Расчет размыва по допускаемым скоростям течения

Расчет размыва по допускаемым скоростям течения. Многолетнее изучение условий работы мостовых переходов, теоретические исследования и моделирование позволили внести существенные усовершенствования в методы определения отверстий больших и средних мостов.

Дальнейшее развитие метода состояло в уточнении скорости потока, при которой прекращается размыв подмостового русла. Такая необходимость возникла в связи с тем, что наблюдениями было установлено: размыв в русловых пролетах моста нередко прекращается при средней скорости течения большей, чем бытовая.

Было предложено рассматривать процесс общего размыва под мостом аналогичным образованию во время паводка нового русла на участке стеснения живого сечения реки мостовым переходом. Такое явление наблюдается в естественных условиях на участках сужения долины реки, когда пойменные потоки в паводок разрабатывают русло больших размеров, чем на участках реки с широкой поймой. Скорость, при которой в этих условиях прекращается размыв, названа скоростью динамического равновесия, поскольку она соответствует установившемуся движению наносов в русле при паводке.

В результате статистической обработки данных о паводочных скоростях течения в руслах более 250 рек СССР с различными глубинами и при различных грунтах установлена следующая зависимость скорости динамического равновесия от грунтовой характеристики, глубины воды и вероятности превышения паводка:

v_дин ⁼ 0,68d^0,28h^x_ср.п.р.β,                                                      (3.3)

где d — средний диаметр частиц несвязного грунта, слагающего речное русло, мм; в случае связных грунтов вместо d принимают эквивалентное значение d_экв в зависимости от коэффициента пористости связного грунта;

h_{ср п.р.} — средняя глубина после размыва, м;

х — параметр, зависящий от диаметра частиц d;

β — параметр, зависящий от вероятности превышения расхода: β = 0,97 при р = 2%; β = 1,00 при р = 1%; β = 1,07 при р = 0,33%.

Многократная проверка зависимости (3.2) показала ее достаточно хорошую сходимость с натурными данными. Это дало основание рекомендовать приведенную формулу к использованию в практических расчетах. Однако применение указанной зависимости потребовало также изменений в методике определения отверстий мостов. Поскольку скорость, при которой прекращается размыв, зависит от глубины русла после размыва, то целесообразно находить подбором величину отверстия моста, соответствующую определенному коэффициенту размыва Р.

Примем в соответствии с формулой (3.1)

………………..……………………………(3.4)

Средняя глубина под мостом после размыва

……………..……………………………(3.5)

где L — отверстие моста в свету (при косом пересечении потока трассой перехода под L принимается рабочее отверстие моста, т. е. отверстие в свету, умноженное на косинус угла пересечения).

С учетом формулы (3.3)

                                                       (3.6)

Таким образом, задавшись отверстием моста L и разместив его в пределах живого сечения реки с учетом прогнозируемого руслового процесса, определяем площадь живого сечения под мостом до размыва ω_д.р., затем по формуле (3.6) находим среднюю глубину под мостом после размыва h_cр.п.р., вычисляем площадь живого сечения после размыва ω_п.р. = h_cp.п.р.·L и коэффициент размыва Р = ω_д.р./ω_п.р.

Решая эту задачу не менее трех раз, можно построить кривую Р( L ) (рисунок 3.4) и по ней сначала установить отверстие L_max, соответствующее Р=1, а затем L_min, соответствующее Р_доп. Таким путем определяются границы возможного варьирования отверстием моста, в пределах которых отыскивается оптимальное решение.

Рисунок 3.4 – Зависимость коэффициента размыва от отверстия моста

Метод расчета общего размыва подмостовых русл по допускаемым скоростям течения рекомендуется для предварительных расчетов. Сопоставление данных, полученных этим методом, с натурными наблюдениями над размывами русл дает приемлемые результаты при длительных паводках. В условиях коротких паводков расчет размыва по скорости динамического равновесия приводит, как правило, к завышенным результатам.

 

ЛЕКЦИЯ №3

ПЛАН ЛЕКЦИИ

3.5 Расчет размывов по гидрографу паводка

4 РЕГУЛЯЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

4.1. Назначение и виды регуляционных сооружений

4.2 Основы проектирования регуляционных сооружений

3.5 Расчет размывов по гидрографу паводка

 Рассмотренные выше методы расчета общего размыва подмостового русла исходят из  постоянной величины расчетного расхода и предполагают длительный период паводка. Последнее условие необходимо для того, чтобы успел произойти размыв соответствующего слоя.

В действительности паводки, как правило, ограничены во времени, и это существенно сказывается на глубине размыва под мостом. В ЦНИИС Минтрансстроя создали метод расчета общего размыва с учетом продолжительности паводка, т. е. по гидрографу расчетного паводка. Выполненный с использованием этого метода ряд расчетов показал, что применение такой методики дает коэффициент размыва на 10—20% меньше, чем по методу скоростей динамического равновесия.

Суть метода расчета размыва по гидрографу паводка состоит в следующем. На основе обобщения ряда гидрографов данного водотока, близких по вероятности превышения максимальных расходов к вероятности превышения, принятой при проектировании мостового перехода, строят гидрограф расчетного паводка. Максимальная ордината его равна расходу установленной вероятности превышения, а периоды подъема, стояния пика и спада паводка соответствуют характеру реальных гидрографов.

При расчете размыва криволинейный гидрограф заменяется ступенчатым, при этом число ступеней от момента выхода воды на пойму до начала спада принимается, как правило, не менее трех. Для упрощения расчетов ступени на спаде принимают обычно при тех же расходах, что на подъеме (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Схематизированный гидрограф расчетного паводка

Размыв определяют, последовательно суммируя его на каждой ступени гидрографа. В основе расчета размыва на данной ступени лежит зависимость:

                                                 3.7)

где Δt — период времени, с, в течение которого объем размыва достигает ΔW;

G₁ — расход наносов, выносимых из-под моста при расходе водотока, соответствующем данной ступени гидрографа, кг/с;

G₂ — расход наносов, поступающих к мостовому сечению при том же расходе, кг/с;

γ — плотность грунта, кг/м³.

Расчет состоит в подборе такого объема, а, следовательно, глубины слоя размыва на каждой ступени гидрографа, на осуществление которого необходимо время, равное продолжительности данной ступени Т. Для этого, задаваясь последовательно небольшими слоями размыва Δh (например, 0,10—0,20 м), определяют соответствующий им объем размыва ΔW, м³, и по формуле (1) определяют время Δt. При равенстве ΣΔt = Т фиксируют суммарную глубину размыва на данной ступени гидрографа ΣΔh и переходят к аналогичному рас­чету на следующей ступени. Расчет на последующей ступени гидрографа производят с учетом величины размыва, происшедшего на предыдущей ступени.

Объем размыва ΔW рассчитывается исходя из того, что размеры тела размыва определяются слоем смыва, отверстием моста и длиной распространения размыва вверх по течению реки от оси мостового перехода, которая в свою очередь зависит от ширины разлива реки, бытовой скорости потока и уклона водной поверхности. Расходы наносов, входящие в формулу (3.7), рассчитывают как произведение расхода воды и мутности потока:

G₁= Qρ;                                                                   (3.8)

G₂ = Q_pρ_p,                                                               (3.9)

где Q и Q_p — соответственно полный расход воды в подмостовом живом сечении и расход в русле реки, м³/с;

ρ и ρ_р — мутность под мостом и в русле реки в зоне подпора, кг/м³.

Мутность определяют в зависимости от скорости потока, размывающей скорости, среднего диаметра частиц наносов и средней глубины потока. Размывающая скорость также зависит от средней глубины воды и диаметра частиц. При определении мутности ρ все указанные величины принимаются для сечения под мостом, при определении ρ_р — для сечения русла в зоне подпора.

Таким образом, в расчете на каждой ступени гидрографа учитываются величины соответствующего этой ступени расхода и уровня воды в реке, а на каждом шаге расчета в пределах данной ступени учитывается изменение глубины вследствие происходящего размыва и зависящее от глубины изменение скоростей, мутности и расхода наносов.

По мере углубления размыва значения разностей G₁ — G₂ уменьшаются, а затем становятся отрицательными, что свидетельствует об отложении наносов под мостом. Переход от положительных к отрицательным значениям G₁ — G₂ соответствует максимальной величине размыва. Обычно он наступает на спаде паводка, однако, если паводок растянут и период подъема продолжителен, максимум размыва может совпадать с пиком паводка.

Размыв, определяемый указанным методом, характеризует среднюю по живому сечению под мостом глубину размыва.

Далее следует задаться несколькими вариантами отверстия моста L, для каждого из них определить величину размыва под мостом, рассчитать значения коэффициентов размыва Р и, построив зависимость Р( L ), установить границы возможного варьирования отверстием в технико-экономических расчетах.

 

4 РЕГУЛЯЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

4.1. Назначение и виды регуляционных сооружений

Общая цель регулирования водных потоков, пересекаемых дорогой, состоит в обеспечении течения потока воды и движения наносов в нужном направлении при соблюдении требуемых условий эксплуатации дорожных сооружений. С этой целью на мостовом переходе наряду с водопропускным сооружением возводят комплекс  p е г у л я ционных сооружений, которые должны обеспечить:

· плавный вход пойменного потока в отверстие моста, с тем чтобы избежать сбоя струй непосредственно у сооружения;

· равномерное распределение расхода по всему отверстию, чтобы избежать сосредоточения размыва в отдельных частях живого сечения и связанного с этим подмыва опор; плавный вывод потока из-под моста;

· предупреждение подмыва конусов и пойменных насыпей; прямолинейное направление потока под мостом; устойчивость и неизменность русла реки в районе перехода.

 В отдельных случаях в задачи регулирования потока входит спрямление русла, а также ограждение населенных пунктов и других объектов от затопления высокими водами в связи с возведением перехода. Регуляционные сооружения должны обеспечивать защиту дорожных сооружений от ледовых нагрузок, а также снижение высоты волн или их наката до пределов, безопасных для coopужений.

К регуляционным сооружениям относятся (рисунок 4.1):

Рисунок 4.1 - Схема регуляционных сооружений: 1 — береговое укрепление; 2 — струенаправляющая дамба; 3 — насыпь подхода; 4 — поперечные сооружения (траверсы)

 дамбы, поперечные сооружения, запруды и полузапруды, укрепительные сооружения, а также срезка под мостом пойменных берегов (уширение русла) и спрямление русла.

 

 

По роду потока, на который оказывается воздействие, peгуляционные сооружения разделяют на   пойменные и русловые.

Струенаправляющие сооружения обеспечивают требуемое направление потока. На мостовых переходах через равнинные реки обычно устраивают струенаправляющие дамбы на поймах для направления и плавного ввода пойменных потоков в отверстие моста и плавного вывода сжатого водного потока из-под моста. Мосты на переходах через блуждающие реки не имеют пойменных участков отверстия (стеснено само русло реки). Возводимые здесь дамбы предназначены для плавного сужения русла на подходе к мосту, направления струй воды и подвижных скоплений наносов. Русловые струенаправляющие сооружения в виде системы поперечных сооружений (шпор, полузапруд) возводят сравнительно редко.

Для защиты подходной насыпи от размыва пойменным потоком используют отжимающие поперечные сооружения — пойменные траверсы. Если земляному полотну угрожает подмыв русловым потоком, то используют русловые поперечные сооружения или укрепление берегов русла. Для защиты подходов к мосту от волнобоя применяют различные средства гашения волн (уположение откосов земляного полотна, устройство берм, лесопосадки) или укрепление откосов насыпи.

Для разграничения расходов воды между бассейнами смежных водотоков или защиты хозяйственных объектов от затопления высокими паводками устраивают оградительные сооружения — дамбы:

сооружаемые на пойме для отделения малого водотока от основной реки;

 возводимые на водоразделе двух соседних бассейнов малых водотоков;

дамбы обвалования, ограждающие от затопления объекты, в том числе населенные пункты, расположенные на пойме. Запруды на выключенных участках русла, протоках и староречьях, перекрываемых подходной насыпью, также можно отнести к оградительным сооружениям.

Регуляционные сооружения (траверсы, шпоры) могут иметь сплошную и сквозную конструкции. Сплошные сооружения воздействуют на весь поток,  который их обтекает или ими отжимается. Сквозные сооружения воздействуют только на часть потока, который их обтекает или ими отжимается, так как другая часть потока, проодя через зазоры в сооружении, сохраняет направление движения, близкое  к бытовому. Сквозные сооружения меньше воздействуют на поток, чем сплошные. Поэтому местные размывы дна у сооружений сквозной конструкции обычно существенно меньше, чем наблюдаемые в  сходных условиях у регуляционных сооружений сплошной конструкции.

Регуляционные сооружения в ряде случаев имеют большую строительную стоимость, соизмеримую со стоимостью самого моста. Выбор рациональной системы регуляционных сооружений должен основываться на технико-экономическом сравнении вариантов. Иногда выгоднее увеличить отверстие моста, чем возводить дорогостоящие регуляционные сооружения.

В зависимости от местных условий некоторые из сооружений могут отсутствовать. Так, если проектируемая дорога пересекает реку на прямолинейном участке без поймы и трасса располагается перпендикулярно направлению струй потока, отпадает необходимость в струенаправляющих дамбах и траверсах, достаточным является укрепление конусов моста и откосов подходных насыпей.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: