СООРУЖЕНИЯ ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА 4 страница

Назначение типа укрепления по скорости на выходе из трубы справедливо только для спокойных потоков. При растекании бурных потоков скорости получаются значительно большими, чем выходные. Скорость может увеличиться примерно в 1,5 раза.

Выходные участки не укрепляют только в тех редких случаях, когда скорости на выходе из сооружения весьма малы и не могут нарушить устойчивость, как самого русла, так и сооружения. В большинстве же случаев наблюдаются размывы неукрепленных русел, и правильное назначение укреплений выходных участков имеет не меньшее значение, чем определение размеров отверстий искусственных сооружений.

11.9. Гидравлические расчеты нижнего бьефа малых
искусственных сооружений

Растекающийся в укрепленном отводящем русле бурный поток ограничен с боков косыми гидравлическими прыжками и водоворотными зонами. Косые гидравлические прыжки возникают в сечении полного растекания, где происходит набегание крайних струек растекающегося потока на боковые стенки отводящего русла. Продольный разрез потока показан на рис. 11.18.

Рис. 11.18. Схема протекания потока по укреплению

При затоплении сечения полного растекания бытовым потоком происходит прорыв водных масс в водоворотные зоны и в отводящем русле возникает опасное сбойное течение. Для предотвращения этого переходный участок отводящего русла в плане следует устраивать в виде раструба, исключающего появление сбойного течения (рис. 11.19). При устройстве раструба сопряжение бурного потока, вытекающего из сооружения, со спокойным потоком в русле будет осуществляться обычным прямым прыжком.

Для определения скоростей и глубин потока в области растекания, а также для определения боковых границ растекающегося потока можно воспользоваться универсальным графиком И. А. Шеренкова (рис. 11.20).

На универсальном графике нанесены линии тока и линии равных глубин и скоростей в области растекания потока (до продольной оси потока, являющейся осью симметрии). На графике линии тока даны через 10%, т. е. каждая линия тока отсекает струю, несущую 10% общего расхода Q. Линии равных глубин даны через 0,1h_o, где h_o – глубина на выходе из сооружения, являющаяся начальной глубиной растекания. График построен в безразмерных координатах:

, (11.34)

где b – размер отверстия трубы или моста (ширина потока на выходе); Fr – число Фруда в выходном сечении со скоростью V_o и глубиной h_o.

Очертания крайней линии тока (Q=0%) следует принимать в качестве границы переходного участка отводящего русла (см. рис. 11.20).

Рис. 11.19. Схема укрепления в виде раструба: 1 – плоское укрепление русла; 2 – предохранительный откос

Рис. 11.20. Универсальный график И. А. Шеренкова

Глубины и скорости потока в отводящем русле определяют в следующем порядке.

1. Находят глубину h_o и скорость потока V_o на выходе из сооружения.

2. Определяют число Фруда на выходе

. (11.35)

3. Пользуясь универсальным графиком (см. рис. 11.20), строят линии тока и линии разных глубин в зоне растекания. Для этого безразмерные координаты и , взятые с графика, умножают на b×Fr и b, получают действительные координаты линий тока и линий равных глубин:

и . (11.36)

4. Определяют скорость и глубину потока вдоль этих линий. Так, вдоль линии, равной глубине h/h_o=0,8, глубина h равна 0,8h_o. Скорость потока определяют из уравнения Бернулли, причем уклоном дна и потерями энергии при небольшом протяжении укрепления можно пренебречь

. (11.37)

Обозначив отношение h/h_о=k, получим зависимость

. (11.38)

Если необходимо учесть потери напора и уклон дна i_о, задачу решают методом последовательных приближений, используя уравнение Бернулли в виде

, (11.39)

где Dl – расстояние вдоль линии тока между выбранными начальным и конечным сечениями.

В первом приближении определяют V_кон и h_кон, принимая h_w = 0. По найденным значениям V_кон и h_кон определяют и .

Затем находят уклон трения

. (11.40)

Определив h_w=I_w×Dl, уточняют значения V_кон и h_кон, пользуясь уравнением Бернулли, и т.д.

11.10. Расчет размывов за укреплениями

Экономически нецелесообразно устраивать весьма длинные плоские укрепления отводящих русел за малыми мостами и трубами. Поэтому ограничиваются устройством коротких укреплений, заканчивающихся погребенным предохранительным откосом (рис. 11.21), у которого размыв развивается. При этом, как правило, прыжок сгоняется с укрепления в размыв. Однако благодаря значительной глубине заложения предохранительного откоса размыв оказывается безопасным для укрепления и отодвинутым на заданное расстояние от откоса насыпи и водопропускного сооружения.

Рис. 11.21. Продольный разрез укрепления

Расчет глубины размыва, необходимый для назначения заглубления предохранительного откоса, может быть выполнен различными приемами. В дорожном строительстве широкое применение нашли формулы, основанные для свободного растекания бурного потока на уравнении прыжка, а для сбойного течения – на обычном уравнении прекращении размыва при снижении скорости до неразмывающей.

Пользуясь этими формулами, можно получить глубины размыва при свободном растекании бурного потока в зависимости от длины укрепления. Данные об относительных глубинах размыва (D/H) сведены в табл. 11.5.

Таблица 11.5. Относительные глубины размыва

	D/Н		D/Н
	1,55		0,59
	0,98		0,54
	0,78		0,45
	0,65		0,40

Глубина размыва дана в долях глубины воды перед насыпью, определяющей энергию потока на выходе из сооружения. Приведенные глубины размыва могут считаться только приблизительными, так как вывод расчетной формулы не совсем строг. Однако эти глубины, как это следует из табл. 11.6, практически совпадают с глубинами размыва и высотами предохранительных откосов за унифицированными трубами, которые были определены непосредственно из лабораторного эксперимента. Следовательно, пользоваться этими простыми данными для назначения глубин заложения предохранительных откосов в случаях индивидуального проектирования защиты сооружений можно.

Таблица 11.6. Экспериментальные глубины размыва

Диаметр круглых труб, м	Ширинах и высота прямоугольных труб, м	Н, м		hотк	D по табл. 11.5
0,75	–	1,00	5,5	0,85	0,55
1,00	–	1,40	5,5	1,30	0,75
1,25	–	1,75	5,0	1,30	0,95
1,50	–	2,10	4,9	1,30	1,10
2,00	–	2,80	4,7	1,30	1,55
–	1,0х1,2	1,80	3,0	1,30	1,15
–	1,25x1,5	1,80	3,0	1,30	1,55
–	1,5х2,0	2,40	3,0	1,30	1,55
–	2,0x2,0	2,40	3,0	1,30	1,55

Расчет размывов при свободном растекании бурного потока получил дальнейшее развитие в работах М.В. Немчинова. Получена общая формула связи глубин потока на сходе с укрепления h₁, и глубины потока h₂ после его резкого расширения в вертикальной плоскости (рис. 11.22б)

, (11.41)

где h_кр – критическая глубина; h_пр – высота прыжка (h_б – h₁); h_б – бытовая глубина в отводящем русле.

Схемы образования воронок размыва за укреплениями показаны на рис. 11.22.

Рис. 11.22. Расчетные схемы к определению глубины размыва при свободном растекании

Формула (11.41) переходит в обычную формулу прыжка (рис. 11.22а) при отсутствии размыва (D=0), когда глубина прыжка h_пр = h₂ – h₁. При невозможности такого прыжка, т. е. при h₂ > h_б в размываемом русле за укреплением, будет развиваться воронка размыва, глубина которой (рис. 11.22в)

. (11.42)

Такой предельной глубины воронка размыва достигает при весьма слабых грунтах, плохо сопротивляющихся размыву. При более прочных грунтах воронка с глубиной D₁ не разовьется, а ее глубина окажется равной (рис. 11.22в)

, (11.43)

где q – элементарный расход воды; V_н – неразмывающая скорость для грунта; V₁ – скорость схода потока с укрепления; k – коэффициент, учитывающий повышенную турбулентность потока в яме размыва (»0,6).

Для приблизительного определения расхода центральной струи и скорости течения на кромке укрепления через q_вых и V_вых (т. е. на выходе из сооружения) можно воспользоваться табл. 11.7, составленной по данным опытов М. В. Немчинова.

Таблица 11.7. Расход центральной струи q и скорость V на кромке укрепления

0,0	1,00	1,00	1,00	5,5	0,16	0,58	0,28
1,5	0,43	0,83	0,52	7,5	0,11	0,46	0,24
3,5	0,22	0,71	0,31	11,0	0,10	0,43	0,23

При сбойном течении, возникающем при значительных бытовых глубинах нижнего бьефа (в отводящем русле), размыв (рис. 11.23) определяется как

, (11.44)

где k₁ = 2,65 – коэффициент сбойности; k_o =0,75 – коэффициент повышения турбулентности потока в яме размыва.

12. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ

12.1. Виды переходов через водотоки

Автомобильные дороги пересекают многочисленные реки, ручьи, периодические водотоки и водохранилища ГЭС.

Для преодоления каждого водного препятствия строят систему сооружений, называемую переходом водотока. В состав перехода через водоток (рис. 12.1) входят:

1) искусственное сооружение, служащее для пересечения собственного водотока;

2) подходы к искусственному сооружению, устраиваемые обычно в виде земляных насыпей, откосы которых постоянно или периодически омываются водой;

3) регуляционные и защитные сооружения, предназначенные для предохранения искусственного сооружения и подходов к нему от возможных повреждений водным потоком.

Рис. 12.1. План мостового перехода: 1 – искусственное сооружение; 2 – подходы; 3 – струенаправляющие сооружения (дамбы); 4 – траверсы

Искусственные сооружения и подходы к нему являются основными транспортными сооружениями перехода через водоток. Регуляционные и защитные сооружения обычно называют вспомогательными, так как непосредственно по ним движение автомобилей или поездов не происходит. Однако в подавляющем большинстве случаев без устройства вспомогательных сооружений невозможно обеспечить сохранность и нормальную работу основных сооружений перехода. Кроме того, в некоторых сложных условиях пересечения водотоков стоимость регуляционных и защитных сооружений очень высока, а иногда превышает половину стоимости всего перехода в целом. Поэтому, несмотря на вспомогательные функции регуляционных и защитных сооружений, их нельзя считать второстепенными. Необходимо одинаково серьезно относиться к проектированию, строительству и эксплуатации всех сооружений.

Переходы через водотоки классифицируют по типам искусственных сооружений. Для пересечения водотока могут быть построены:

1) мост – сооружение, проводящее дорогу над водным препятствием;

2) тоннель – сооружение, проводящее дорогу под водным препятствием;

3) фильтрующая дамба – сооружение, пропускающее воду через пористую кладку;

4) паром – подвижное устройство, перевозящее автомобили и вагоны через водное препятствие.

Наибольшее распространение получили переходы, где в качестве искусственных сооружений применены мосты, поэтому мостовые переходы являются основным видом переходов через водотоки. Как правило, в состав мостового перехода входит один мост, перекрывающий русло реки (рис. 12.2а). На реках с очень широким разливом за пределы русла во время подъема уровня воды можно устраивать несколько мостов на одном переходе (рис. 12.2б). Дополнительные мосты, располагаемые вне русла, называют пойменными.

Рис. 12.2. Схемы мостовых переходов: а – с одним мостом; б – с двумя мостами; 1 – мост; 2 – насыпь

Для обеспечения непрерывного проезда автомобилей при всех уровнях воды в водотоке мосты и подходы к ним устраивают незатопляемыми, высоководными (рис. 12.2). Только в отдельных случаях на временных и временно восстановленных путях сообщения или на автомобильных дорогах самых низких категорий, пересекающих значительные водотоки, допускается устройство низководных мостовых переходов, на которых подходы, а иногда и мосты затопляются высокими водами реки (рис. 12.3). На мостовых переходах через судоходные реки, кроме постоянных мостов, иногда применяют разводные, движение по которым периодически прерывают на короткое время для пропуска судов.

Рис. 12.3. Схемы низководных мостовых переходов: а – с затопляемой насыпью; б – полностью затопляемый

Мостовые переходы с наплавными мостами обеспечивают путь через водоток на протяжении значительной части года, но характеризуются перерывами движения по дороге во время осеннего и весеннего ледохода и в периоды малой толщины льда. После того как лед достигнет толщины, необходимой для безопасного проезда транспортных средств, устраивают ледяные переправы, являющиеся заменой наплавных мостов на зимнее время. На судоходных реках наплавные мосты периодически не функционируют и в теплое время года из-за вывода звеньев моста для пропуска судов.

Наплавные мосты устраивают при пересечении широких многоводных рек, когда строительства моста на постоянных опорах, обеспечивающего круглогодичное непрерывное движение, еще не требуется по интенсивности движения на дороге.

Если дорога проходит через акваторию устьевого морского порта, устройство обычного моста становится затруднительным. В этих условиях можно применить мост-трансбордер, представляющий собой легкую ферму, которая расположена на большой высоте, обеспечивающей беспрепятственный пропуск морских судов. По ферме передвигается тележка, к которой на тросах подвешена платформа, перевозящая грузы с одного берега на другой.

Мосты по длине делятся на три группы:

1) мосты длиной до 25 м называют малыми;

2) от 25 до 100 – средними,

3) свыше 100 м – большими. К группе больших относят также мосты длиной менее 100 м, но с пролетами более 30 м.

Пролеты моста не всегда назначают одинаковыми (рис. 12.4). На судоходных реках в случае стабильного положения судового хода только часть пролетов приспосабливают для пропуска судов. Остальные пролеты могут быть устроены существенно меньших размеров. Наивыгоднейшую длину малых пролетов выбирают с надлежащим экономическим обоснованием.

Рис. 12.4. Разбивка моста на пролеты с выделением пролетов для судоходства

Подводные тоннели (рис. 12.5) сооружают при пересечении больших рек в городах, где невозможно поднять мост так высоко, как это требуется для судоходства, а также в тех случаях, когда устройство моста нежелательно по каким-либо специальным причинам.

Рис. 12.5. Подводный тоннель: а – схематический продольный профиль; б – поперечный профиль подводного участка; в – поперечный профиль сухопутного участка; 1 – шахта; 2 – пионерная шахта и штольня; 3 – путь для пешеходов; 4 – тоннель для автомобилей; 5 – приток воздуха;
6 – вытяжка воздуха; 7 – проезд; 8 – покрытие

Они отличаются высокой стоимостью строительства по сравнению с другими видами искусственных сооружений, поэтому применение тоннельных переходов ограничено.

Паромные переправы применяются только на постоянных водотоках чаще всего как временные сооружения, действующие до строительства моста. Наибольшее распространение паромы получили на автомобильных дорогах местного значения. Значительно реже их применяют на автомобильных дорогах высоких категорий, так как простой транспортных средств в ожидании очередного рейса парома недопустим при большой грузонапряженности. Во многих случаях паромные переправы действуют только часть года: на реках с ледоставом в работе переправ возникают перерывы в те же периоды, что и для наплавных мостов.

Подходы к паромным переправам устраивают чаще всего затопляемыми на все время разлива реки за пределы русла. Это ограничивает возможность использования паромов во время паводков.

Только в отдельных случаях подходы к причалам переправы устраивают незатопляемыми, когда нежелательны длительные перерывы в перевозке грузов по дороге.

Количество малых мостов, труб и других искусственных сооружений, возводимых при пересечении небольших постоянных и главным образом периодических водотоков на сети автомобильных дорог, очень велико, однако стоимость каждого из них относительно мала, и поэтому суммарные затраты на их строительство незначительны. Размещение этих искусственных сооружений, объединяемых в одну категорию малых, всегда подчиняется трассированию дороги в связи с тем, что выбор наилучшего положения на местности для каждого малого моста или трубы может привести к значительному удлинению дороги, общему удорожанию ее строительства и возрастанию расходов на перевозки. Подчиняя расположение малого моста или трубы общему трассированию дороги, учитывают также, что в местах, недостаточно удобных по условиям пропуска воды, всегда имеется возможность значительного и относительно недорогого регулирования потока вплоть до устройства сплошного искусственного русла необходимого направления.

Стоимость строительства больших мостов и подходов к ним высокая и в сильной степени зависит от положения места перехода через реку. Поэтому места пересечений значительных постоянных водотоков являются пунктами, определяющими положение всей дороги на местности. Трассирование дороги на значительном протяжении у места перехода реки подчиняется при этом выбору оптимального места для строительства моста и подходов к нему.

Условия работы больших мостов значительно сложнее, чем малых искусственных сооружений, потому что они подвержены большей опасности повреждения водным потоком. В частности, это объясняется различной длительностью периодов напряженной работы сооружений: малые искусственные сооружения интенсивно работают на пропуск воды всего несколько часов в год; большие мосты работают в условиях длительных паводков, продолжающихся неделями, а иногда и месяцами. Кроме того, речное русло подвижно и легко размывается, а создать искусственные укрепления под большими мостами практически невозможно, поэтому стеснение реки сооружениями мостового перехода приводит к обязательным размывам русла. В русле заложены опоры моста, которым угрожает подмыв, в связи с чем увеличение скорости течения под большим мостом по сравнению со скоростью нестесненного потока существенно ограничивается.

Гидравлические расчеты, выполняемые при назначении размеров больших мостов и малых искусственных сооружений, значительно разнятся:

1) для малых мостов и труб ограничиваются в основном расчетом протекания водного потока в неразмываемом русле;

2) для больших мостов выполняют, прежде всего, русловые расчеты, учитывающие движение как потока воды, так и потока наносов в размываемом русле с целью определения возможного понижения дна реки под мостом.

Малые искусственные сооружения отличаются от больших мостов и по приемам гидрологических расчетов при проектировании. Для расчета притока воды к малым мостам и трубам используют теоретико-эмпирические нормы стока, дающие возможность назначать водопропускную способность сооружений только со значительной погрешностью. Применение такого приема расчета объясняется отсутствием данных о непосредственных наблюдениях за стоком на малых водосборах, где строят малые мосты и трубы.

Для больших мостов эти приближенные расчеты недопустимы, так как применение норм, дающих значительную погрешность, может привести к повреждениям дорогостоящих сооружений или к еще большему их удорожанию. Для определения притока воды к большим мостам применяют специальные методы гидрологических расчетов, связанные с длительными натурными наблюдениями за реками и использованием методов математической статистики.

При проектировании средних мостов применяются как те, так и другие приемы гидрологических расчетов в зависимости от наличия натурных данных.

12.2. Деление рек по видам питания и типам руслового процесса

Питание реки происходит неравномерно. В отдельные относительно короткие отрезки времени, называемые периодами максимального стока, в реку стекают огромные массы воды, образующиеся от сильных дождей, интенсивного таяния снега или ледников и составляющие значительную часть общего годового объема стока. Быстрое стекание в реку больших масс воды вызывает в ней резкое увеличение расхода и связанное с ним наполнение русла, т. е. подъем уровня воды, носящий название половодья. Термин «половодье» в проектной практике мостовых переходов часто заменяют словом «паводок». На различных реках половодья бывают в разное время года соответственно происхождению максимального стока.

Реки разделяют по типам питания на четыре группы:

I – реки с дождевыми половодьями, питающиеся в течение года преимущественно дождевыми водами;

II – реки с половодьями от талых вод, питающиеся в течение года преимущественно водами от таяния снега;

III – реки с половодьями от таяния ледников;

IV – реки с комбинированным (смешанным) питанием, половодья которых обусловлены дождевыми водами и стоком от таяния снега или ледников.

График изменения уровня воды во времени называется водомерным графиком для данного пункта и представляет собой наглядное изображение хода питания реки (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Водомерные графики рек разных типов питания: а – дождевого питания; б – снегового питания; в – ледникового питания; г – смешанного питания

При анализе водомерных графиков различных рек необходимо учитывать, что изменения уровня воды в отдельные моменты времени могут быть вызваны не только изменением притока воды в реку, но и заторами льда, зажорами шуги, а иногда и другими причинами (нагонными ветрами, подпором от другой реки, сливающейся с изучаемой рекой, и т. д.). Учет таких обстоятельств весьма важен для правильного перехода от одномерного графика к гидрографу, т.е. к графику изменения расходов во времени.

В зависимости от хода питания гидрографы и водомерные графики могут быть одномодальные (при одном половодье) или многомодальные (при нескольких половодьях в течение года). В отдельные годы дождевые паводки, обычно значительной высоты, оказываются ниже, чем половодья от стока талых вод.

Современный процесс формирования речного русла, т.е. выработка его форм и размеров, называется русловым процессом. Главной составной частью этого процесса является непрерывное взаимодействие водного потока с подвижным дном русла. Это взаимодействие приводит к образованию характерных форм рельефа дна, отвечающих структуре турбулентного потока, и одновременно к формированию паводочного скоростного поля потока, соответствующего вырабатываемым формам дна, т.е. объединению наносов в крупные скопления.

Установить число возможных типов речных русел можно теоретически. Характеристики условий руслоформирования могут быть сведены в малое число физически различных групп, каждой из которых соответствует одна определенная русловая форма.

Шесть характеристик любого участка реки связаны между собой всего тремя уравнениями: средней скорости течения (Шези); постоянства расхода воды; расхода руслоформирующих наносов: расход воды Q и руслоформирующих наносов G, фактическая скорость протекания водного потока в речном русле V и три геометрические характеристики русла:
В – средняя ширина; Н – средняя глубина; I – уклон. Таким образом, возможно выделение числа возможных типов русел (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Возможные типы русел

Примечание. Берега теснин неразмываемы