотока в маловодные годы за счет накопленного объема (рис. VI-22).
Регулирование годовое и многолетнее возможно осуществлять, если объем
воды, накапливаемый в водохранилище, больше объема, расходуемого из
него.
Задачей гидрологических расчетов мостовых переходов является выяснение
гидрологических параметров водохранилища в периоды регулирования и их
оценка за расчетный период эксплуатации гидроузла. Поэтому для их
выполнения необходимы сведения о водохранилищах и вызываемых ими
изменениях естественного режима водотоков.
Водохранилища гидроузлов характеризуются следующими уровнями и емкостями
(рис. VI-23):
форсированный подпорный уровень (ФПУ), характеризующий катастрофический
уровень заполнения водохранилища;
нормальный подпорный уровень (НПУ), до которого водохранилище заполнится
в нормальных условиях;
Объем, заключенный между поверхностью воды на отметке ФПУ и дном,
составляет полный объем водохранилища (W), который не всегда полностью
используется для регулирования стока. Отношение полного объема
водохранилища к среднемноголетнему объему стока составляет коэффициент
емкости водохранилища. Нижняя часть водохранилища (мертвый объем)
предусмотрена для осаждения наносов.
Между поверхностями воды с отметками НПУ и УМО находится полезный объем
водохранилища, который заполняется в многоводный период, а в периоды
маловодья опорожняется.
Форсированный подпорный уровень наблюдается в период пропуска через
гидроузел многоводных максимумов. Объем форсировки определяется
отметками ФПГ и НПГ и предназначен для уменьшения величины сбросных
расходов через гидроузел.
Влияние водохранилищ на величину сбросных расходов проявляется различно.
Для водохранилищ с годовым регулированием степень уменьшения
максимальных расходов притока зависит от водности паво-дочного сезона.
Для максимальных расходов вероятностью превышения 1—2% и реже уменьшение
расчетного расхода, по данным
В. И. Пуркина, не превышает 5—10% и его при проектировании мостовых
переходов можно не учитывать. В случае прохождения максимума паводка по
уже заполненному водохранилищу может наблюдаться увеличение
максимального расхода. Уменьшение расчетных расходов возможно в
водохранилищах с многолетним регулированием стока.
Плотины вызывают большие изменения бытовых условий
водотоков, существовавших до их постройки в верхнем и нижнем бьефах
водохранилищ.
В верхнем бьефе повышаются уровни и увеличиваются глубины, уменьшаются
скорости течения и увеличивается зеркало водной поверхности, что
увеличивает потери на испарение и содержание солей в воде водохранилищ.
Одновременно происходит затопление прилегающих к водохранилищу земель и
инженерных сооружений, а также обрушение берегов водохранилищ от
действия волн. В результате уменьшения скоростей течения происходит
оседание наносов, которые несет река, и постепенное заиление
водохранилищ, когда крупные фракции откладываются в верхней части
водохранилища, мелкие оседают ближе к плотине и взвешенные частицы
распространяются по всему дну водохранилища. На малых водохранилищах на
предгорных и горных реках время полного заиления может составлять
несколько десятилетий, на больших водохранилищах равнинных рек — до
нескольких столетий в зависимости от количества поступающих наносов.
При проектировании мостовых переходов в верхнем бьефе плотин следует
учитывать возможность поднятия дна до уровня мертвого объема, повышение
отметок межени и расчетных уровней воды — в зоне выклинивания подпора.
При отсутствии проектных данных о заилении расчеты отложения наносов в
верхнем бьефе выполняют согласно Указаниям по расчету заиления
водохранилищ.
В нижнем бьефе уменьшаются паводочные расходы и увеличиваются меженные,
а также происходит размыв русла ниже гидроузла и связанные с этим
переформирования русел притоков и берегов. Русловые деформации,
происходящие в нижнем бьефе плотины, связаны с отложениями наносов в
верхнем бьефе, а также с изменением естественного режима реки при сбросе
воды из водохранилища.
Учитывая изменения режима водотока в нижнем и верхнем бьефах
водохранилищ, необходимо проверять размеры отдельных элементов
существующих мостовых переходов для обеспечения их устойчивости в новых
условиях эксплуатации.
При проектировании нового или реконструкции существующего мостового
перехода необходимо учитывать изменения волнового и ледового режимов
водотока.
Ветер оказывает влияние на уровни в водохранилищах, вызывая сгоны и
нагоны воды при длительном воздействии в одном направлении. Понижение
уровня водохранилища со стороны подветренного берега сопровождается
повышением уровня у противоположного (рис. VI-24). Высота сгонов и
нагонов может составлять для больших водохранилищ 0,5—0,7 м.
На некоторых водохранилищах могут происходить колебательные движения
уровня воды (сейши), вызванные резким изменением барометрического
давления над одной частью водохранилища (рис. VI-25).
Амплитуда колебания уровня воды при сейше достигает
на некоторых водохранилищах до 2 м. Время появления максимумов уровней
друг за другом составляет от нескольких часов до нескольких минут.
Сложный ледовый режим наблюдается на участке, где
происходит сопряжение подпорных уровней с бытовыми. Плывущий по реке
лед, встречая неподвижную поверхность льда водохранилища, образует
ледовые заторы и нагромождения льда на берега. Наиболее опасные для
мостовых переходов заторы происходят в начале ледохода при сравнительно
низких уровнях. Зона возможных заторов льда находится в пределах
сопряжений уровней низкого ледохода (УНЛ) и высокого ледохода (УВЛ) с
соответствующими подпорными уровнями водохранилища в этот период (рис.
VI-26). Высота затора на больших водотоках по данным [70] может
составлять 2—5 м.
Уровень воды, при котором объем льда в реке будет
равным объему аккумулирующей емкости водохранилища в зоне ледового
затора, может быть ориентировочно принят в качестве расчетного уровня
этого затора.
Достигнув максимума по высоте, затор после прорыва перемещается вниз, а
заторный уровень резко уменьшается. Если мостовой переход расположен
выше зоны образования заторов, то производится проверка распространения
заторного уровня до створа перехода.
В основной части водохранилища ледовые явления происходят более плавно,
чем на реках. Ледовый покров в водохранилищах обычно устанавливается
раньше, чем на реках в бытовых условиях, а освобождение водохранилища от
льда запаздывает на одну-две недели. Это объясняется малыми скоростями
течения, которые не препятствуют существованию сплошного ледяного
покрова. Однако сильные ветры могут разрушить ледяной покров осенью в
момент его образования и весной.
При сработке водохранилища в зимнее время площадь водной поверхности
уменьшается и часть ледяного покрова может оседать на берегах и повисать
на опорах моста.
В период весеннего половодья по мере заполнения объема водохранилища,
сработанного за зиму, ледовый покров будет подниматься, отрываясь от
берегов.
Подпор в верхнем бьефе водохранилищ может способствовать полному
прекращению ледохода из-за малых скоростей течения.
Подвергаясь действию -солнца, лед тает и
практически ледоход не возникает. Только при скоростях течения более 0,5
м в водохранилище возможно массовое передвижение льда.
Интенсивный ледоход может образоваться при наличии заторов и их прорыве,
поскольку расходы воды при этом значительно возрастают по сравнению с
периодом обычного ледохода, что необходимо учитывать при проектировании.
Для определения размеров ледохода в верхнем бьефе необходимо
установление времени запаздывания начала ледохода в водохранилищах по
сравнению с естественным режимом реки.
В некоторых случаях возможен местный ледоход за счет подвижек льда при
сильных ветрах на водохранилище, однако скорость этих подвижек бывает
незначительной.
Вода в водохранилищах зимой сохраняет положительную температуру, в
результате чего после выпуска ее в нижний бьеф река на определенном
протяжении остается непокрытой льдом. Поддержанию полыньи зимой
способствует также характер течения потока при сбросе воды из
водохранилища в нижний бьеф. При суточном регулировании расходов из-за
резкого изменения уровней и скоростей на участке нижнего бьефа могут
наблюдаться разрушения и взломы ледяного покрова. Для приближенного
расчета длины полыньи используется формула Ф. Н. Софронова или К- И.
Российского (VI-38).
По данным И. И. Леви, полыньи за некоторыми гидростанциями достигают
20—30 км от створа плотины, а в теплые зимы [70] до 50 км.
Для выполнения гидрологических расчетов мостовых переходов необходимо
иметь кривую свободной поверхности реки при наличии влияния
водохранилища. При проектировании в сложных гидрологических условиях, а
также при затоплении ценных угодий и объектов построение кривой подпора
от плотины производится по методам Н. Н. Павловского, А. Н. Рахманова
или используются материалы организации, проектировавшей водохранилище.
При расположении мостового перехода в конце
водохранилища или на боковых притоках гидрологические расчеты выполняют
с учетом переменного подпора. Необходимо установить, при каких подпорных
уровнях может проходить собственный паводок водотока, а также величину
его максимального расхода и уровня без влияния подпора. Если паводок
может проходить при различных уровнях подпора, то необходимо определить
невыгодные условия работы отверстия моста и величины максимального
подтопления пойменных подходов.
Изменение стока в нижнем бьефе плотины вызывает значительные изменения
режима реки на большом расстоянии ниже плотины. Уменьшается годовая
амплитуда изменений уровней, а также максимальные уровни. Эти изменения
происходят и на притоках основной реки.
Из-за резкого изменения расхода, сбрасываемого в нижний бьеф, движение
воды ниже плотины имеет неустановившийся характер. Изменение
гидрологического режима реки оказывает влияние на русловые процессы и
вызывает значительные переформирования русла ниже плотины.
Переформирования русла позволяют [108] выделить деформации, которые
должны учитываться при гидрологических расчетах мостовых переходов:
развитие местного размыва, возникающего после постройки плотины и
достигающего глубины до нескольких десятков метров, длина его до
нескольких сотен метров;
развитие общего размыва русла, вызываемого задержкой наносов в верхнем
бьефе; размыв распространяется до нескольких сотен километров, при
понижении дна до нескольких метров;
переформирование русел ниже зоны общего размыва, вызванное изменением
морфометрических характеристик по длине реки из-за нарушения
внутригодового режима стока;
переформирование русел притоков, впадающих ниже плотины из-за понижения
базиса эрозии;
деформации русел из-за поступления наносов при уменьшенных расходах воды
в случаях, когда значительная часть воды расходуется на орошение или
отводится в деривационную гидроэлектростанцию.
В результате нарушения гидрологического режима реки происходят и
изменения типа руслового процесса. Эти изменения также должны быть
учтены при проектировании мостовых переходов.
Деформации русел рек ниже плотины нарушают зависимость между расходами и
уровнями, изменяются уклоны реки и скорости течения, поэтому определение
гидравлических характеристик в заданном створе производится построением
кривой свободной поверхности с учетом происшедших деформаций русла. При
гидрологических расчетах необходимо учитывать самые неблагоприятные
условия, возможные в период службы перехода.
Мостовые переходы, расположенные выше или ниже
некапитальных плотин, дополнительно рассчитывают на пропуск расхода при
внезапном прорыве плотины. К некапитальным относятся плотины 4 и более
низких классов, построенные по современным нормам, а также крупные
старые плотины, находящиеся под постоянным техническим надзором [72].