содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

§ 36. РАСЧЕТ ОБЩЕГО РАЗМЫВА ПОД МОСТОМ

В настоящее время имеется ряд методов расчета общего размыва под мостами, возникающего от стеснения живого сечения реки подходами к мосту и его опорами. В транспортных проектных институтах расчет общего размыва до настоящего времени выполняли главным образом по методу динамических скоростей, приведенному в Наставлении по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (автор Л. Л. Лиштван, М., ЦНИИС — Главтранспроект, 1972). В этом методе предполагается окончание размыва при установлении 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 иа пике расчетного паводка вынос наносов из-под моста будет равен бытовому расходу наносов, т. е. наступит предельный баланс наносов (предложение 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 неразмывающих скоростях; в США размыв рассчитывают по методу Лорсена, основанному на теории влекущей силы потока.
 

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

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

Ясно, что столь длительное воздействие постоянного (расчетного) расхода на подмостовое русло в условиях реальных паводков невозможно.

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

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 время. Продолжительность паводка существенно влияет также и на подпор перед мостом, причем короткие, интенсивные паводки дают 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 общего размыва позволяет получить истинное значение максимального подпора и скорости перед мостом и хорошо согласуется с результатами наблюдений и экспериментальными исследованиями, проведенными как в лаборатории, так и в натурных условиях.

Расчеты по ряду примеров показали, что применение предлагаемой 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 целей необходимо знать также и максимальную глубину после размыва.

Произведенное сопоставление указанных коэффициентов по существующим мостам показало, что однозначной зависимости между ними нет.

Изменение коэффициента а в связи с размывом зависит от ряда причин. Например, если размыв достиг труднораэмывае'мого грунта, его развитие пойдет в ширину и поэтому коэффициент a будет падать. Если прямолинейное русло, расположенное в середине моста, деформируется и ко времени прохода расчетного паводка представляет собой излучину с расположением наибольших глубин у края отверстия, то коэффициент формы живого сечения под мостом после размыва увеличится.
Анализ живых сечений ряда мостов -показал, что при прямолинейном русле, однородных размываемых грунтах и устойчивом положении русла в середине отверстия моста коэффициент а мало изменяется при размыве, но со временем снижается.

В этих случаях яри 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 паводка, 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 расходы, скорости, уровни и другие параметры потока. В качестве расчетного принимают паводок, максимальная ордината гидрографа которого равна расходу заданной вероятности превышения.

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

Форма гидрографа зависит от морфометрических характеристик речного бассейна и метеорологических факторов. Методы построения гидрографов расчетных паводков и половодий различаются по характеру их схематизации, которая возможна по треугольникам или трапециям или по типовым уравнениям, описывающим очертание гидрографа. Наконец, возможна схематизация по моделям реальных половодий и паводков.

Форма гидрографа зависит ют многих факторов, поэтому наиболее правильно исходить не из какой-либо строгой схематизации гидрографа, а из модели, установленной на основе обобщения группы реальных гидрографов.

Построение типового графика производится на основе обобщения ряда гидрографов, которые выбирают близкими по повторяемости 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 гидрографа.

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.
 

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

Способ разбивки гидрографа на ступени рекомендуется следующий.

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

Через середины участков гидрографа между ступенями проводят вертикальные линии, точки пересечения которых с горизонтальными линиями ступеней принимают за концы ступеней.

Размыв рассчитывают, последовательно суммируя размыв на каждой ступени гидрографа.

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

Расчет на последующей ступени гидрографа начинают с размыва, осуществившегося на предыдущей ступени.

Расчет размыва предусматривает наличие необходимых струенаправляющих дамб и других регуляционных сооружений на переходе и устройство срезки грунта или расчистки живого сечения под мостом с необходимым выводом срезки или расчистки за пределы под мостового сечения.

Размыв, определяемый по существующим методам, является предельно возможным при неограниченном воздействии расчетного расхода на подмостовое русло. Поэтому с какого живого сечения (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 степени живое сечение было размыто до прохода расчетного паводка.

Если живое сечение заносится после каждого паводка и к проходу расчетного паводка не носит следов размыва от предыдущих паводков, расчетный паводок произведет некоторый размыв, свойственный этому паводку. Если предыдущими (предполагается ниже расчетного) паводками живое сечение размыто, при проходе расчетного паводка размыв -будет продолжаться и в итоге суммарный размыв окажется больше, чем в предыдущем случае.

В связи с этим необходимо решить, какое исходное живое сечение следует принять для расчета с учетом предварительного размыва или без него. Нормы проектирования устанавливают вероятность превышения расхода, при пропуске которого через подмостовое русло следует рассчитывать размыв.

Расход заданной вероятности не может длиться неограниченно долго, а может продолжаться лишь соответственно паводку, наибольший расход которого равен расходу заданной вероятности превышения.

Если расчет размыва вести на пропуск двух, последовательно идущих расчетных паводков, вероятность такой гидрологической обстановки была бы равна произведению вероятностей наибольших расходов этих паводков и, следовательно, расчет велся бы на более тяжелые условия, чем это требуется нормами.

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

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 максимальные уровни при паводках 50% вероятности обычно отвечают началу 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 размывом и при расчете за исходное .может быть принято бытовое живое сечение, снятое во время изысканий, а при необходимости учета руслового процесса — исходные живые сечения согласно указаниям гл. VII.

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

При малом коэффициенте вариации максимальных расходов, а также в случаях, когда среднемаксимальные паводки существенно затапливают поймы с предварительным размывом, следует считаться, хотя можно предполагать, что влияние этого размыва едва ли будет ощутимым.

При изменении скорости нестесненного потока за период затопления 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 определяется для каждой ступени в отдельности.
 

Поскольку подпор перед мостами больших и средних отверстий весьма мал по сравнению с бытовой глубиной в русле при расчетном паводке, допускается приближенный расчет подпора по формуле (Х-9) и табл. Х-1.

Размыв рассчитывают в зависимости от характера залегания грунтов в живом сечении под мостом.

Рассматриваются два случая: 1) размыв проходит в одном слое грунта; 2) размыв проходит в слоях различных грунтов.

В первом случае расчет ведут по выражению (VIII-18) с учетом как выносимых, так и поступающих в подмостовое сечение наносов.

Во втором случае при обнажении в процессе размыва грунта, труднее размываемого, чем грунт, лежащий на поверхности, расчет размыва в обнажающемся слое производится без учета поступления наносов под мост (G2 = 0); при обнажении более мелкозернистого грунта G1 определяется по этому грунту, a G2 — по грунту в зоне подпора.

Размыв на второй ступени гидрографа рассчитывают для параметров потока на этой ступени и начинают с живого сечения, размытого за время первой ступени.

На второй и следующих ступенях гидрографа расчет производят аналогично описанному для первой ступени.
С увеличением размыва значения Gcp уменьшаются, а затем становятся отрицательными, что свидетельствует об отложении наносов под мостом. При переходе от положительных значений к отрицательным Gcp наступает максимум размыва.

Максимум размыва под мостом наступает обычно на спаде паводка. Однако, если паводок растянут и -фаза подъема продолжительна, максимум размыва может совпасть с пиком паводка.

Так как развитие размыва во времени идет по кривой, желательно, чтобы величина размыва в пределах одной ступени складывалась из нескольких слоев смыва Ah и для каждой ступени было бы три или больше расчетных строчек.

Результаты расчета оформляют в виде графика, на котором наносят построенный гидрограф расчетного паводка, ступенчатый гидрограф, используемый в расчете, и полученную интегральную кривую общего размыва.
 

У каждой опоры для характерных точек гидрографа определяют глубину местного размыва, строят кривую зависимости местного размыва от времени и суммарную кривую общего и местного размыва у данной опоры. При определении заглубления фундаментов опор по условиям размыва учитывают возможную погрешность в размере 20% от размытого слоя грунта у данной опоры (без местного размыва) при расчетном и 10% при наибольшем паводках.

Максимальная ордината суммарной кривой и определяет расчетную величину размыва у данной опоры.
 

Небольшой по объему вынесенного грунта местный размыв у опор протекает сравнительно быстро; общий же размыв, когда поток должен вынести большой объем грунта, протекает медленнее. Поэтому максимумы обоих размывав по времени не совпадают и максимум суммы размывов, обычно приходящийся на ник паводка, меньше суммы их максимумов. Чем менее продолжительна фаза подъема паводка и чем дальше отстоит максимум общего размыва от пика паводка, тем учет несовпадения максимумов размывов дает больший эффект.

На этот же график наносят кривые изменения подпора и средней скорости под мостом при расчетном паводке и устанавливают максимальную величину подпора и скорости, которые используют для проектирования мостового перехода.

Исходя из реального времени стояния пика расчетного паводка и уровней, близких к максимальному, определяют высоту волн у сооружений мостового перехода, а с учетом подпора — еще и отметки верха укреплений и верха сооружений перехода. По максимальному значению скорости под мостом выбирают укрепление струенаправляющих дамб.

Расчет общего размыва по гидрографу паводка можно быстро выполнить на ЭЦВМ [89].

Изложенная методика расчета общего размыва подмостовых русел по гидрографу расчетного паводка является приближенной и требует дальнейшего уточнения.

Соображения об уточнении этого метода приводит О. В. Андреев [10], который считает, что расчет размыва нужно вести по сечениям в пределах участка русла, на котором будет происходить размыв. Однако вопросы о длине этого участка и изменении расходов воды, влекомых и взвешенных наносов по сечениям этого участка еще не имеют удовлетворительного решения.

Значение учета не только донных, но и взвешенных наносов при расчете размыва О. В. Андреев иллюстрирует несколькими примерами, откуда видно, что расчет с обоими видами наносов по сравнению с расчетом только на донные наносы изменяет результативную величину размыва на 2—7%, с чем, учитывая приближенность расчета, можно не считаться.