/
Author: Андреев О.В.
Tags: строительство инженерных сооружений строительство строительное проектирование автомобильные дороги
Year: 1980
Text
О. В. АНДРЕЕВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МОСТОВЫХ
ПЕРЕХОДОВ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия для специальностей
«Автомобильные дороги» и «Мосты и тоннели»
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1980
УДК 624.2/.8.551.48
Андреев О. В. Проектирование мостовых переходов. — М.,
Транспорт, 1980. 215 с.
В книге изложены основы гидрологических, гидравлических и
русловых расчетов, выполняемых при проектировании мостовых пе-
реходов. Изложение принципов расчета отверстий мостов отражает
значительные достижения гидрологии рек за последние десятиле-
тия. При рассмотрении русловых и гидравлических расчетов учтены
дополнительные возможности детализации проектирования, получен-
ные в связи с внедрением ЭВМ в практику работы проектных орга-
низаций. В книге излагаются также проектирование пойменных на-
сыпей и регулирование рек у мостов через реки разных типов, проек-
тирование мостовых переходов в особых условиях работы, изыска-
ния мостовых переходов.
Книга является учебным пособием для студентов автомобильно-
дорожных институтов и факультетов (специальности: «Мосты и тон-
нели» и «Автомобильные дороги») и может быть использована так-
же инженерами и техниками.
Ил. 115, табл. 23, библиогр. 32 назв.
ж 31801-040 А „ 9яал
к ------------40-80. 3601020000 ©Издательство «Транспорт», 1980.
049(01)-80
ОТ АВТОРА
Дорожное строительство в СССР ведется все возрастающими
темпами. Сотни тысяч километров усовершествованных новых и ре-
конструированных дорог вступили в строй только за последние
десятилетия. Существенной и дорогостоящей частью каждой доро-
ги являются мостовые переходы — комплексы сооружений, возво-
димых при пересечении постоянных водотоков, поэтому их проек-
тированию посвящены особые разделы специальных дисциплин в
автомобильно-дорожных институтах.
Методы проектирования мостовых переходов непрерывно разви-
ваются. Большую роль сыграло при этом использование опыта
проектирования гидротехнических сооружений на реках, получив-
шего серьезное обоснование в предыдущие десятилетия. Немалое
значение имело внедрение в проектную практику электронно-вычис-
лительной техники; это дало возможность не только использо-
вать самые детальные расчеты деформаций русел и подпора на
мостовых переходах, но и сделать важные обобщения, позволяю-
щие быстро выполнять расчеты с повышенной точностью, без не-
посредственного использования ЭЦВМ. В результате была созда-
на физически обоснованная система проектирования мостовых пе-
реходов, пришедшая на смену тем упрощенным, приближенным ре-
шениям, которые долгое время применялись в этой области транс-
портного проектирования.
Совершенствование подготовки инженеров-дорожников и мос-
товиков производится на основе улучшения как методологической,
так и информационной частей специальных курсов. В частности,
это относится и к разделу «Мостовые переходы» в курсах проекти-
рования дорог на специальностях 1211 и 1212. Теоретические по-
ложения, обосновываемые в курсе, подтверждаются типичными
примерами, а результаты основных расчетов сопоставляются с на-
турными или экспериментальными данными о работе мостовых
переходов.
Настоящее учебное пособие отражает опыт чтения курса в Мос-
ковском автомобильно-дорожном институте. Преподавание этого
курса в МАДИ ведется на протяжении последних двадцати пяти
лет в соответствии с современными гидрологическими и гидравли-
ческими основами, общими для проектирования всех речных
гидротехнических сооружений, с учетом специфических особенно-
стей и условий работы мостовых переходов. Расчеты деформаций
подмостовых русел излагаются уже с 1955 г. на основе решения
уравнения баланса наносов, а построение свободной поверхности
3
потока на мостовых переходах — с 1947 г. на основе уравнения
неравномерного движения потока жидкости. Приемы этих расчетов
разработаны на кафедре проектирования дорог МАДИ и непре-
рывно совершенствуются. При расчетах учитывается неустановив-
шийся характер движения паводочного речного потока. Допусти-
мые глубины размывов связываются с типами и размерами основа-
ний и фундаментов мостовых опор.
При чтении курса уделяется значительное внимание изыскани-
ям мостовых переходов, т. е. периоду сбора материалов, исходных
для проектирования. Так как состав изысканий определяется ме-
тодами проектирования, этот раздел курса размещен после изло-
жения методов проектирования. Экономические обоснования не-
обходимости строительства мостового перехода и расчет его фак-
тической экономической эффективности ведутся в полном соот-
ветствии с современыми приемами таких расчетов, ставшими обя-
зательными для всех видов транспортного проектирования. Обра-
щено внимание на экономическое обоснование степени стеснения
водотока сооружениями мостового перехода.
Книга предназначается для использования в качестве учебно-
го пособия для автомобильно-дорожных институтов и факультетов
(специальности 1211 и 1212). В пособии особенно подробно из-
ложены вопросы обоснования методов проектирования и конкрет-
ные методики их применения. Основное внимание обращено на со-
ответствие методов расчета физической сущности процессов изме-
нения речных русел в результате постройки мостовых переходов.
Автор получил ценные указания по улучшению рукописи от ка-
федры гидравлики Киевского автомобильно-дорожного института,
от канд. техн, наук Г. А. Федотова, выражает им свою призна-
тельность и будет благодарен за замечания и пожелания, возник-
шие при пользовании .книгой, которые просит направлять по ад-
ресу: 103092, Москва, Сретенка, 27/29, издательство «Транспорт».
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕХОДАХ
ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ
§ 1.1. ВИДЫ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ
Автомобильные и железные 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. 1.1) входят: а) искусственное сооружение,
служащее для пересечения собственно водотока; б) подходы к ис-
кусственному сооружению, устраиваемые обычно в виде земляных
Насыпей, откосы которых постоянно или периодически омываются
водой; в) регуляционные и защитные сооружения, предназна-
ченные для предохранения искусственного сооружения и подходов
к нему от возможных повреждений потоком.
Искусственное сооружение и подходы к нему являются основ-
ными транспортными сооружениями перехода через водоток. Ре-
гуляционные и защитные сооружения обычно называют вспомога-
тельными, так как непосредственно по ним движения автомобилей
или поездов не происходит. Однако в подавляющем большинстве
случаев без устройства вспомогательных сооружений невозможно
обеспечить сохранность и нормальную работу основных сооружен
ний перехода. Кроме того, в некоторых сложных условиях пересе-
чения водотоков стоимость регуляционных и защитных сооружений
очень высока, а иногда превышает половину стоимости всего пе-
рехода в целом. Поэтому, несмотря на вспомогательные функции
регуляционных и защитных сооружений, их нельзя считать второ-
степенными. Необходимо одинаково серьезно относиться к проек-
тированию, строительству и эксплуатации всех сооружений.
Переходы через водотоки классифицируют по типам искусствен-
ных сооружений. Для пересечения водотока могут быть построе-
ны: мост —сооружение, проводящее дорогу над водным препят-
ствием; тоннель — сооружение, проводящее дорогу под водным
препятствием; фильтрующая дамба — сооружение, пропускающее
воду через пористую кладку; паром — подвижное устройство, пере-
возящее автомобили и вагоны по водному препятствию.
Наибольшее распространение получили переходы, где в каче-
стве искусственных сооружений применены мосты, поэтому мосто-
Рис. 1.1. План мостового перехода:
1 — искусственное сооружение; 2 — подхо-
ды; 3 — струенаправляющие дамбы; 4 —
траверсы
вые переходы являются основным
видом переходов через водотоки.
Как правило, в состав мосто-
вого перехода входит один мост,
перекрывающий русло реки (рис.
1.2, а). На реках с очень широким
разливом за пределы русла во
время подъема уровня воды мож-
но устраивать несколько мостов
на одном переходе (рис. 1.2, б).
Дополнительные мосты, распола-
гаемые вне пределов русла, на-
зывают пойменными.
Для обеспечения непрерывно-
го проезда автомобилей пли по-
ездов при всех уровнях воды в
водотоке мосты и подходы к ним
устраивают незатопляемыми, вы-
соководными (рис. 1.2, а, б). Только в отдельных случаях на вре^
менных и временно восстановленных путях сообщения или на ав-
томобильных дорогах самых низких технических категорий, пересе-
кающих значительные водотоки, допускается устройство низковод-
ных мостовых переходов, на которых подходы, а иногда и мосты
затопляются высокими водами реки (рис. 1.3, а, б).
На мостовых переходах через судоходные реки, кроме постоян-
ных мостов (рис. 1.4), иногда применяют разводные, движение по
которым периодически прерывают на короткое время для пропус-
ка судов.
Разводные мосты строят чаще всего на приморских устьевых
участках рек, куда могут заходить высокие морские суда, и в
городах, где из-за необходимости устройства съездов с моста на
городские улицы иногда нельзя обеспечить высоту моста, требуе-
мую по условиям судоходства.
Рис. 1.2. Схемы мостовых переходов:
/ — мост; 2 — насыпь
6
Рис. 1.3. Схемы низководных мостовых переходов
Рис. 1.4. Постоянный мост
Мостовые переходы с наплавными мостами обеспечивают путь
через водоток на протяжении значительной части года, но харак-
теризуются перерывами движения по дороге во время осеннего ч
весеннего ледохода и в периоды малых толщин льда. После тою,
как толщина льда достигнет величины, необходимой для безопас-
ного проезда транспортных средств, устраивают ледяные перепра-
вы, являющиеся заменой наплавных мостов на зимнее время. На
судоходных реках наплавные мосты периодически не функциони-
руют и в теплое время года из-за вывода звеньев моста для про-
пуска судов. Наплавные мосты устраивают при пересечении широ-
ких многоводных рек, когда постройка моста на постоянных опо-
рах, обеспечивающего круглогодичное непрерывное движение, еще
не требуется по интенсивности движения на дороге.
7
Если дорога проходит через акваторию устьевого морского пор-
та, 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. Обычно мосты длиной
до 25 м называют малыми, от 25 до 100 — средними, 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. На судо-
ходных реках в случае стабильного положения судового хода толь-
ко часть пролетов приспосабливают для пропуска судов. Осталь-
ные пролеты могут быть устроены существенно меньшими (рис. 1.5).
Наивыгоднейшую величину малых пролетов выбирают с - над-
лежащим экономическим обоснованием.
Подводные тоннели (рис. 1.6) 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 при-
чинам. Они отличаются высокой стоимостью строительства по
сравнению с другими видами искусственных сооружений, поэтому
применение тоннельных переходов ограничено.
Паромные переправы применяют только на постоянных водо-
токах, чаще всего как временные сооружения, действующие до
постройки моста. Наибольшее распространение паромы получили
на автомобильных дорогах местного значения. Значительно реже
их применяют на железных дорогах, так -как простой транспорт-
ных 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 за-
топляемыми на все время разлива реки за пределы русла. Это
ограничивает возможность использования паромов во время па-
водков. Только в отдельных случаях подходы к причалам пере-
правы устраивают незатопляемыми, когда нежелательны длитель-
ные перерывы в перевозке грузов по дороге.
Количество малых мостов, труб и других искусственных соору-
жений, возводимых при пересечении небольших постоянных и
главным образом периодических водотоков на сети железных и ав-
томобильных дорог, очень велико, однако стоимость каждого из
них относительно мала, и поэтому суммарные затраты на их по-
стройку не превышают 8—10% стоимости дороги. 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 ма-
8
лого моста или трубы может привести к значительному удлинению
дороги, общему удорожанию ее строительства и возрастанию рас-
ходов 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
Рис. 1.5. Разбивка моста на пролеты с выделением пролетов для судоходства
Рис. 1.6. Подводный тоннель:
а — схематический продольный профиль тоннеля; б — поперечный профиль подводного уча-
стка; в — поперечный профиль сухопутного участка тоннеля;
1 — шахта; 2 — пионерная шахта и штольня; 3 — путь для пешеходов; 4 — тоннель для
автомобилей; 5 — приток воздуха; 6 — вытяжка воздуха; 7 — проезжая часть; 8 — покрытие
9
регулирования потока, вплоть до устройства сплошного искусст-
венного русла необходимого направления.
Стоимость строительства больших мостов и подходов к ним
высокая и .в сильной степени зависит от положения места перехо-
да через реку. Поэтому места пересечений значительных постоян-
ных 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 ма-
лых искусственных сооружений, потому что они подвержены боль-
шей опасности повреждения водным потокам. В частности, это
объясняется различной длительностью периодов напряженной ра-
боты сооружений: малые искусственные сооружения интенсивно
работают на пропуск воды всего несколько часов в год; большие
мосты работают в условиях длительных паводков, продолжающих-
ся неделями, а иногда .и месяцами. Кроме того, речное русло под-
вижно и легко размывается, а создать искусственные укрепления
под большими мостами практически невозможно, поэтому стесне-
ние реки сооружениями мостового перехода приводит к обязатель-
ным 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 пото-
ка существенно ограничивается.
Гидравлические расчеты, выполняемые при проектировании
больших мостов и малых искусственных сооружений, также зна-
чительно разнятся: для малых мостов и труб ограничиваются в
основном расчетом протекания водного потока в неразрываемом
русле; для больших мостов выполняют прежде всего русловые ра-
счеты, учитывающие движение как потока воды, так и потока на-
носов в размываемом русле.
Малые искусственные сооружения отличаются от больших мос-
тов и по приемам гидрологических расчетов при проектировании.
Для расчета притока воды к малым мостам и трубам используют
теоретико-эмпирические нормы стока, дающие возможность наз-
начать водопропускную способность сооружений только со зна-
чительной погрешностью. Применение такого приема расчета объ-
ясняется 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, мо-
жет 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.
При проектировании средних мостов применяются как те, так
и другие приемы гидрологических расчетов в зависимости от на-
личия натурных данных.
10
Гидрологические и гидравлические расчеты, выполняемые при
проектировании малых искусственных сооружений, представляют
собой задачи, решаемые в массовом порядке при проектировании
железных и автомобильных до-рог, так как количество этих соору-
жений составляет от 0,5 до 2 на каждый километр в зависимости
от рельефа и климата района дороги. В связи с этим такие расче-
ты, как и вопросы размещения малых искусственных сооружений,
рассматриваются в общем курсе изысканий и проектирования ав-
томобильных дорог.
Изыскания мест перехода больших водотоков, гидрологичес-
кие, гидравлические и русловые расчеты, выполняемые при про-
ектировании больших и средних мостов, из-за их сложности изу-
чаются в специальном курсе «Проектирование мостовых перехо-
дов». В начале этого курса изложены необходимые сведения о тех
элементах речной гидрологии и динамики русловых процессов, ко-
торые не изучают в автомобильно-дорожных институтах в общем
курсе гидрологии, но непосредственно используют при проектиро-
вании мостовых переходов.
Основное место в курсе отведено гидрологическим, гидравли-
ческим и русловым расчетам, выполняемым при проектировании
переходов через постоянные водотоки. Значительное место отве-
дено конструктивному проектированию подходов к мостам и ре-
гуляционных сооружений.
В последней части курса излагаются изыскания переходов че-
рез водотоки, состав которых определяется перечнем исходных ма-
териалов и сведений, необходимых для успешного и обоснованного
проектирования сооружений мостового перехода.
§ 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОСТОВЫХ
ПЕРЕХОДОВ .
Мостовой переход является составной частью дороги, поэтому
при его проектировании необходимо прежде всего учитывать ос-
новное требование — наилучшее обслуживание перевозок по доро-
ге. Выбор места перехода реки должен быть подчинен этому тре-
бованию. Однако мостовой переход представляет собой комплекс
сложных и дорогостоящих сооружений, затраты на постройку кото-
рых существенно зависят от места расположения перехода на реке.
В связи с этим нередко оказывается необходимым, проводя доро-
гу через наиболее целесообразное место пересечения реки, откло-
нять трассу от наикратчайшего ее направления. Потери на перевоз-
ках, неизбежные в этом случае, компенсируются экономией в стро-
ительстве и содержании мостового перехода.
Наилучшее место перехода практически всегда выбирают на
основе вариантного проектирования. Чтобы сравнить варианты пе-
рехода и обоснованно выбрать наилучший из них, надо правильно
назначить общие формы и генеральные размеры сооружений пере-
хода и оценить 'объемы строительных работ по всем вариантам.
11
Необходимые генеральные размеры сооружений определяются усло-
виями работы мостового перехода, различными для разных вари-
антов.
При выборе наилучшего места перехода необходимо учитывать
весь комплекс характеристик того или иного участка реки, влияю-
щих на стоимость строительства и эксплуатации сооружений. К
таким характеристикам относятся: геологические условия, опре-
деляющие тип и глубину заложения мостовых опор; топографиче-
ские условия, определяющие объемы работ по устройству подхо-
дов к мосту; гидрологические условия, в частности ширина раз-
лива и русла, изменчивость берегов русла, амплитуда изменения
уровня и скорость течения воды, определяющие длину моста и
объемы работ по регулированию реки и защите пойменных насы-
пей; ледовый режим, т. е. интенсивность ледохода, возможность об-
разования ледяных заторов и зажоров шуги, навала на сооруже-
ния больших массивов льда, грозящих им повреждениями, особен-
но при прорыве заторов, и т. д.
Сооружения мостовых переходов относятся к числу капиталь-
ных, срок службы которых исчисляется многими десятилетиями.
В течение этого длительного периода времени условия, в которых
работают сооружения, могут существенно меняться. Это объясня-
ется, с одной стороны, непостоянством речного стока, а с дру-
гой— неизбежными русловыми преобразованиями. Русловые из-
менения свойственны всем рекам в свободном состоянии; кроме
того, после постройки сооружений мостового перехода, стесняющих
водоток, около -них развиваются размывы, в большинстве случаев
даже значительно более опасные, чем природные русловые преоб-
разования.
Поэтому основой для правильного назначения необходимых ге-
неральных размеров сооружений мостового перехода, зависящих от
условий их работы, являются прогнозы возможного притока воды
к мосту и неизбежных русловых деформаций.
В практике эксплуатации автомобильных и железных дорог на-
рушение устойчивости сооружений, входящих в систему перехода
через водоток, почти всегда происходит в силу неблагоприятного
развития русловых деформаций, в результате которых подмыва-
ются основания опор мостов, разрушаются насыпи подходов, ре-
гуляционные и защитные сооружения.
Например, во время высокого паводка 1956 г. под мостами че-
рез р. Друть произошли значительные русловые переформирова-
ния, в результате чего возникла угроза подмыва и обрушения
опор нескольких мостов. Под одним из автодорожных мостов
(рис. 1.7) размывы достигли такой большой величины, что две
промежуточные опоры потеряли устойчивость и три пролетных
строения обрушились, что привело к перерыву в работе перехода
на длительный срок. В связи с основными повреждениями соору-
жений обоснованный и детальный прогноз русловых деформаций
имеет решающее значение для правильного проектирования мо-
стовых переходов.
12
Разрушенная часть маета
44-----
I I I 128,3 ~ 126,0
ч I <132,0 [ I
2
моши
sjr~ 8ИУ133^~ PC У
Рис. 1.7. Размывы под большим мостом:
1 — дно до размыва; 2 — линия размыва
Теория и методика прогноза максимального речного водного
стока и русловых деформаций получили особенно существенное
развитие в связи с крупным гидроэнергетическим и воднотранс-
портным строительством, развернувшимся в нашей стране в по-
следние десятилетия. Сооружения мостовых переходов также от-
носятся к гидротехническим. Естественно, что прогнозы стока и
русловых деформаций, являющиеся основой проектирования мос-
товых переходов, должны выполняться исходя из тех же теорети-
ческих, физически обоснованных предпосылок, которые плодо-
творно используются для проектирования других речных гидро-
технических сооружений. Конечно, все специфические условия ра-
боты мостовых переходов должны быть учтены в конкретной ме-
тодике гидрологических и русловых расчетов, разработанной для
этой отрасли транспортного проектирования.
Для достижения основной цели — наилучшего обслуживания
перевозок — необходимо прежде всего обеспечить непрерывность
движения по дороге. Поэтому сооружения мостового перехода
должны быть запроектированы и построены таким образом, чтобы
оставаться устойчивыми и выполнять свои функции при любых
условиях, которые могут возникнуть за длительный срок их службы.
Иначе говоря, сооружения перехода должны прочно противосто-
ять разрушающему действию текущей воды и русловым деформа-
циям, предвычисленным в прогнозах.
Естественно, что выполнение этого положения, вытекающего
из требований нормальной эксплуатации, требует соответствующих
первоначальных капиталовложений, но приводит к минимальным
ежегодным затратам на перевозки и содержание сооружений пере-
хода и обеспечивает безопасность движения.
При проектировании переходов через водотоки не следует ори-
ентироваться на снижение первоначальных капиталовложений за
счет уменьшения устойчивости сооружений и роста ежегодных рас-
ходов по их содержанию. Такие решения технически несовершен-
ны и несопоставимы с другими вариантами, удовлетворяющими
приведенному выше положению.
Эксплуатационные мероприятия по поддержанию сооружений
в устойчивом состоянии обычно примитивны и малоэффективны.
13
Поэтому, например, устройство мостовой опоры мелкого заложе-
ния с защитой ее от подмыва обсыпкой камнем при разливе ре-
ки нельзя рассматривать как равноценное устройству опоры более
глубокого заложения. Размывы у опор чаще всего происходят бы-
стро, а для защиты опор от подмыва необходимо продолжительное
время и наличие на мостовом переходе значительного числа рабо-
чих и всех технических средств для выполнения защитных работ
(материалов, механизмов, плавучих средств). Последнее всегда
приводит к резкому увеличению стоимости этих работ в связи с
чрезвычайно низкой степенью использования труда, машин и ма-
териалов.
Кроме того, при работах по обеспечению устойчивости опор раз-
личными примитивными средствами оказывается необходимым
ограничивать или даже полностью прекращать движение по мосту
во время высоких паводков, что также влечет за собой большие
экономические потери. Во многих случаях выполнение во время
паводков эксплуатационных работ, связанных с защитой сооруже-
ний мостовых переходов от повреждений, не было успешным, и
мостовые переходы переставали функционировать на весьма дли-
тельные сроки.
Стоимость единицы длины подходов к мосту чаще всего зна-
чительно ниже стоимости единицы длины моста. Это обстоятель-
ство побуждает стеснять реку при строительстве мостового перехо-
да. Однако по мере увеличения стеснения реки русловые деформа-
ции и подтопление сооружений возрастают, условия работы соору-
жений резко ухудшаются, потребность в защитных мероприятиях
увеличивается, эксплуатация перехода затрудняется, а при опре-
деленной степени стеснения становится невозможной. Отыскание
оптимальной степени стеснения реки переходом, наивыгоднейшей
по суммарным затратам на строительство и содержание сооруже-
ний, является существенной частью решения задачи по определе-
нию генеральных размеров сооружений для каждого варианта ме-
ста пересечения реки.
При проектировании мостового перехода необходимо обеспечить
достаточную его пропускную способность, определяемую шириной
проезда по мосту или числом путей, и соответствующую грузо-
подъемность всех сооружений. Для беспрепятственного пропуска
автомобилей или поездов требуется соответствующее очертание
продольного профиля и плана дороги при пересечении реки, в ча-
стности в пределах подтопляемых подходов к мосту.
Определенные требования предъявляются к мостовому перехо-
ду с точки зрения беспрепятственного пропуска под мостом судов
и плотов при заданных уровнях воды в реке. С целью учета этих
требований устанавливаются минимальные подмостовые габари-
ты, т. е. длина, высота, число и размещение пролетов моста, пред-
назначенных для пропуска судов и плотов, а также предельное
приближение моста к речным портам и устойчивым перекатам, на
которых судоходство затруднено. Ограничивается и стеснение су-
доходной реки подходами к мосту с тем, чтобы взводное буксир-
14
ное судоходство и сплав трудно управляемых плотов оказались
возможными и после постройки мостового перехода.
Наконец, мостовые .переходы не должны вносить таких ухуд-
шений в режим реки, которые могли бы неблагоприятно сказаться
на работе отраслей народного хозяйства, связанных -с использова-
нием реки.
Основные транспортные сооружения мостовых переходов часто
приходится защищать от чрезмерно развившихся размывов, силь-
ных течений и т. д. Работы, проводимые с этой целью, объединя-
ются общим названием — регулирование реки. При помощи регу-
ляционных работ можно переместить размывы, т. е. локализовать
их в местах, безопасных для основных транспортных сооружений
мостового перехода, замедлить размывы, уменьшить их величину
или отвести опасные течения от сооружений, которым угрожал
размыв. Регуляционные сооружения должны проектироваться на
основе изучения процесса русловых изменений, происходящих в
результате постройки перехода.
Для решения перечисленных выше задач, возникающих при
проектировании мостовых переходов, необходимо располагать об-
ширными данными о режиме и местных условиях пересечения реки.
Поэтому периоду проектирования должен предшествовать период
изысканий, т. е. сбора материалов о водном стоке, топографиче-
ских, грунтовых и геологических условиях по всем вариантам пе-
рехода, о ходе природных изменений речного русла и др. Полнота
и тщательность изыскательских работ предопределяют качество
проекта.
При установлении состава и объема изыскательских работ
требуется исходить непосредственно из методов проектирования
общих форм и генеральных размеров сооружений. Если это требо-
вание будет нарушено, выполнение ряда проектных расчетов ока-
жется невозможным или искусственно ограниченным. По мере раз-
вития методов проектирования мостовых переходов неизбежно из-
менение состава изыскательских работ.
§ 1.3. методика экономического сравнения вариантов
МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
При проектировании переходов через водотоки многие вопросы
решаются путем вариантного проектирования. Наилучшее решение
выбирают путем конкретного сравнения технически равноценных
вариантов по экономическим показателям.
Экономическое сравнение необходимо выполнять с учетом не
только первоначальной строительной стоимости вариантов перехо-
да, но и ежегодных эксплуатационных затрат на перевозки грузов
и содержание перехода.
Первоначальные капиталовложения С в строительство какого-
либо транспортного сооружения дают ежегодный народнохозяйст-
венный экономический эффект ЛЭ, заключающийся не только в сни-
15
жении затрат на перевозки по сравнению с положением, существо-
вавшим до постройки, но и в повышении рентабельности производ-
ства в сфере тяготения перехода. Эффективность этих капитало-
вложений может быть оценена отношением годовой экономии,
достигаемой при постройке перехода к первоначальной 'строитель-
ной стоимости, называемым коэффициентом эффективности капи-
таловложений:
Е~~с-
Строительство новых или реконструкция существующих дорог
и мостовых переходов позволяет более рационально организовать
перевозки грузов и пассажиров обслуживаемого района тяготения
и обеспечивает получение как единовременного, так и ежегодного
экономического эффекта непосредственно на транспорте и в не-
траспортных отраслях народного хозяйства, существующих в райо-
не тяготения.
Общая .величина народнохозяйственного эффекта от строитель-
ства или реконструкции дороги складывается из следующих со-
ставляющих:
1. Экономический эффект на автомобильном транспорте при
перевозках грузов и пассажиров, которые при отказе от строитель-
ства (реконструкции) дороги или моста также перевозились бы ав-
томобилями по менее совершенным дорогам и далеко располо-
женным мостам, получаемый в результате улучшения дорожных
условий работы автомобильного транспорта: сокращений расстоя-
ний перевозки и продолжительности пребывания в пути пассажи-
ров.
2. Экономический эффект от более рационального распределе-
ния перспективного грузооборота между разными видами транс-
порта и переключения на автомобильный транспорт грузов, кото-
рые при отсутствии дороги или моста перевозились бы по желез-
ным дорогам и водным путям.
3. Экономический эффект, получаемый предприятиями нетранс-
портных отраслей, расположенных в районе тяготения, в результа-
те обеспечения регулярных транспортных сообщений и ликвидации
необходимости создания запасов круглогодично производимых и
равномерно потребляемых грузов; сокращения потерь грузов при
автомобильных перевозках и ликвидации потерь от несвоевремен-
ной доставки дефицитных грузов и вывоза сельскохозяйственной
продукции.
4. Экономический эффект от развития в районе тяготения но-
вых производств и освоения новых источников природных ресур-
сов после ввода дороги .в эксплуатацию. Он складывается из со-
кращения издержек на производство продукции во вновь освоен-
ных районах по сравнению с ее производством в старых районах
(снижение стоимости продукции франко-место потребления), а
также из прироста в районе тяготения производства продукции,
которая не может быть получена или реализована где-либо без
16
(1.1)
строительства дороги (например, увеличение производства и про-
дажи продуктов в пригородной зоне после строительства дороги
или мостового перехода, разработка дефицитных полезных ископа-
емых и т. д.).
5. Экономический эффект .в непроизводственной сфере от бла-
гоустройства района тяготения в результате строительства авто-
мобильной дороги с мостами на ней.
Увеличение отчислений автотранспортных организаций в госу-
дарственный бюджет, вызванное возникновением новых пассажир-
ских связей; увеличение отчислений в государственный бюджет
предприятиями общественного питания, культурно-бытового обслу-
живания, торговли и т. д., возникшими в районе тяготения в связи
со строительством дороги.
6. Экономический эффект от уменьшения количества дорожно-
транспортных происшествий в результате реконструкции автомо-
бильных дорог и мостов. Каждое происшествие связано с потерями
народного хозяйства от выбывания трудящихся из сферы мате-
риального производства на ^длительные сроки для лечения, а при
смертных исходах — полностью. При происшествиях повреждают-
ся автомобили и грузы. Уменьшение потерь от снижения дорожно-
транспортных происшествий за срок окупаемости часто достигает
20—30% затрат на реконструкцию дороги или моста.
Круг факторов, подлежащих учету при опеределении эффектив-
ности капиталовложений, устанавливается в зависимости от кон-
кретных особенностей района и наличия исходных данных и дол-
жен быть по возможности наиболее полным.
Количественная оценка каждой формы проявления эффектив-
ности строительства осуществляется путем сопоставления условий,
возникающих в результате строительства дороги, с тем состояни-
ем, которое имело бы место в данном районе при отказе от строи-
тельства этой дороги или моста.
Необходимые данные для точного .подсчета величин, использу-
емых при оценке вариантов, сведены в «Инструкцию по определе-
нию экономической эффективности капиталовложений в строи-
тельство и реконструкцию автомобильных дорог» (ВСН 21—75
Минавтодора РСФСР).
Предложены и некоторые другие методы оценки вариантов.
Например, в методе сравнения вариантов по показателю экономич-
ности, предложенному проф. И. А. Романенко, учитываются стои-
мость первоначального строительства и последующей реконструк-
ции автомобильной дороги, расходы по перевозкам и затраты тру-
да на строительство и реконструкцию дороги и на перевозки гру-
зов. При сравнении вариантов учитывают накопления, получаемые
народным хозяйством вследствие уменьшения дорожно-транспорт-
ных расходов при реконструкции дороги. Срок реконструкции в
первую очередь определяют по экономическим соображениям и
принимают год, в котором сумма строительных и эксплуатационных
затрат будет минимальной. За период сравнения вариантов реко-
мендуется принимать срок, когда наступает необходимость рекон-
____ 17
струкции для варианта с наибольшими первоначальными капиталь-
ными вложениями и наименьшими последующими эксплуатацион-
ными затратами.
Сравнивать варианты следует с учетом отдаленности и рассре-
доточенности капиталовложений, причем приведенные к одному
году сбережения относятся к затратам живого труда, создающего
эти сбережения. В конечном счете варианты сравнивают по двум
показателям: сбережениям и затратам рабочего времени, необхо-
димого для накопления этих сбережений. Отношение сбережений
к затратам труда называется показателем экономичности. Из двух
вариантов следует принять тот, для которого показатель экономич-
ности будет большим.
Вопрос сравнения вариантов по технико-экономическим показа-
телям весьма сложен и поэтому до настоящего времени нет едино-
го, общепризнанного метода. В практике проектных организаций
наибольшее распространение получил метод сравнения вариантов
по коэффициенту эффективности капиталовложений (см. форму-
лу 1. 1).
Важное значение при выборе варианта трассы дороги имеет
степень сложности технических вопросов строительства. Так, на-
пример, участки, требующие устройства специальных сооружений
(крупных мостов, тоннелей, снегозащитных галерей, подпорных
стенок и др.), а также оползни, сели, осыпи, болота осложняют
строительство, вызывают повышенный расход материалов и могут
заставить предпочесть вариант с обходом таких сложных мест
дорогой.
Наиболее эффективные проектные решения выявляют путем
сравнения вариантов по показателям, основными из которых яв-
ляются единовременные и текущие затраты. Объемы перевозок по
вариантам должны быть одинаковыми. Сравнительная эффектив-
ность вариантов выявляется сопоставлением суммарных приведен-
ных затрат (по вариантам), рассчитываемых то формуле
т
где С—единовременные затраты (капиталовложения), приведен-
ные к последнему году строительства; 3t — текущие затра-
ты (на перевозки и ремонты) на t год; Т — срок сравнения
вариантов; Ен — нормативный коэффициент сравнительной эф-
фективности, равный в настоящее время 0,12; Епр — коэффи-
циент приведения текущих затрат к последнему году строи-
тельства, равный в настоящее время 0,08.
Наилучшему варианту соответствует наименьшая приведенная
стоимость.
Однако, этим способом устанавливается лишь лучший из ва-
риантов, но не оценивается его народнохозяйственная эффектив-
18
Таблица 1.1
Коэффициент ежегодного прироста интенсивности Расче1ный год Коэффициент ежегодного прироста интенсивности Расчетный год
1,01 4 1,07 13
1,02 8 1,08 13
1,03 10 1,09 14
1,04 11 1,10 14
1,05 11 1,11 15
1,06 12 1,12 15
(1.3)
ность. Для определения фактической эффективности капиталовло-
жений производят расчет по формуле
___________________________ «Эсущ «ЭпрОект
^проект ^сугц
где индексом «сущ» обозначены единовременные и текущие затра-
ты при существующем положении (т. е. до постройки дороги
или мостового перехода), индексом «проект» обозначены за-
траты, предусматриваемые проектом.
Строительство дороги или перехода экономически эффективно,
если фактический коэффициент Е^Еп = 0,12.
Сравнение ведут по одному расчетному году, выбираемому в
зависимости от темпа роста интенсивности движения (табл. 1.1).
При линейном возрастании интенсивности движения расчетным
годом является 12-й.
§ 1.4. ОЧЕРК РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Обоснованность приемов проектирования мостовых переходов
соответствует уровню развития тех наук, на которых это проектиро-
вание базируется. Поэтому методы инженерных расчетов, применя-
емые при проектировании мостовых переходов, изменялись и улуч-
шались по мере развития и совершенствования речной гидроло-
гии и гидравлики.
Долгое время мосты на путях сообщения строили без надлежа-
щего обоснования их генеральных размеров (т. е. длины моста
и глубины заложения фундаментов его опор). До семидесятых го-
дов прошлого столетия при проектировании мостовых переходов
инженеры руководствовались при решении этих вопросов только
самыми общими соображениями.
Во многих случаях мостовые переходы, построенные в XIX сто-
летии, характеризовались размывами и повреждениями сооруже-
ний тем большими, чем сильнее стеснялись реки подходами к мос-
там, т. е. чем сильнее нарушался их бытовой режим. Стремясь к
минимальному изменению режима рек, мосты строили не только на
19
руслах рек, но и на более или менее значительных пойменных озе-
рах, протоках и т. п. Наличие пойменных мостов специфично для
многих мостовых переходов, (построенных в XVIII—XIX столетиях
и сохранившихся до наших дней. Так были построены Цепной мост
через р. Днепр в г. Киеве с дополнительным мостом через Руса-
ковскую протоку, мостовой переход через р. Клязьму у Мячкова
с несколькими пойменными мостами и т. д. Однако в защите от
подмывов, иногда даже в большей степени, нуждались и переходы
с дополнительными мостами.
До шестидесятых годов прошлого столетия в состав мостового
перехода включали только мосты и подходы к ним. Заметив, что
подмывы чаще всего развиваются в связи с неблагоприятной кон-
центрацией пойменных вод у мостовых устоев, в состав мостовых
переходов стали включать специальные регуляционные сооруже-
ния, плавно направлявшие пойменные воды под мост.
Первым применил такие сооружения инж. Григорович при по-
стройке постоянных мостов на железной дороге Москва—Н. Нов-
город (Горький) в 1865 г. Устройство регуляционных сооружений
на мостовых переходах вскоре стало повсеместным и к восьмиде-
сятым годам прошлого столетия (было признано обязательным. Та-
ким образом, состав комплекса сооружений, входящих в мостовой
переход (см. § 1.1), был установлен еще в прошлом столетии.
В 1875 г. было положено начало расчетам генеральных разме-
ров мостовых переходов. Известный мостостроитель Н. А. Беле-
любский при (проектировании одного из крупнейших русских мос-
тов— Сызранского через р. Волгу — сформулировал и успешно
применил принцип расчета размывов под мостами, гласящий, что
размывы под мостом, возникающие при стеснении потока, прекра-
щаются, как только скорость течения воды в размытом русле сни-
жается до русловой бытовой. Это положение ориентирует проекти-
ровщиков и строителей на тщательное изучение бытового режима
рек и позволяет рассчитывать размывы, соответствующие разным
длинам моста; впоследствии оно получило название постулата Бе-
лелюбского и изредка применяется в проектной практике до на-
стоящего времени. В 1955 г. О. В. Андреевым было доказано, что
этот постулат является формулировкой одного распространенного
частного случая, строгого, современного решения задачи о размы-
вах под мостами. Следовательно, принцип расчета размывов, вы-
двинутый Н. А. Белелюбским на основе инженерного опыта в
1875 г., хотя был и неполным, но являлся научным и .существенно
опережал общее теоретическое решение этого вопроса, математи-
ческие основы которого разработаны только в тридцатые годы на-
шего столетия.
То обстоятельство, что этот частный принцип расчета был рас-
пространен на все без исключения случаи проектирования мос-
товых переходов, объясняется состоянием речной гидрологии в кон-
це XIX столетия. В то время еще не удавалось проанализиро-
вать фактические процессы деформации русел, развивающиеся
на мостовых переходах, которые находятся в различных условиях.
20
Постулат Н. А. Белелюбского долго оставался неизвестным ши-
роким инженерным кругам. Только в 1897 г. его автор, выступая
на «IV съезде русских деятелей по улучшению водяных путей со-
общения», изложил существо расчета размывов, применяемого им
в проектах уже -более 20 лет. Н. А. Белелюбский не публиковал спе-
циальных работ по расчету размывов; единственным печатным до-
кументом, содержащим изложение постулата, является стенограм-
ма его выступления на упомянутом съезде. С 1897 г. применение
этого постулата в проектах мостовых переходов было признано
обязательным и продолжалось до 1957 г. (т. е. 60—80 лет).
Гидравлические расчеты мостовых переходов, сводившиеся в;
те годы к расчету подпора перед мостами, производились по ана-
логии с расчетом водосливов, теория которых уже была разрабо-
тана. При этом расчетным паводком для мостовых переходов счи-
тался наивысший наблюдавшийся за последние 30 лет перед по-
стройкой моста без прогноза еще более высоких возможных па-
водков.
В 1908 г. А. М. Фролов провел крупнейшие натурные обследо-
вания мостовых переходов на Волжской дельте при очень высо-
ком паводке. Во время обследования А. М. Фролов установил важ-
ные особенности протекания воды на переходах через водотоки,
что дало возможность приступить к разработке широкой теории
гидравлического расчета мостовых переходов. Основными из этих
особенностей являются: образование перед мостом водной ворон-
ки, а за мостом — водного бугра; расположение наибольшего под-
пора вдали от моста, а не около него, как считалось до того вре-
мени; значительное влияние сил трения (т. е. потерь энергии по
длине) на подпор, чему не соответствует схема водослива, приме-
нявшаяся тогда для расчета подпора; влияние регуляционных со-
оружений на водопропускную способность мостов и значение этих
сооружений для пойменных imoqtob; связь оптимальных форм регу-
ляционных сооружений -с направлением и мощностью водных тече-
ний и т. д. Результаты натурных наблюдений 1908 г. с обобще-
нием и выводами были изложены А. М. Фроловым в четырехтом-
ном труде «О переходах через водотоки», изданном в 1912 г.
В 1914 г. А. А. Каншин оригинально разрешил задачу расчета
необходимых размеров мостов при отсутствии гидрометрических
данных о водотоках. Этот вопрос давно выдвигался практикой
проектирования, но удовлетворительного решения в XIX столетии
не получил. Способ А. А. Каншина, названный им способом гид-
равлических эквивалентов, позволяет на основе использования
уравнения равномерного движения воды определять необходимые
длины мостов по заданным размывам без измерения скорости и
расхода потока. Хотя в основе этого расчета лежат существенные
допущения и он не позволяет надежно оценивать размывы в рус-
ловой части отверстия моста, но способ А. А. Каншина в течение
45 лет позволял проектировщикам получать приближенные реше-
ния при проектировании мостовых переходов через реки, не изу-
ченные в гидрологическом отношении.
21
После значительного развития основ речной гидрологии в XIX
столетии (в работах В. М. Лохтина, Н. С. Лелявского, Л. Фарга,
Жирардона и др.) в этой области науки наступило затишье, вы-
званное развитием землечерпания на судоходных реках, ,в связи с
чем изучение речных русел, необходимое для ранее применявше-
гося регулирования рек в целях улучшения судоходства, оказалось
ненужным. Это привело к тому, что многие вопросы проектирова-
ния мостовых переходов не получили до Великой Октябрьской
социалистической революции обоснованных решений.
Советский период научных исследований мостовых переходов
охватывает вопросы проектирования всего комплекса сооружений,
входящих в переход через водоток, и характеризуется планово-
стью исследований. Этот период может быть разбит на ряд этапов,
соответствующих этапам развития таких наук, как речная гидрав-
лика, гидрология рек (потамология), динамика русловых потоков.
Планомерные научные исследования в области проектирования
мостовых переходов были начаты в 1930 г. с созданием Централь-
ного научно-исследовательского института транспортного строи-
тельства (ЦИС НКПС), в составе которого был организован от-
дел мостовых переходов (Е. В. Болдаков, М. Ф. Срибный).
Довоенный период усовершенствования методов проектирова-
ния мостовых переходов характеризуется тремя направлениями.
Первое направление исследования являлось гидравлическим.
Широкое развитие транспортного строительства в первой пятилет-
ке и создание государственных проектных организаций потребова-
ли конкретных рекомендаций по всем вопросам расчетов мостовых
переходов и приведения этих расчетов в соответствие с уровнем
гидравлики тех лет.
В период 1930—1935 гг. были подвергнуты пересмотру все су-
ществовавшие приемы проектирования; в них были внесены воз-
можные улучшения и установлены.нормативы расчетных коэффи-
циентов. Весьма важной в этом направлении явилась классическая
работа М. Ф. Срибного по нормам коэффициентов шероховатости,
позволившая, в частности, существенно уточнить способ А. А. Кан-
шина. В те же годы были проведены работы по установлению
оптимальных форм регуляционных сооружений на мостовых пере-
ходах. Наиболее значительными из них следует считать теорети-
ческую работу В. М. Маккавеева, лабораторное гидравлическое
исследование С. Т. Алтунина, рекомендации Е. В. Болдакова и ряд
других.
Вторым направлением исследований было геотехническое.
Крупнейшее исследование работы пойменных насыпей на мосто-
вых переходах, проведенное К. С. Ордуянцем, закончилось созда-
нием теории расчета устойчивости насыпей с подтопленными от-
косами. |
Третье направление усовершенствования методов проектирова-
ния мостовых переходов являлось гидрологическим. Взамен «проек-
тирования мостовых переходов на пропуск случайных наивысших
наблюдавшихся половодий за ограниченный срок в 1936 г. были
22
введены как обязательные прогнозы высот половодий с различной
вероятностью превышения еще большими половодьями. Введение
этих расчетов в практику транспортного проектирования было под-
готовлено работами советских гидрологов Д. Л. Соколовского,
С. Н. Крицкого, М. Ф. Менкеля, некоторых зарубежных ученых и
практикой успешного использования принципов гидрологических
прогнозов в гидротехническом проектировании.
Наименьшее место в довоенных исследованиях переходов через
водотоки занимали русловые процессы на мостовых переходах, в
связи с чем расчеты размывов под мостами по-прежнему основыва-
лись только на постулате Н. А. Белелюбского. Однако в практике
гидротехнического проектирования еще в довоенные годы начали
использовать научные основы расчета размывов, разработанные
Экснером (Австрия), М. А. Великановым и Н. М. Вернадским.
Новые принципы расчета размывов потребовали детального изу-
чения вопроса о движении наносов. Крупнейшие работы в этой об-
ласти принадлежали В. Н. Гончарову, Г. И. Шамову и И. И. Леви.
Послевоенный период, характеризуемый быстрым развитием
гидротехнического строительства в СССР, ознаменовался круп-
нейшими успехами в области изучения речных русел и паводков.
Эти планомерные исследования закончились выработкой основ тео-
рии и методики расчета русловых процессов на реках при гидро-
техническом строительстве, в том числе и на мостовых переходах.
Основные исследования в области проектирования мостовых пе-
реходов производились после 1945 г. в лаборатории речных соору-
жений Всесоюзного научно-исследовательского института транс-
портного строительства (О. В. Андреев и И. А. Ярославцев). В
этой лаборатории были проведены натурные и лабораторные на-
блюдения за процессом размыва на мостовых переходах; на основе
полевых измерений установлена связь расхода наносов с парамет-
рами водного потока; проведены работы по изучению образования
русел различных типов; разработаны на этой основе методы расче-
та размывов у мостов через реки разных типов; разработаны рас-
четы размывов в руслах рек и на поймах под мостами; исследован
местный размыв у сооружений; дан общий гидравлический прием
расчета подпора; изучены общие принципы регулирования рек у
мостов и разработаны расчеты конструкций регуляционных соору-
жений. Для проведения полевых русловых исследований была со-
здана специальная изыскательская аппаратура. Кроме того, раз-
работаны расчеты мостовых переходов в подпоре, с затопляемыми
подходами и т. д.
В результате этих исследований, а также использования опыта
гидротехнического проектирования и трудов советских ученых в
области русловых потоков М. А. Великанова, В. Н. Гончарова,
И. И. Леви, К. И. Российского, И. А. Кузьмина и других оказалось
возможным существенно улучшить приемы проектирования мосто-
вых переходов, дифференцировать их в зависимости от типа рек
и привести в соответствие с современными знаниями о природе
русловых изменений и современной теорией расчета русловых де-
23
формаций, развивающихся при гидротехническом строительстве
(на базе решения уравнения баланса наносов).
К настоящему времени методы расчета мостовых переходов ба-
зируются на тех же научных предпросылках, которые лежат в ос-
нове проектирования (гидротехнических речных сооружений.
Приведенным кратким перечнем работ не исчерпываются все
исследования по усовершенствованию методов проектирования мос-
товых переходов, выполнявшиеся в СССР. Большие лабораторные
работы проводились в научно-исследовательском институте
ВОДГЕО, ряд вопросов исследовался в транспортных вузах и про-
ектных организациях.
Следует отметить, что уровень теории и /практики проектирова-
ния мостовых переходов в СССР в настоящее время выше, чем за
рубежом, но в последнее время большие гидрологические и рус-
ловые исследования проводятся и в других странах.
Глава 2
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕКАХ
§ 2.1. РЕЧНЫЕ ДОЛИНЫ И РУСЛА РЕК
Осадки, выпадающие на земную поверхность в виде дождя, или
вода, образующаяся при таянии снега, дают начало как элементар-
ному, достаточно быстрому поверхностному стоку, так и весьма
медленному подземному стоку.
Поверхностный сток начинается непосредственно на склонах
рельефа вблизи водоразделов. По мере слияния отдельных струек
вода собирается в местные понижения на склонах и стекает по ук-
лонам в виде мелких ручейков. В результате слияния таких ручей-
ков образуются сначала большие ручьи, а затем значительные во-
дотоки — реки, протекающие по относительно узким углублениям
земной поверхности, называемым речными
долинами. Территория, с которой происхо-
дит сток воды в реку, называется бассейном
реки.
Последовательно сливающиеся реки об-
разуют все более и более крупные водотоки;
совокупность таких рек называется речной
системой (рис. 2.1), в которой можно выде-
лить главную реку, впадающую в море или
озеро, и ее притоки.
Несмотря на то, что склоновый элемен-
тарный сток происходит только периоди-
Рис. 2.1. Схема речной чески, сток рек, как правило, круглогодичен,
системы Это объясняется тем, что для стекания зна-
24
Рис. 2.2. Разрез речной долины:
а — напластования грунтов; б ~ русло и
пойма реки;
1 — наносы; 2 — коренные породы; 3 — рус-
ло; 4 — пойма
поверхности или при движении
чительного объема воды, соби-
рающейся в реку большой длины,
требуется большее время, чем
для опорожнения многочисленных
небольших коротких склонов, пи-
тающих реку. Кроме того, к по-
верхностному стоку присоединя-
ются выходы подземных -вод, при-
ток которых в реку практически
непрерывен. Конечно, при этом в
годовом цикле стока наблюдает-
ся существенная неравномерность'
и, в частности, могут быть выде-
лены периоды стока максималь-
ного и минимального.
Речные долины образованы в
большинстве случаев fco время
тектонических деформаций земной
древних ледников. Однако процесс формирования речных долин
происходил и после их первичного образования и продолжается
почти непрерывно под действием текущей воды.
Вода, стекающая по верхнему участку речной долины со значи-
тельным уклоном, многие тысячелетия разрушала рыхлые породы
и выносила их вниз по течению. На остальном протяжении речной
долины, где продольные уклоны значительно меньше, долгое время
откладывалось большое количество продуктов разрушения верхне-
го ее участка. Поэтому в поперечных разрезах среднего и нижнего
участков речной долины всегда можно видеть слой наносов — ал-
лювия, т. е. частиц грунта, принесенных водой. Под толщей этого
слоя залегают породы первичной поверхности речной долины, обра-
зованной в древнем геологическом процессе. Такие породы называ-
ются коренными (рис. 2.2, а).
25
По мере смыва рыхлых грунтов уклон верхнего участка речной
долины уменьшался, а вместе с ним уменьшался и вынос наносов
вниз по течению. Вследствие этого на нижележащих участках до-
лины постепенно прекращалось отложение наносов, а водный по-
ток, смывая ранее отложившиеся наносы, врезался в толщу аллю-
вия. В результате современные поперечные профили речных долин
характеризуются тем, что перенос наносов совершается, как пра-
вило, только на части ширины дна речной долины, которая назы-
вается руслом и понижена по отношению к остальной части дна до-
лины, называемой поймой.
При неравномерном питании реки водой поймы заливаются
только при максимальном стоке и необязательно каждый год. По-
этому они покрыты травой, кустарником, иногда лесом, а переме-
щение частиц грунта, слагающих пойму и скрепленных корнями
растений, практически не происходит (рис. 2.2, б).
Круглогодичный водный сток наблюдается только в русле реки,
причем для минимального стока чаще всего используется не все
русло, а только часть его, которая называется меженным руслом.
Процессы размыва в верхней части речной долины и отложения
наносов в нижней ее части, затухающие во времени, должны рас-
сматриваться не только как древние, но и как современные, мед-
ленно протекающие процессы формирования речных долин. В связи
с этим на протяжении долины главной реки в каждой речной си-
стеме можно выделить три характерных участка (рис. 2.3).
Первый, верхний по течению участок с наибольшим уклоном
/1 называется зоной эрозии. Здесь сливающиеся потоки воды, по-
ступающие со склонов местности, имеют настолько значительную
скорость, что еще в силах размывать грунт и уносить вниз по тече-
нию его частицы. Такой процесс называется выносом наносов. Мед-
ленное понижение дна и постепенное уменьшение уклона харак-
терны для этой части речной долины.
Второй, средний участок с уклоном А называется зоной транзи-
та наносов. Сюда поступают сверху по течению не только вода, но
и наносы, которые река проносит. Поэтому на среднем участке дно
русла не поднимается и не опускается.
Третий, нижний по течению участок главной реки, характеризуе-
мый наименьшим уклоном /3, отличается тем, что протекающая по
нему вода уже не может перемещать то количество наносов, кото-
рое переносилось ею по второму участку. В результате часть нано-
сов откладывается на нижнем участке долины главной реки, и дно
ее повышается. Этот участок долины называется зоной аккумуля-
ции наносов. В ряде случаев отложения наносов достигают такого
размера, что русло в нижнем течении реки оказывается поднятым
выше окружающей местности. В этих случаях нижний участок
речной долины называется конусом выноса (рис. 2.4).
Наносы, переносимые реками в периоды максимального стока,
следует подразделять на более крупные — руслоформирующие, ко-
торые перемещаются в придонных слоях потока, образуя в своем
26
движении стенки русла, и более мелкие — нерусловые, которые
проносятся водой транзитом во взвешенном состоянии и в форми-
ровании русла практически не участвуют. Некоторое количество
нерусловых наносов выносится водным потоком на поймы во время
максимального стока и откладывается там в отдельных местах с
особо малыми скоростями течения, образуя так называемый наилок
поймы. Это приводит к тому, что верхние слои пойменных грунтов
обычно мельче, чем грунты в русле, и часто обладают связностью.
На рис. 2.5 показан обычный грунтовый поперечный разрез равнин-
ной реки, где отчетливо видно такое распределение состава и каче-
ства грунтов.
На разных участках реки деление фактически находящихся в
движении наносов на руслоформирующие и нерусловые, взвешен-
ные, меняется. Наносы, проходившие в верховьях реки в виде взве-
си, на нижнем ее участке, где скорости течения снижаются из-за
малости уклона, могут уже относиться к руслоформирующим. Для
коротких участков рек крупность руслоформирующих наносов ока-
зывается устойчивой на протяже-
нии столетий соответственно ус-
тойчивости осредненного режима
водного стока.
Количество нерусловых нано-
сов, переносимых рекой по на-
правлению к морю или озеру,
обычно весьма значительно и час-
то превышает количество русло-
формирующих. Поэтому, если
идет речь о выносе наносов в мо-
ре, озеро или искусственное водо-
хранилище, где с течением време-
ни в неподвижной веде могут осе-
дать мельчайшие нерусловые на-
носы, следует учитывать все
категории наносов, фактически
транспортируемых рекой. Если
же речь идет об устойчивости или
деформациях русла на коротких
участках реки, то достаточно изу-
чать и учитывать перемещение
только руслоформирующих нано-
сов, хотя бы они и составляли
меньшую часть твердого стока
реки.
Нерусловые и руслоформиру-
ющие наносы обычно различают-
ся по происхождению. Мельчай-
шая взвесь в основном образует-
ся при склоновом поверхностном
стоке за счет смыва частичек
Рис. 2.4. Река на конусе выноса
Рис. 2.5. Грунтовый разрез реки с
поймами:
/ — растительный слой; 2 — суглинок; 3 —.
супесь, 4 — глина; 5 — пески разной круп-
ности
87
почвы, особенно интенсивного при почвах без растительности или
распаханных и при крутых уклонах местности. Руслоформирующие
наносы образуются главным образом при русловом стоке за счет
разрушения коренных пород в верховьях реки и ее притоков.
Описанное выше деление всего протяжения реки на три харак-
терных участка не обязательно для всех рек. В ряде случаев от-
сутствует средний участок — зона транзита, и за участком эрозии
непосредственно следует зона аккумуляции. Такое деление речной
долины на два участка характерно для рек с очень большим твер-
дым стоком; в этих условиях часто развивается конус выноса. Ко-
нус выноса также часто развивается у периодических водотоков,
выносящих продукты эрозии на склоны рельефа или на поймы рек,
где беспорядочно растекающийся водный поток теряет способность
переносить наносы. На реках, впадающих в другие большие реки,
т. е. на притоках главной реки, часто отсутствует зона аккумуляции.
Речная долина в плане никогда не бывает прямолинейной, а
всегда извилиста, и ширина ее, образованная в древнем геологиче-
ском процессе, меняется по длине водотока иногда весьма значи-
тельно. Русло реки тоже часто извилисто, причем его извилины не
повторяют извилин долины.
Характерной особенностью речных русел является малая изме-
няемость их ширины и средней глубины на достаточно длинных
участках речной долины. Исключение составляют русла рек на ко-
нусах выноса, ширина которых иногда сильно меняется даже на
коротком протяжении. Малая изменчивость ширины и глубины
русла объясняется тем, что русло вырабатывается в современном
процессе формирования речной долины и приспособлено к совре-
менному режиму водного и твердого стока. Этот режим соответст-
вует климатическим и геоморфологическим условиям, наблюдае-
мым в настоящее время, которые могут считаться практически не-
изменными в течение нескольких столетий.
Поскольку инженерные сооружения на реках, в том числе и
мостовые переходы, строятся на периоды, продолжительность кото-
рых не превышает нескольких столетий, то для обоснованного их
проектирования необходимо особенно детально изучать именно со-
временный режим рек.
§ 2.2. ПИТАНИЕ РЕК И РЕЖИМ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА
Для рек необходимо различать: процесс питания реки; режим
водного стока как совокупность условий протекания воды и перио-
дических изменений стока, связанных со сменой времен года; рабо-
ту реки, т. е. современный процесс формирования русла и речной
долины, результатами которого являются определенные размеры
русла и закономерные русловые преобразования.
Питание реки происходит неравномерно. В отдельные, относи-
тельно короткие отрезки времени, называемые периодами макси-
мального стока, в реку стекают огромные массы воды, образующи-
28
Рис. 2.6. Водомерные графики
рек разного типа питания
еся 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 рез-
кое увеличение расхода и связанного с ним наполнения русла, т. е.
подъем уровня воды, носящий название половодья. Термин «по-
ловодье» в проектной практике часто заменяют словом «паводок».
На различных реках половодья бывают в разное время года соот-
ветственно происхождению максимального стока.
Реки следует разделять 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, поло-
водья которых обусловлены дождевыми
снега или ледников.
График изменения уровня воды Q
во времени называется водомерным
графиком для данного пункта и
представляет собой наглядное изо-
бражение хода питания реки.
На рис. 2.6 представлены водо-
мерные графики рек различных ти-
пов питания: а) реки Амур — дож-
девого питания, отличающейся мно-
гочисленностью половодий в теплое
водами и стоком от таяния
г
Рис. 2.7. Гидрограф реки
29
время года, вызываемых отдельными сильными дождями; б) реки
Воронеж, питающейся в основном от таяния снега, с одним ч$тко
выраженным весенним половодьем; в) реки Нарын — ледникового
питания, большое число ликов летнего половодья на которой объяс-
няется колебаниями температуры в зоне ледников; г) реки Ку-
бань— смешанного питания, где на летнее половодье от таяния
ледников накладываются половодья дождевого происхождения.
Большинство рек СССР зимой покрывается льдом. Этот период
называется периодом ледостава. Толщина льда соответствует мест-
ным климатическим условиям и обычно достигает нескольких де-
сятков сантиметров. Периоду ледостава предшествует образование
внутриводного льда — шуги — и краткий ледоход (шугоход).
На ряде рек неподвижный ледяной покров не образуется, и дви-
жение шуги наблюдается в течение всего холодного периода года.
Скопления шуги, называемые зажорами, нередко приводят (напри-
мер, на реках Средней Азии) к значительному подъему уровня воды
перед такими препятствиями из внутриводного льда. Прорыв зажо-
ра сопровождается увеличением скорости течения.
При потеплении ледяной покров рек взламывается и начинается
ледоход, чаще всего совпадающий с весенним половодьем. Только
в отдельных случаях лед тает на месте.
При ледоходе по воде плывут льдины, размер которых нередко
достигает нескольких десятков тысяч квадратных метров. Если
русло реки извилисто, то льдины могут задерживаться, скапливаясь
на поворотах и образуя ледяные заторы, сопровождаемые значи-
тельным подъемом уровня воды. При прорыве затора скорость те-
чения воды и движения льдин, а также расход воды сильно увели-
чиваются, а уровень снижается.
При анализе водомерных графиков различных рек необходимо
учитывать, что изменения уровня воды в отдельные моменты време-
ни 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 изу-
чаемой рекой, и т. д.). Учет таких обстоятельств весьма важен для
правильного перехода от водомерного графика к гидрографу, т. е.
к графику изменения расходов во времени (рис. 2.7). Площадь фи-
гуры, образованной линией гидрографа и осями координат, пред-
ставляет собой объем годового стока. Площадь части этой фигуры,
ограниченной двумя любыми ординатами, отвечает объему стока
W за соответствующий интервал времени.
В зависимости от хода питания гидрографы и водомерные гра-
фики могут быть одномодальные (при одном половодье) или мно-
гомодальные (при нескольких половодьях в течение года). Следует
иметь в виду, что при нескольких половодьях они могут быть раз-
личного происхождения. Так, на Амуре первое чаще всего невысо-
кое половодье образуется при стоке талых вод от таяния снега, а
все остальные относятся к дождевым. В отдельные годы дождевые
половодья обычно значительной высоты оказываются ниже, чем
половодье от стока талых вод.
зе
Характерные очертания гидрографа и водомерного графика для
конкретной реки сохраняются из года в год и отображают зако-
номерную смену времен года, но высота половодий меняется в ши-
роких пределах. Такая изменчивость размеров максимального стока
вызвана, во-первых, множественностью факторов, определяющих
высоту половодья, и, во-вторых, изменчивостью этих факторов из
года в год. Например, высота половодья от талых вод зависит от
объема снега, накопленного на водосборе в зимний период, от тем-
пературы воздуха в период таяния снега, наличия облаков, состоя-
ния почвы под снежным покровом и т. д. Различные сочетания этих
условий снеготаяния могут вызвать и различные по высоте поло-
водья.
Двумя основными первичными факторами, определяющими ха-
рактер движения воды в реке, являются расход потока, изменяю-
щийся по длине реки и во времени, и речное русло (его форма,
размеры, строение и уклон). Все остальные характеристики режима
речного стока — скорость течения, уклон водной поверхности, глу-
бина потока и т. д. — являются вторичными, зависящими от двух
первичных. Однако по практическим соображениям простоты изме-
рений за исходную характеристику водного режима реки в данном
пункте часто выбирают не расход, а отметку уровня свободной по-
верхности потока, изображая все другие характеристики водного
стока как функции этого аргумента. Связь уровня с расходом отоб-
ражает влияние второго первичного фактора — русла на режим
водного стока. Если известна такая связь, устанавливаемая непо-
средственными измерениями, то замена расхода уровнем при изу-
чении режима стока является чисто формальной.
Зависимость между расходами Q и уровнями Н изображается
кривой расхода //=/(Q). Такая кривая может быть построена по
результатам гидрометрических наблюдений, заключающихся в из-
мерении скоростей течения и глубин потока; на основании этих
данных вычисляются расходы потока при нескольких уровнях воды.
Имея кривую расхода, можно легко переходить от ежегодных во-
домерных графиков, получаемых путем элементарных наблюдений
за уровнями на водомерном посту, к ежегодным гидрографам или
от отдельных измерений уровней к расходам, которые им соответ-
ствуют.
Очертание кривой расхода, построенной непосредственно по на-
турным измерениям, обычно петлеобразное (рис. 2.8, а). Объясне-
ние этого закономерного очертания может быть получено путем
анализа движения паводочной волны.
Движение волны паводка происходит с изменением расхода как
во времени, так и по длине реки. Во время половодья расходы воды
в каждом сечении реки сначала увеличиваются, а затем, перейдя
через максимум, уменьшаются (см. рис. 2.7). Наступление макси-
мального расхода происходит не одновременно во всех сечениях.
Половодье, начавшееся в верховьях реки, где протяженность скло-
нов, питающих реку, является наименьшей, распространяется затем
вниз по течению. Это движение водных масс носит характер пере-
31
Рис. 2.8. Схемы к анализу движения паводочной волны
мещения волны (рис. 2.8, б). Волна половодья перемещается быст-
рее, чем частички воды в этой волне.
Рассматривая очертание волны половодья (см. рис. 2.8, б), не-
трудно заметить, что величина уклона свободной поверхности воды
при одной и той же отметке неодинакова на подъеме и спаде павод-
ка. На спаде паводка уклон уменьшается; при одинаковых глубинах
это приводит к уменьшению скорости течения, а следовательно, и
расхода потока по сравнению с периодом подъема паводка. Поэто-
му одной и той же отметке уровня воды соответствуют два расхода
на кривой H = больший из них отвечает подъему половодья,
меньший — спаду.
Детальный анализ движения паводочной волны показывает
большое влияние русловой емкости на величину максимального
расхода половодья. Сначала часть воды, стекающей в речную до-
лину со склонов местности, задерживается, наполняя русло и пой-
мы, так как без образования значительных глубин невозможно дви-
жение потока с высокими расходами. После прекращения или су-
щественного уменьшения поступления воды в реку половодье будет
продолжаться за счет расходования ранее накопленной воды. По-
ловодье закончится полностью, когда не только прекратится по-
ступление в реку дождевых или талых вод, но и целиком опорож-
нится русло и поймы.
Как правило, максимальный расход водотока растет вниз по
течению, потому что в реку поступают все большие и большие мас-
32
сы воды со склонов водосбора и из притоков. Исключение состав-
ляют только бесприточные участки рек, называемые транзитными.
В последнем случае объем воды, проходящей за половодье в на-
чальном и конечном сечениях транзитного участка реки, будет оди-
наковым, но максимальный расход в нижнем сечении окажется
меньше, чем в верхнем. Уменьшение высоты половодья будет ком-
пенсироваться увеличением его продолжительности. Это явление
носит название распластывания паводочной волны (рис. 2.8, в).
Рассматривая последовательные положения и очертания паво*
дочной волны (см. рис. 2.8, б), можно заметить, что уклон начина*
ет уменьшаться ранее наступления максимума глубины. Это явле-
ние приводит к чрезвычайно важной последовательности наступле-
ния максимумов различных гидравлических характеристик потока.
Ранее других наступает максимум уклона. Затем наблюдается мак-
симум скорости, определяемой не только уклоном, но и глубиной.
Уменьшение уклона около максимума глубин приводит к уменьше-
нию скорости, но расход потока, зависящий не только от скорости,
но и от площади поперечного сечения, все продолжает расти. По-
этому максимум расхода потока наблюдается значительно ближе
к максимуму глубин.
Обязательная последовательность наступления четырех поло-
водных максимумов max/, max v, max Q, max// в каждом створе
реки приводит к петлеобразному очертанию не только кривой рас-
хода, но и кривой скорости у =/(//) (рис. 2.8, г)
Обязательное уменьшение уклона водной поверхности на спаде
паводка по сравнению с периодом подъема прослеживается на реч-
ных участках значительного протяжения. На отдельных коротких
участках это правило может быть нарушено, если рассматриваемый
участок реки расположен на коротком перекате, т. е. на местной
приподнятости дна, через которую при низких водах происходит
перелив воды с большим уклоном.
§ 2.3. ДВИЖЕНИЕ НАНОСОВ И СКОРОСТНОЕ ПОЛЕ
РЕЧНОГО ПОТОКА
Речной поток способен транспортировать частички грунта —
наносы. Поток, обладающий некоторой поступательной скоростью,
оказывает лобовое гидродинамическое давление на частицы нано-
сов, лежащие на его дне, и может таким образом увлекать их с
собой (рис. 2.9). При этом частицы грунта испытывают также дей-
ствие подъемной силы. Возникающие при обтекании различные
давления на верхнюю и нижнюю поверхность частицы создают
Рис. 2.9. Давление потока на частицу
наносов
33
2—2869
усилие, направленное вверх (см. рис. 2.9). Под действием подъем-
ной силы подвижность частиц увеличивается, так как сила трения
движущихся частиц о дно уменьшается.
Подъемная сила исчезает, когда частица грунта отрывается
от дна и обтекание ее совершается симметрично сверху и снизу.
В турбулентном потоке можно наблюдать не только поступа-
тельное движение воды, но и вращательное, вихревое. Вихри за-
рождаются в потоке на его шероховатых стенках. Вихревые дви-
жения создают периодические, пульсирующие вертикальные токи.
Эти токи наблюдаются не только у дна, так как вихревые образова-
ния турбулентного водного потока отрываются от стенок п прони-
кают в толшу потока.
Вертикальные токи в воде также действуют на транспортируе-
мые потоком наносы, поднимая и опуская их.
При водном стоке река транспортирует наносы, поступающие
в русло в результате смыва с поверхности водосбора и в результате
разрушения коренных пород речной долины в верховьях реки.
При постоянной скорости течения наносы транспортируются
различным образом в зависимости от их крупности. Самые крупные
частицы только перекатываются по дну под действием горизонталь-
ного гидродинамического давления, практически не отрываясь от
дна. Менее крупные наносы подбрасываются пульсирующими вос-
ходящими течениями и отрываются от дна, но затем снова падают
на него под действием силы тяжести. Часть пути эти частицы могут
перекатываться по дну, в основном же они перемещаются потоком
во взвешенном состоянии. Обе рассмотренные группы частиц отно-
сятся к грунту, слагающему подвижное дно речного русла, поэтому
они называются руслоформирующими наносами.
Самые мелкие частицы движутся вместе с водой, не оседая на
дно, что указывает на большую величину взвешивающих усилий
в турбулентном речном потоке по сравнению с силами тяжести для
этих мельчайших частиц. Такие наносы называются нерусловыми;
они осаждаются только в местах резкого уменьшения скорости те-
чения реки.
Количество наносов, которое может переносить поток в' единицу
времени, называется транспортирующей способностью. Фактиче-
ское количество наносов, переносимых потоком, называется расхо-
дом наносов.
Расход руслоформирующих наносов в размываемом речном рус-
ле однозначно связан со скоростью водного потока и обязательно
равен его транспортирующей способности по наносам этих крупно-
стей в связи с тем, что поступление руслоформирующих наносов
сверху по течению обеспечено; эти наносы, составляющие дно раз-
мываемого речного русла, всегда имеются в значительном коли-
честве.
Фактический расход нерусловых наносов, взвешенных в потоке,
почти всегда значительно меньше транспортирующей способности
потока из-за недостаточного поступления частиц такой крупности
в речное русло вместе с водой.
34
При очень малых скоростях течения частички грунта, формиру-
ющие речное русло и характеризуемые определенной крупностью,
будут неподвижными. Если в процессе увеличения скорости, на-
пример при нарастании половодья, скорость течения достигнет ве-
личины, которая называется размывающей скоростью унер для
грунтов данной крупности, то частички грунта начнут двигаться.
При дальнейшем увеличении скорости течения будет расти и ско-
рость перемещения твердых частичек — наносов, а также крупность
частиц, которые могут быть вовлечены в процесс перемещения.
Одновременно возрастает крупность тех наносов, которые перено-
сятся потоком в виде нерусловых, т. е. не оседающих на дно.
В процессе уменьшения скорости частицы грунта, находящиеся
в движении, могут остановиться, как только скорость снизится до
унер; поэтому скорость унер может быть названа и неразмывающей.
В своем движении частички руслоформирующих наносов под-
брасываются пульсирующими восходящими течениями, достигают
некоторого «потолка взвешивания» и снова падают на дно потока.
Потолок взвешивания тем выше, чем больше скорость потока v
и чем меньше диаметр наносов d.
Способность потока транспортировать руслоформирующие нано-
сы может быть подсчитана, если известны высота потолка взвеши-
вания h, концентрация этих наносов в воде и скорость их пере-
мещения ун. Тогда количество руслоформирующих наносов, пере-
носимых потоком, на единицу его ширины будет равно
g"=hpQva. (2.1)
В. Н. Гончаров установил величины всех входящих в эту фор-
мулу множителей. По его исследованиям высота потолка взвеши-
вания может быть выражена формулой
h=axd[—------1Y (2.2)
\ ^нер /
где Унер—размывающая скорость, соответствующая крупности час-
тиц d\ а\ —множитель, зависящий от параметра турбулентности
поведения наносов <р. Этот множитель сильно возрастает по мере
уменьшения диаметра частиц наносов.
Параметр ср равен отношению скорости падения частиц наносов
в воде при турбулентном их обтекании к фактической скорости па-
дения, которая для очень малых частичек может быть во много раз
меньше из-за ламинарного характера обтекания медленно падаю-
щих грунтовых зерен. Для наносов крупностью 1,5 мм можно
принимать, что падение частиц в воде совершается при турбулент-
ном обтекании, т. е. <р= 1. Для более мелких частиц этот параметр
можно определять по эмпирической формуле, подобранной автором
по данным В. Н. Гончарова:
1 g <р=0,145 — 0,825 Ig (d - 0,0085), (2.3)
где d — крупность частиц грунта, мм.
2* 35
Числовые величины параметра турбулентности, определяемого
по этой эмпирической формуле, оказываются равными: при d =
= 1,5 мм ф=1; при d = 0,15 мм ср = 7; при d = 0,01 мм ср = 300.
Средняя концентрация руслоформирующих наносов на всей вы-
соте h выражается формулой
/>о=а2(—(2.4)
\ ^нер /
где аг — множитель, зависящий от параметра <р.
Скорость перемещения наносов в текущей воде равна
/ V 3 \
1- , (2.5)
причем = [ (ф).
Таким образом, расход руслоформирующих наносов на единицу
ширины русла может быть представлен в виде
нер
х / V3
^иер \ / J нер
V ] \ V3
(2.6)
где произведение трех множителей
A =аха2а3 = / (ср).
Полагая, что ^нер-^3<^1, можно записать с точностью, до-
статочной для инженерных расчетов;
Прямая пропорциональность расхода наносов их крупности,
четвертой степени средней скорости и обратная пропорциональность
кубу неразмывающей скорости была установлена не только
В. Н. Гончаровым, но и И. И. Леви, Б. В. Поляковым и др., что
показывает на надежность структуры формулы (2.7) и возможность
уверенного ее применения в инженерных расчетах.
На рис. 2.10 приведены данные, подтверждающие соответствие
структуры формулы (2.7) натурным и лабораторным измерениям
расходов руслоформирующих наносов. На рис. 2.10, а дан график,
построенный по результатам измерений расходов наносов, выпол-
ненных при помощи специально сконструированной полевой аппа-
ратуры лабораторией речных сооружений ЦНИИС на Амударье
у г. Чарджоу. Точки на графике должны группироваться около
прямой, так как он построен в координатах /y4rf:^iep и g". Ли-
нейная закономерность хорошо подтвердилась. Некоторый разброс
точек объясняется погрешностями в измерении расходов наносов
при высоких скоростях течения. Аналогичные измерения, проведен-
ные той же лабораторией на реках Днепре и Суре, также подтвер-
дили эту зависимость. На рис. 2.10, б представлен один из графи-
ков В. Н. Гончарова, где расчеты по формуле (2.7) сопоставлены
36
Рис. 2.10. Связь расхода наносов со скоростью течения
с данными лабораторных измерений. Точность измерения расхода
наносов здесь значительно выше, чем в полевых условиях; этим
объясняется высокая степень сходимости. График построен в ко-
ординатах
и Ig- - g-g
^нер
При использовании формулы (2.7) для определения расходов
руслоформирующих наносов необходимо предварительно устано-
вить входящие в нее величины, т. е. скорость потока, крупность на-
носов и соответствующую ей размывающую скорость. Расчеты ве-
дут по среднему диаметру наносов.
Множитель А для каждого конкретного водотока следует опре-
делять по данным непосредственных измерений расходов наносов
и скоростей течения во время изысканий мостового перехода. Если
измерение расходов наносов по каким-либо причинам выполнить
37
нельзя, можно использовать данные систематических лабораторных
экспериментов.
В. Н. Гончаров, подсчитывая расход наносов в ж3/с-м— в рых-
лом теле, т. е. с порами, заполненными водой, на основе лаборатор-
ных опытов получил эмпирическую формулу для этого множителя:
А = 0,002(1-Ь?)(1+г), (2.8)
где г — порозность грунта, т. е. отношение объема пор к объему
беспустотной породы; ср — параметр турбулентности, определяе-
мый по формуле (2.3).
Частички наносов, начинающие двигаться лишь после того, как
скорость превысила размывающую для них уНер, сначала переме-
щаются независимо одна от другой, и дно потока остается плоским.
Эта фаза движения наносов носит название первой гладкой фазы.
По мере увеличения скорости у дна потока появляются вихревые
водные образования с осями, перпендикулярными течению, кото-
рые делят все дно на ряд чередующихся зон интенсивного движения
наносов и мест их задержки. В этих условиях дно приобретает че-
шуйчатую форму, на нем появляются подвижные донные гряды —
волны. Эта фаза движения наносов называется донногрядовой.
Первая фаза наблюдается лишь при низких скоростях течения в
очень мелких потоках, поэтому в реках практически с самого нача-
ла движения образуются донные гряды. Гряды наносов исчезают
только при достаточно высоких скоростях течения, когда снова на-
ступает выравнивание дна, называемое второй гладкой фазой дви-
жения наносов.
По данным В. И. Гончарова, элементарные донные гряды исче-
зают при скорости
^ = 2,5 )1/12 ^нер. (2.9)
Например, при глубине 5 м и крупности наносов мм, v =
= 5,1 инер = 2,4 м/с. Таким образом, в большинстве случаев донные
гряды не исчезают даже при половодьях, когда скорости течения
относительно большие, но одновременно велика й глубина воды.
В турбулентном потоке больших поперечных размеров наблю-
даются пульсации различных масштабов, т. е. разных периодов.
В частности, могут быть обнаружены крупномасштабные медлен-
ные пульсации, которым соответствует существование в потоке
больших кинематических турбулентных образований. Длина этих
образований во много раз превышает глубину потока, а характер
их продольного перемещения напоминает медленное движение гу-
сениц трактора.
Наличие на дне прямолинейного потока гряд наносов, которые
не могут быть строго перпендикулярны течению в связи с разницей
скоростей в средней части потока и у его шероховатых боковых
стенок, приводит к отклонению донных струй потока этими гряда-
ми, как направляющими. В результате в потоке появляются попе-
38
речные течения (рис. 2.11, а)
с обязательным разным на-
правлением в верхних и ниж-
них слоях водного потока. Та-
кие поперечные течения обна-
ружены в реках Н. С. Леляв-
ским еще во второй половине
XIX столетия специальным
прибором, который называется
«флюгер Лелявского» и приме-
ненным им на р. Днепр.
Поперечные течения значи-
тельно усиливаются на поворо-
тах русла под действием цент-
робежных сил, разных по вели-
чине на поверхности воды н у
шероховатого дна, где скорость
течения намного меньше.
Рис. 2.11. Поперечная циркуляция в
потоке
Развитие поперечных течений в речном потоке приводит к тому,
что большие медленно перемещающиеся кинематические турбулент-
ные образования не только передвигаются в продольном направле-
нии, но и скручиваются в плоскостях, нормальных к нему. При этом
в водном потоке образуются осредненные во времени винтовые
течения, называемые поперечной циркуляцией, вызывающие возник-
новение особых форм рельефа дна с объединением наносов под дей-
ствием донных поперечных течений в большие подвижные скопле-
ния. Элементарные донные гряды наносов размещаются при этом
уже на поверхности таких скоплений.
Простейшая форма подвижного рельефа дна в виде параллель-
ных гряд наносов без объединения в большие скопления может
существовать только в чрезвычайно узких руслах, где поперечные
течения развиты слабо или практически отсутствуют. В естествен-
ных широких прямолинейных речных руслах поперечные течения
развиваются беспрепятственно и периодически меняют направление
по длине потока, так как первоначальное отклонение донных гряд
ют нормального положения равновероятно в любую сторону. В ре-
зультате движущиеся наносы объединяются в скопления, обязатель-
но примыкающие поочередно к берегам речного русла; поэтому та-
кие скопления называют побочнями. Шахматное расположение по-
рочней в прямолинейном речном русле показано на рис. 2.11, б.
Первоначальные размеры больших скоплений наносов соответ-
ствуют размерам крупномасштабных турбулентных образований в
водном потоке. Скопления наносов, внедряясь при их развитии в
водный поток, изменяют размеры крупномасштабных турбулент-
ных образований, что сейчас же приводит к новому изменению
рельефа дна. В результате взаимного влияния вырабатываются
окончательные размеры подвижных скоплений наносов и соответ-
ственная им гидравлическая структура водного потока. При этом
смещение скоплений наносов вдоль берегов вниз по течению приво-
39
дит к периодическому изменению очертания русла и структуры по-
тока в каждом поперечном сечении реки.
Если поперечная циркуляция является не только следствием
характерной кинематической структуры пульсирующего прямоли-
нейного водного турбулентного потока, протекающего в размывае-
мом русле, но и поддерживается на большом протяжении силами,
возникающими при принудительном повороте или отклонении по-
тока, то размеры одностороннего скопления наносов, как и крупно-
масштабного турбулентного образования, определяются размерами
излучины русла, и длина его во много раз может превышать длину
скопления, обычную для русла прямолинейного. Побочень примы-
кает в этом случае обязательно к выпуклому берегу русла и вдоль
него не смещается.
Участки с односторонним расположением побочня называются
плесами. Участки, соответствующие переходу от одного побочня к
другому у противоположного берега, называются перекатами. На
первом из участков наблюдается винтовое движение только одного
направления, в то время как на втором могут быть прослежены два
винтовых течения разных направлений. Соответственно этим тече-
ниям глубины и формы поперечных сечений русла на плесах и пе-
рекатах оказываются различными (рис. 2.11, в). Два винтовых те-
чения на перекате принадлежат двум различным крупномасштаб-
ным турбулентным образованиям в водном потоке.
Первым непосредственным следствием объединения наносов в
элементарные донные гряды и большие донные скопления является
резкое различие скоростей течения воды и перемещения частиц нано-
сов в среднем за большой отрезок времени. Частичка грунта, перека-
тывающаяся по смываемой поверхности гряды со скоростью, мало
отличающейся от скорости течения воды (рис. 2.12, а), останавли-
вается в подвалье гряды, заваливается другими частицами наносов
и долго остается неподвижной, пока не окажется в хвостовой части
гряды, смещающейся вниз по течению (в результате смыва ее по-
верхности), после чего снова перемещается по взбегу волны.
Вся элементарная донная гряда наносов, медленно перемещаясь
по поверхности побочня, попадает в подвалье переката, останавли-
вается и исчезает под набегающими сверху по течению следующими
грядами наносов. Это приводит к смещению всего скопления вниз,
по течению, низовая часть которого наращивается, а верховая не-
прерывно расходуется на создание потока наносов по поверхности
побочня. Именно поэтому средняя скорость перемещения всего
скопления наносов, подавляющая часть объема которого в каждый
момент времени неподвижна, в тысячи раз меньше скорости тече-
ния воды, несмотря на большую скорость перемещения частичек
наносов, фактически находящихся в движении.
Вторым следствием объединения наносов в скопления является
специфическая структура осредненного поля продольных скоростей
водного потока в русле с подвижным дном. На элементарном скопле-
нии наносов — гряде (волне) профили распределения скоростей
паводочного течения по вертикали оказываются различными на
40
взбеге и гребне гряды и за грядой (рис. 2.12, б). Непосредственно
за гребнем гряды, в ее подвалье, развивается валец с обратным
донным течением. За прикрытием гребня донные скорости течения
в подвалье оказываются существенно меньшими, чем средние и
поверхностные. Только на взбеге и гребне гряды донные скорости
относительно мало отличаются от средней на вертикали.
То же явление наблюдается, если рассматривать влияние всего
большого скопления наносов — побочня — на распределение скоро-
стей по вертикалям. В прямом русле побочень представляет собой
как бы односторонний относительно короткий порог, через который
переливается вода. В потоке, сжатом снизу, возникает перераспре-
деление скоростей, приводящее к их выравниванию. Поэтому на
вертикалях, располагаемых на взбеге, а также вблизи гребня по-
бочня, наблюдаются донные скорости, увеличенные по сравнению
с донными скоростями на вертикалях за побочнем (см. рис. 2.12, б).
При высоких скоростях течения и малых глубинах элементар-
ные скопления наносов (гряды) сглаживаются, и движение наносов
совершается по поверхности побочня во второй гладкой фазе. За-
держка наносов в подвалье всего побочня при этом продолжается,
и скоростное поле потока, формируемое побочнями, сохраняется в
таком виде, как описано выше.
В одном и том же сечении паводочного потока, одна часть ши-
рины которого занята односторонним побочнем, а вторая представ-
ляет собой пространство за другим побочнем, расположенным выше
по течению (см. рис. 2.11, б), форма эпюр скоростей на вертикалях
различна. В мелкой побочневой части донные скорости увеличены,
Рис. 2.12. Схемы к анализу скоростного поля потока при высоких водах*
•а — движение частиц наносов в грядах; б — эпюры скоростей на различных вертикалях
вдоль потока; в ~ постоянство средней скорости на прямолинейных участках русла; е —
связь средней скорости с глубиной на излучинах русла
41
в глубокой они относительно меньше. Поверхностные скорости, на-
оборот, оказываются большими на глубокой части русла “в силу
меньшего тормозящего влияния дна, больше удаленного здесь от
поверхности потока.
В итоге средние по вертикалям скорости течения оказываются
почти одинаковыми на всей ширине прямого или слабо извилистого
русла (рис. 2.12, в).
На крутых поворотах русла условия, соответствующие переливу
паводочного потока через донное препятствие, наблюдаются только
в начале излучины. На значительном протяжении скопления нано-
сов, определяемом внешними условиями — длиной речной извили-
ны, распределение скоростей на вертикалях соответствует обычно-
му влиянию сопротивлений движению, т. е. распределению глубин
в поперечном сечении русла. При этом меньшим глубинам, соответ-
ствующим местам скоплений наносов, образовавшихся под дейст-
вием поперечных донных течений, отвечают и меньшие средние ско-
рости (рис. 2.12, г).
Установленные выше закономерности распределения скоростей
не могут быть распространены на периоды низких вод, когда скоп-
ления наносов не затоплены, не перемещаются и не определяют
структуру водного потока. Но как формирование, так и переформи-
рование речного русла происходят в паводочные периоды. Поэтому
для установления размеров и деформаций русла можно ограничить-
ся приведенным выше анализом скоростного потока в русле, спра-
ведливым для высоких уровней воды.
Современный процесс формирования речного русла, т. е. выра-
ботка его форм и размеров, называется русловым процессом. Глав-
ной составной частью этого процесса является непрерывное взаи-
модействие водного потока с подвижным дном русла. Это взаимо-
действие приводит к образованию характерных форм рельефа дна,
отвечающих структуре турбулентного потока, и одновременно к
формированию паводочного скоростного поля потока, соответствую-
щего вырабатываемым формам дна, т. е. объединению наносов в
крупные скопления.
В результате взаимодействия двух фаз потока устанавливаются
формы и размеры русла, отображающие те современные условия,
в которых протекает русловой процесс.
Несмотря на практически бесчисленное множество комбинаций
числовых характеристик условий, в которых происходит формирова-
ние русел, количество типов русел ограничено несколькими вида-
ми. Установить число возможных типов речных русел можно теоре-
тически; характеристики условий руслоформирования могут быть
сведены в малое число физически различных групп, каждой из
которых соответствует одна определенная русловая форма. Такое
решение было доложено автором этой книги на III Всесоюзном гид-
рологическом съезде в 1956 г.
Описания возможных типов речных русел и учета их природ-
ных изменений при проектировании мостовых переходов даны в
§4.2.
42
Глава 3
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
§ 3.1. ЗАДАЧИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Сооружения мостовых переходов взаимодействуют с водным
потоком и подвергаются опасности затопления, подмыва и размыва
текущей водой, а также повреждения ледоходом. Степень опасно-
сти повреждения сооружений при прочих равных условиях опреде-
ляется высотой половодья, которая меняется из года в год. Мосто-
вые переходы должны выполнять свои функции в течение долгого
срока службы (обычно более столетия); за это время на реке мо-
гут появиться не только малые, но и большие половодья, в том чис-
ле превышающие те, которые были зафиксированы на данном во-
дотоке.
Чтобы сооружения перехода были запроектированы и построе-
ны правильно, т. е. были всегда устойчивы и их можно было нор-
мально эксплуатировать в течение всего срока службы, необходимо
расчет размеров и конструкций сооружений основывать на точном
прогнозе возможных высот половодий.
Каждое половодье характеризуется несколькими показателями:
величиной максимального расхода Qmax‘, отметкой наивысшего
уровня воды //max; максимальной скоростью течения; продолжи-
тельностью половодья и т. д. Основным показателем является рас-
ход воды, величина которого формируется в процессе стока на во-
досборе вне места расположения мостового перехода. Поэтому
прогноз половодий, опасных для сооружений мостовых переходов,
может быть сведен к прогнозу максимальных расходов воды в реке
и к последующему определению вторичных характеристик потока
по гидрометрическим кривым.
В настоящее время прогноз величин максимальных расходов
рек выполняется, как правило, на основе статистических данных о
режиме водного стока реки за период, предшествующий постройке
мостового перехода. Прогноз базируется на следующих представле-
ниях об изменчивости характеристик речного стока:
а) годовой цикл стока закономерен, отображает смену времен
года и тип питания реки;
б) ежегодные колебания фазово-однородных характеристик
стока, например максимальных расходов или объема стока весен-
них половодий, подчинены закону больших чисел, т. е. средние ве-
личины этих характеристик устойчивы независимо от продолжи-
тельности наблюдений;
в) закономерности колебаний стока свободных рек относитель-
но устойчивы в периоды, продолжительность которых равна не-
скольким столетиям (т. е. превышает срок службы сооружений
мостовых переходов), так как за это время не может произойти су-
43
щественных изменений в климате и почвенном покрове бассейна
реки; поэтому закономерности колебаний стока, установленные по
данным за предшествующий период, могут считаться действующи-
ми и для последующего периода;
г) величины характеристик стока являются случайными для
каждого данного года и поэтому не могут быть прогнозированы по
срокам появления; возможен только вероятностный прогноз харак-
теристик стока, в частности максимальных расходов половодий.
При этом, как бы ни была мала вероятность образования половодья
большой величины, оно может пройти в ближайшие годы после по-
стройки моста, как и другие, значительно меньшие половодья.
Для установления средних значений максимальных расходов за
длительный период времени и закономерностей их колебаний ис-
пользуются статистические данные наблюдений за режимом реки
в период, предшествующий проектированию мостового перехода.
Отбору этих данных должно быть уделено большое внимание.
Нельзя объединять фазово-разнородные расходы. Например, если
на реке бывают половодья как от таяния снега, так и от ливней, то
при прогнозировании весенних половодий нельзя использовать дан-
ные о ливневых половодьях даже за те годы, когда они превышали
половодья от талых вод.
Необходимо тщательно анализировать условия стока в каждом
году, чтобы исключить влияние таких естественных факторов, ис-
кажающих истинную картину максимального стока, как подпор,
ледяные заторы и т. п. На водомерных постах измеряют уровни
воды, а затем по кривой расхода приписывают каждому уровню
определенную величину расхода.
Однако кривая расхода справедлива только для условий сво-
бодного -стока и, прежде чем пользоваться ею, необходимо устано-
вить, насколько искажена отметка уровня воды под влиянием пе-
речисленных выше явлений.
Должно быть также учтено, что влияние хозяйственной деятель-
ности человека на территории бассейна может существенно изме-
нить высоты половодий. Агролесомелиоративные мероприятия, из-
менение системы землепользования, вырубка леса — все это меняет
условия стока на огромных площадях водосбора. В результате мо-
жет оказаться целесообразным разделить данные о режиме реки
по периодам, используя для прогноза только те, которые характер-
ны для последующих лет, когда будет эксплуатироваться мостовой
переход. Гидроэнергетические сооружения на реках также сильно
меняют условия стока. Поскольку деятельность человека на реке
не является случайной, а направлена на ее планомерное использо-
вание, то расходы воды в случае регулирования стока не могут счи-
таться случайными.
Поэтому применение статистических приемов прогноза высоты
половодий ограничено свободными реками.
Результаты прогноза, основанного на статистических данных,
должны подвергаться всесторонней проверке, главным образом пу-
тем сопоставления с натурными данными о прошедших половодьях.
44
Это позволит избежать грубых ошибок, хотя некоторая погреш-
ность неустранима в связи с известной схематизацией явлений, ко-
торая допускается при конкретном расчете по ограниченному коли-
честву данных о режиме реки. Если погрешность расчета будет ве-
лика, то опасность повреждения сооружений станет реальной. По-
этому к результатам статистических расчетов при проектировании
особо ответственных сооружений (не мостовых переходов) следует
вводить некоторую гарантийную поправку. Эта поправка, равная
возможной ошибке, прибавляется к результату расчета, хотя не
исключается и ошибка другого знака.
Максимальный расход половодья определенной величины может
быть охарактеризован вероятностью его превышения еще большими
расходами. Если какой-либо расход является расчетным для соору-
жений мостового перехода, т. е. при половодье такой высоты запа-
сы устойчивости сооружений будут исчерпаны, то вероятность пре-
вышения этого расхода будет одновременно вероятностью опасных-
условий работы сооружений.
Вероятность превышения расхода выражается в долях единицы
и справедлива для каждого года, так как превышение расчетного
расхода может произойти в любом году, но не обязательно, а лишь
с определенной степенью вероятности. Чем больше максимальный
расход, тем меньше вероятность его превышения еще более значи-
тельными расходами.
Вероятность превышения может быть отнесена не только к од-
ному году, но и к длительному периоду времени. В этом случае
можно отождествлять вероятность превышения с частотой, т. е. с
числом случаев превышения за этот период. Например, если веро-
ятность превышения максимального расхода весеннего половодья,
которое бывает 1 раз в год, равна 0,02 в каждом году, то это одно-
временно обозначает, что такой максимальный расход будет превы-
шен еще большими: в среднем 1 раз за каждые 50 лет; 2 раза за
100 лет и т. д. Превышение за длительный срок почти достоверно.
Нормы частоты нарушения нормальных условий эксплуатации,
т. е. ограничений перевозок и скорости движения поездов или авто-
мобилей, и нормы частоты возникновения опасности повреждения
сооружений устанавливаются техническими условиями проектирова-
ния мостов (табл. 3.1).
Вероятность превышения расчетных максимальных расходов по-
ловодий меняется соответственно народнохозяйственному значению
рода транспорта, а также в зависимости от вида сооружений. В свя-
зи с этим нормы проектирования железнодорожных мостовых пере-
ходов более жесткие, чем для автодорожных переходов. Нарушение
устойчивости сооружений на железных дорогах с грузооборотом,
значительно превышающим грузооборот автомобильных дорог,
допускается значительно реже, чем на дорогах, где имеется боль-
шая возможность организации объездов, а перерыв в перевозках
сопровождается меньшими экономическими потерями, особенно
учитывая, что железнодорожные перевозки — это чаще всего пере-
возки дальние, а на автомобильных дорогах — местные.
45
Таблица 31
Род сооружений Железные дороги Ро I сооружений Автомобильные и город- ские дороги
Категории дорог ВП паводков, %
расчетных наиболь- ших Категории дорог ВП расчет- ных павод- ков, %
Мосты I—и 1 0,33 Большие I—ш 1
и трубы и средние и городские
мосты
То же III—IV 2 1 То же IV-V 2
> V 3 2 Малые мосты и трубы I 1
> Внутренние 2 — То же П-Ш 2
подъездные и городские
пути » IV-V 3
Примечания. 1. В обоснованных случаях отдельные сооружения на автомобильных
и городских дорогах допускается рассчитывать по наибольшим паводкам с ВП-0,33%.
2. Для искусственных сооружений на подъездных путях, где не допускается по тех-
нологическим причинам перерыв движения, и в других обоснованных случаях ВП расчет-
ных расходов и уровней допускается принимать 1%, а наибольших 0,33%
3. Для отдельных, находящихся в благоприятных местных условиях сооружений на
автомобильных дорогах IV—V категорий, при специальном обосновании в проекте допус-
кается ВП расчетных паводков принимать 3% вместо 2%.
4. При недостаточности гидрометрических наблюдений следует учитывать неточности
путем гарантийной добавки к величине расходов и соответствующих им уровней.
Насыпи автомобильных дорог имеют достаточно широкую про-
езжую часть, укрепленную твердыми материалами, в большинстве
случаев с применением вяжущих веществ, поэтому перелив через
автодорожную насыпь менее опасен, чем через железную дорогу, и
сопровождается меньшими повреждениями земляного полотна.
Этим объясняется меньшая частота превышения наибольшего рас-
четного расхода для железнодорожных насыпей по сравнению с
автодорожными.
Чтобы построить сооружения, которым не угрожает потеря
устойчивости ни при каких высоких половодьях, необходимо при-
нять в качестве наибольшего расчетного расхода физически воз-
можный предельный расход, так называемый максимум-максимо-
рум, частота превышения которого равна нулю. Однако сооруже-
ния, запроектированные на безопасный проход такого предельного
половодья, весьма дороги, поэтому более экономично ограничивать
наибольшие расчетные расходы значениями реально превышаемы-
ми, допуская необходимость восстановления или ремонта отдельных
сооружений на дорогах. Практически непревышаемые максималь-
ные расходы половодий, характеризуемые частотой 1 : 1С С00, при
сроке изменения климата на земном шаре в 12 000 лет, равном пе-
риоду качания земной оси, принимаются в качестве наибольших рас-
четных только для крупнейших речных сооружений гидроэнергетики
и водоснабжения.
46
§ 3.2. МЕТОДИКА ПРОГНОЗА МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ВОДЫ
в реках
Непрерывный ряд наибольших годовых максимальных расходов,
зафиксированных за ряд лет, может быть изображен в виде столб-
чатых диаграмм: хронологической (рис. 3.1, а) и ранжированной
(рис. 3.1, б). Средняя высота ряда и характерное выпукло-вогну-
тое очертание ранжированной диаграммы не изменяются с увели-
чением продолжительности наблюдений за режимом реки.
Если длительность периода наблюдений принять за единицу, то
вероятность превышения любого расхода из натурного ранжирован-
ного ряда будет определяться той частью единицы, которой соответ-
ствуют еще более высокие расходы. В первом приближении эта
вероятность может быть подсчитана по ограниченному количеству
максимальных годовых расходов.
Такая непосредственно вычисляемая вероятность или соответ-
ствующая ей частота называется эмпирической.
Простейшей формулой эмпирической вероятности, обозначаемой
рэ, является
А = (3.1)
п
где т — порядковый номер члена ряда в ранжированном ряду;
п — общее число членов ряда (лет наблюдений за режимом
реки).
Более сложной формулой, отображающей возможность включе-
ния в короткий ряд настолько больших расходов, что частота их
превышения несколько меньше, чем 1 раз за период наблюдений,
является
Рис. 3.1. Диаграммы максимальных годовых расходов
47
Этой формулой принято пользоваться в настоящее время (СН
435—72). При ограниченной продолжительности периода наблюде-
ний (малое п) эмпирическая вероятность наибольшего первого члена
ряда (т=1), вычисленная по формуле (3.1), значительно отлича-
ется от вычисленной по формуле (3.2).
Чем длиннее ряд наблюдаемых величин, тем более плавное очер-
тание приобретает ранжированная диаграмма максимальных рас*
ходов. При воображаемом бесконечно большом увеличении продол-
жительности наблюдений и неизменной длине диаграммы каждый
из расходов будет изображаться не столбиком, а одной линией —
ординатой. При этом ступенчатое очертание диаграммы перейдет
в плавное, криволинейное (рис. 3.1, в). Пользуясь такой кривой,
можно определить теоретическую вероятность превышения любого
по величине максимального расхода реки, в том числе превышаю-
щего фактически наблюдавшиеся, или по заданной вероятности
превышения найти величину соответствующего ей расхода. Очер-
тание кривой, которая может быть названа кривой вероятностей,
устанавливается исходя из основного предположения, что законо-
мерности колебаний стока, установленные в течение предшествую-
щего ограниченного периода изучения режима стока реки, сохра-
няются и для последующего, тоже ограниченного периода эксплуа-
тации сооружений перехода через эту реку.
Уравнение кривой вероятностей подбирается для каждой реки
самостоятельно, как обычная эмпирическая формула. Для этой
цели необходимо сначала установить тип уравнения, а затем опре-
делить его числовые параметры по фактически имеющимся эмпи-
рическим величинам, т. е. по ряду максимальных расходов. При
этом необходимо иметь в виду, что нижняя точка кривой соответ-
ствует ежегодно превышаемому максимальному расходу, а верх-
няя— никогда не превышаемому расходу, т. е. физически возмож-
ному максимуму-максиморуму расхода, не равному бесконечности.
Часто в качестве кривой вероятности применяют так называв-»
мую биноминальную кривую (кривая Пирсона III типа), уравне-
ние которой, непосредственно не интегрируемое, имеет вид:
со
Р = f е-л(к~к^ _ /Сга1п)а-1 dK, (3.3)
J Г (а)
k
где а — параметр, характеризующий изменчивость ряда максималь-
ных расходов Q или соответствующих им величин К; Г (а) —
гамма-функция, являющаяся обобщением факториала для лю-
бых, а не только целых чисел; К — отношение каждого макси-
мального расхода к средней величине расхода для всего ряда;
Липп — отношение к средней величине наименьшего из макси-
мальных расходов, превышаемого ежегодно.
Принципиальным недостатком этого уравнения является беско-
нечно большое значение максимальной ординаты, соответствующей
вероятности р = 0, что физического смысла не имеет. Но практиче-
48
ски этим уравнением можно пользоваться, так как при не очень ма-
лых значениях вероятностей р^0,0001 результаты вычислений по
этой кривой и кривой, имеющей ограничение по высоте, почти со-
впадут.
Использование уравнения биноминальной кривой в виде (3.3)
с численным интегрированием для каждого объекта представляет
значительные трудности. Поэтому в проектной практике применяют
специальную таблицу (табл. 3.2), заранее вычисленную по этому
уравнению. Тогда использование уравнения биноминальной кривой
сводится: к определению средней величины максимальных расходов
Qcp; вычислению основного параметра ряда максимальных расхо-
дов а, отображающего изменчивость ряда, т. е. отклонение отдель-
ных членов ряда от среднего значения; отысканию табличной функ-
ции Ф8, зависящей от вероятности превышения расчетного расхода
р, величин а и наименьшего из максимальных расходов; к расчету
расхода с заданной вероятностью превышения по формуле
Qp-Qcp(-7b + l\ (3.4)
\ /а ' /
Величина Qcp вычисляется по формуле арифметического сред-
него, т. е.
п
Qcp
п
(3.5)
где п — число суммируемых величин.
Таблица 3.2
эффициент [ л метрик Сs Вероятность превышения расхода р эффициент шметрии Сs Вероятность превышения расхода р
00001'1 1:300 0SUI 1:100 s LO сч 1:10000 о о со 1:150 1 1:100 о LO LQ сч
О S Коэффициент Ф о 2 bi Я Коэффициент Ф $
1 2 3 4 1 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7
0 3,7 2,7 2,5 2,3 2,0 1,8 1,7 7,5 4,4 3,9 3,4 2,8 2,2
0,1 3,9 2,8 2,6 2,4 2,1 1,8 1,8 7,8 4,5 4,0 3,5 2,8 2,2
0,2 4,2 2,9 2,7 2,5 2,1 1,8 1,9 8,0 4,5 4,0 3,5 2,8 2,2
0,3 4,3 3,0 2,8 2,6 2,2 1,8 2,0 8,2 4,6 4,1 3,6 2,9 2,2
0,4 4,6 3,1 2,9 2,6 2,2 1,8 2,1 8,4 4,8 4,2 3,6 2,9 2,2
0,5 4,8 3,3 3,0 2,7 2,3 1,8 2,2 8,7 4,9 4,3 3,7 2,9 2,2
0,6 5,0 3,3 3,1 2,8 2,3 1,8 2,3 8,9 4,9 4,3 3,7 2,9 2,2
0,7 5,3 3,4 3,1 2,8 2,4 1,8 2,4 9,1 5,0 4,4 3,8 3,0 2,2
0,8 5,5 3,5 3,2 2,9 2,4 1,9 2,5 9,4 5,0 4,4 3,8 3,0 2,2
0,9 5,7 3,6 3,3 3,0 2,4 1,9 2,6 9,6 5,1 4,5 3,9 3,0 2,2
1,0 6,0 3,7 3,4 3,0 2,5 1,9 2,7 9,8 5,2 4,6 3,9 3,0 2,2
1,1 6,2 3,8 3,4 3,1 2,5 2,0 2,8 10,0 5,3 4,6 3,9 3,0 2,2
1,2 6,4 3,9 3,5 3,1 2,6 2,0 2,9 10,6 5,4 4,7 4,0 3,1 2,2
1,3 6,6 4,0 3,6 3,2 2,6 2,0 3,0 11,0 5,4 4,7 4,0 3,1 2,2
1,4 6,9 4,1 3,7 3,3 2,7 2,1 3,2 11,6 5,5 4,8 4,1 3,1 2,3
1,5 1,6 7,1 7,3 4,2 4,3 3,8 3,8 3,3 3,4 2,7 2,8 2,1 2,1 3,5 12,0 5,8 5,0 4,2 3,2 2,3
49
Параметр р/ J_ обозначается Cv и называется коэффициентом
вариации или изменчивости. Он представляет собой отношение
среднеквадратичного отклонения всех максимальных расходов Q
от среднего их значения Qcp к этому среднему значению, т. е.
Произведя алгебраическое преобразование подкоренного выра-
п
жения и учитывая, что 2 7<=/г, можно записать выражение для
коэффициента вариации в виде
(3.7)
Влияние величин Cv и наименьшего максимального расхода на
значение табличной функции Ф8 учитывается путем предваритель-
ного вычисления еще одного параметра ряда расходов, называе-
мого коэффициентом асимметрии и равного для биноминальной
кривой
2CV
1 ^Cnin
(3.8)
При этом 0s = f(Cs; р), как это принято для построения табл. 3.2.
Окончательной расчетной формулой будет
Qp-Qcp(l+C^). (3.9)
В последние годы вместо биноминальной кривой стали приме-
нять кривые вероятности С. Н. Крицкого и М. Ф. Меккеля, также
неограниченные по высоте, для которых соотношение и Cv по
формуле (3.8) не является обязательным и может быть произволь-
ным. Расчет ведется по специальным таблицам с подбором отно-
шения Cs и Cv, наиболее хорошо соответствующего натурному ряду
расходов (табл. 3.3).
Вычисление параметров ряда расходов удобно вести в таблич-
ной форме. В качестве примера в табл. 3.4 приведено определение
этих параметров для одной из рек.
Точность вычисления параметров ряда расходов, а следователь-
но, и расчетных расходов зависит от числа членов ограниченного
ряда наблюдений, по которому они определяются. Чем меньше чис-
ло членов ряда, тем больше погрешность вычисления, т. е. тем
больше могут отклоняться величины параметров ряда и расхода от
тех значений, которые соответствуют бесконечному сроку наблюде-
ний за режимом водотока.
50
Таблица 3.3
Таблица величин K? = Qp : QCp при различных параметрах Cv
и отношениях Cs : Cv
р, % Коэффициенты вариации Су
0,1 °,2 0,4 0.6 0.8 1,0 1,2
1 2 3 4 5 6 7 8
0,01 1,42 1,92 3,20 4,85 6,85 9,21 11,80
0,03 1,38 1,83 2,96 4,39 6,11 8,11 10,26
0,05 1,36 1,79 2,85 4,18 5,77 7,60 9,65
0,1 1,34 1,73 2,70 3,89 5,30 6,91 8,65
0,3 1,30 1,64 2,45 3,42 4,55 5,81 7,10
0,5 1,28 1,59 2,33 3,20 4,19 5,30 6,50
1 1,25 1,52 2,16 2,89 3,71 4,61 5,50
3 1,20 1,41 1,88 2,39 2,94 3,51 4,05
5 1,17 1,35 1,74 2,15 2,57 3,00 3,45
10 1,13 1,26 1,53 1,81 2,06 2,30 2,50
20 1,08 1,16 1,31 1,44 1,54 1,61 1,62
30 1,05 1,09 1,17 1,21 1,22 1,20 1,13
40 1,02 1,04 1,05 1,03 0,99 0,92 0,81
50 1,00 0,99 0,95 0,88 0,80 0,69 0,58
60 0,97 0,94 0,85 0,75 0,63 0,51 0,40
70 0,95 0,89 0,76 0,62 0,49 0,36 0,26
80 0,92 0,83 ; 0,66 0,49 0,35 0,22 0,13
90 0,87 0,75 0,53 0,35 0,21 0,11 0,05
95 0,84 0,70 0,45 0,25 0,13 0,05 0,02
97 0,82 0,66 0,39 0,20 0,09 0,03 0,01
99 0,78 0,59 0,31 0,13 0,04 0,01 0
С,: С 3
0,01 1,42 2,06 ; 3,78 6,28 9,21 12,89 16,86
0,03 1,39 1,99 3,41 5,48 7,74 10,64 13,83
0,05 1,36 1,88 3,23 5,06 7,11 9,66 12,43
0,1 1,35 1,80 3,00 4,58 6,31 8,43 10,68
о,з 1,31 1,69 2,64 3,82 5,11 6,62 8,21
0,5 1,29 1,63 2,48 3,50 4,58 5,85 7,16
1 1,25 1,55 2,25 3,07 3,92 4,80 5,85
3 1,21 1,42 1,91 2,42 2,94 3,47 3,99
5 1,17 1,33 1,75 2,14 2,5Г 2,89 3,23
10 1,14 1,26 1,52 1 ,76 1,97 2,15 2,31
20 1,09 1,16 1,29 1,38 1,45 1,49 1,50
30 1,05 1,09 1,14 1,15 1,15 1,13 1,08
40 1,02 1,03 1,03. 1,00 0,95 0,88 0,81
50 0,99 0,98 0,93 0,86 0,78 0,70 0,61
60 0,97 0,93 0,84 0,74 0,65 0,55 0,46
70 0,94 0,88 0,76 0,64 0,53 0,42 0,33
80 0,91 0,83 0,67 0,53 0,41 0,31 0,22
90 0,87 0,76 0,57 0,41 0,29 0,19 0,12
95 0,84 0,71 0,49 0,33 0,21 0,13 0,07
97 0,81 0,68 0,45 0,28 0,17 0,10 0,05
99 0,79 0,62 0,37 0,21 0,12 0,06 0,03
51
Продолжение табл. 3 3
1 2 3 4 5 6 7 8
и и »=4
0,01 1,51 2,20 4,35 7,70 11,40 15,60 20,71
0,03 1,45 2,05 3,85 6,35 9,15 12,25 15,99
0,05 1,40 1,97 3,60 5,75 8,20 10,90 13,99
0,1 1,38 1,87 3,29 5,07 7,02 9,25 11,65
0,3 1,34 1,73 2,81 4,09 5,46 6,94 8,53
0,5 1,30 1,67 2,60 3,69 4,81 6,02 7,31
1 1,25 1,58 2,34 3,17 4,01 4,90 5,82
3 1,19 1,43 1,92 2,44 2,90 3,35 3,84
5 1,17 1,36 1,75 2,11 2,45 2,77 3,07
10 1,11 1,26 1,51 1,72 1,90 2,05 2,18
20 1,08 1,15 1,26 1,34 1,40 1,42 1,43
30 1,05 1,08 1,12 1,13 1,12 1,09 1,06
40 1,02 1,03 1,01 0,97 0,93 0,87 0,81
50 0,99 0,98 0,92 0,85 0,78 0,71 0,63
60 0,97 0,93 0,84 0,75 0,66 0,57 0,49
70 0,94 0,88 0,76 0,65 0,55 0,46 0,38
80 0,91 0,83 0,68 0,55 0,45 0,36 0,27
90 0,88 0,77 0,59 0,44 0,33 0,25 0,18
95 0,85 0,72 0,52 0,37 0,26 0,18 0,12
97 0,83 0,69 0,48 0,33 0,23 0,15 0,10
99 0,80 0,64 0,42 0,27 . 0,17 0,11 0,06
Т а б л ] !1 ц а 3.4
Год Максимальный расход Q, м3/с Q А'2 Вычисления
1 2 3 4 5
1925 1565 1,04 1,08
1926 3020 2,02 4,09 36 015 1) 24 — 1505 м3/с;
1927 750 0,50 0,25
1928 1295 0,86 0,74
1929 1510 1,00 1,00
1930 1931 860 2275 0,57 1,52 0,33 2,31 2) Ктщ = 0,25;
1932 2820 1,88 3,54
1933 1275 0,85 0,72 г , /29,99—24 1/ ’
1934 1655 1,10 1,21
1935 620 0,41 0,17 V 23
1936 850 0,56 0,31 = 0,51;
1937 1730 1,16 1,34
1938 1939 745 1010 0,49 0,67 0,24 0,45
1940 4) - 1_о,25 ~1,35
1655 1,10 1,21
1941 370 0,25 0,06
1942 745 0,49 0,24
§2
Продолжение табл. 3.4
1 2 3 4 5
1943 1775 1,19 1,41
1944 2565 1,72 2,95
1945 1510 1,00 1,00
1946 1835 1,23 1,50
1947 735 0,49 0,24
1948 2845 1,90 3,60
п п
л—24 22 <2=36 015 2/<=24 2 №=29,99
Преобразуя формулу (3.9), получим:
Qp — Qcp + cAp^ = Qcp + °^. (3.10)
Вероятная ошибка определения Qp будет равна среднеквадра-
тичной ошибке суммы, стоящей в правой части последнего равен-
ства. Следовательно,
AQp=/(AQcp)2 + <Z>’(Ao)2. (3.11)
Вероятные ошибки вычисления средней величины максимальных
расходов и среднеквадратичного их отклонения от среднего значе-
ния даются теорией вероятностей:
АГ> , 0,674а . , 0,674а
]/7Г У
При этом вероятная ошибка определения расхода равна
AQ = ± 21^. ]/2-|-02= + .°’674?СРС^ У2(3.12)
У 2п У 2п
Формулой (3.12) учитываются только ошибки, связанные с оп-
ределением параметров ряда расходов по ограниченному числу
наблюдений за режимом стока. Погрешности, появляющиеся в свя-
зи с расхождением фактического ряда натурных данных о макси-
мальных расходах с биноминальной кривой вероятности, остаются
неучтенными, так как величина табличной функции Ф8 считается в
этом расчете безошибочной.
Формула (3.12) дает среднюю ошибку, которая, вероятно, бу-
дет превышена большими ошибками в 50% случаев. Если необхо-
димо найти ошибку, превышаемую реже, то в формулу (3.12) сле-
дует ввести коэффициент а>1, величины которого даются теорией
вероятностей в зависимости от вероятности превышения ошибки.
Обычно эту вероятность принимают равной 0,3, т. е. 30%, чему со-
ответствует а = 1,5, и пользуются формулой
iQ (3.13)
У2п
53
Величина AQP вводится со знаком плюс как поправка к значе-
нию расхода Qp, определяемому по формуле (3.9), и называется
гарантийной поправкой, т. е. гарантирующей от появления значи-
тельных ошибок в связи с неточным определением параметров ряда
расходов. Выражение максимального расхода расчетной вероятно-
сти превышения получает вид:
(3.14)
Обычно считают, что ошибка в вычислении расхода более 20%
недопустима; если величина AQp>0,2Qp, то данные для расчета счи-
таются недостаточными, а расчет недостоверным.
Из формулы (3.14) легко может быть выведена формула числа
лет наблюдений за режимом водотока, обеспечивающего малую,
заранее заданную погрешность:
Л'С*(2 + Ф|)
(1+Cp05)2
В этой формуле числовой коэффициент Д'
(3.15)
равен 12,5 при наибольшей допустимой погрешности 20% или ра-
вен 50, если допустимая погрешность принимается равной 10%.
Чем меньше расчетная вероятность превышения максимального
расхода, тем больше табличная функция и тем большее число
лет необходимо наблюдать (при прочих равных условиях) за ре-
жимом водотока, чтобы надежно определить величину расчетного
максимального расхода. С другой стороны, необходимый срок изу-
чения режима тем меньше, чем меньше вариация ряда расходов,
т. е. чем уже пределы их изменений. Для очень малых значений Cv
п равно весьма малой величине. Однако, чтобы надежно вычислить
коэффициент вариации, входящий в формулу (3.15), необходим
некоторый минимум наблюдений. Практика расчетов показывает,
что стабильное значение средней величины максимального расхода
достигается при я=10 годам наблюдений, а стабильное значение
коэффициента вариации — только при п=15. Последней цифрой и
ограничивается наименьшая продолжительность наблюдений в тех
случаях, когда расчет по формуле (3.15) дает п< 15.
Для правильного определения параметров ряда расходов важ-
но, чтобы период наблюдений охватывал как маловодные, так и
многоводные годы. Только в этом случае может быть установлена
фактическая изменчивость высот половодий, характерная для дан-
ного водотока, поэтому в последнее время (СН 435—72) рекомен-
дуется считать надежными расчеты на основании натурных данных
лишь за 25—50 лет, привлекая для этой цели данные по рекам-
аналогам.
Определение максимальных расходов с расчетной вероятностью
превышения удобно выполнять в табличной форме. Пример такого
54
Таблица 3.5
р ^Ср> М8/С Cv п лег Qp, м3/с по формуле (3-14) AQp, м3/с по формуле (3.13) А9Р п лет ио формуле (3.15)
Qp-^p
0,01 1505 0,51 1,36 24 3,25 4380 392 0,098 6(15)
0,0033 1505 0,51 1,36 24 4,05 5250 475 0,099 6(15)
расчета приведен в табл. 3.5, где определены величины макси-
мальных расходов с вероятностью превышения 1 : 100 (0,01) и
1 : 300 (0,0033).
В данном случае фактическая продолжительность наблюдений
п = 24 годам оказывается достаточной, так как необходимая про-
должительность по формуле (3.15) оказалась равной всего 6 годам
и даже с учетом приведенного выше ограничения —15 годам.
За период 24 года наблюдались как очень большой (3020), так и
очень малый (370) расходы воды.
Вследствие недостаточной изученности водотоков при проекти-
ровании мостовых переходов нередко возникает задача искусствен-
ного удлинения ряда непрерывных наблюдений за режимом реки.
Такое удлинение до необходимых пределов, определяемых форму-
лой (3.15) или требованиями СН 435—72, выполняется обоснован-
но и беспрепятственно, если на том же водотоке, но вне места пе-
рехода имеется гидрометеорологическая станция с достаточно дли-
тельным сроком наблюдений. В этих условиях можно построить
кривую связи расходов в двух створах реки (рис. 3.2, а) и, пользу-
ясь ею, определить, какие максимальные расходы проходили в мес-
те перехода реки в те годы, когда наблюдения за режимом стока
здесь еще не велись.
Особенно точно может быть построена кривая связи, если в обо-
их створах реки был зафиксирован самый большой максимальный
расход. Такие высокие половодья обычно приносят известные по-
вреждения сооружениям, затопляют населенные пункты и т. д.
Поэтому отметки уровня воды
при особенно высоких поло-
водьях часто фиксируются на
зданиях и других предметах.
Например, на р. Волге во мно-
гих пунктах зафиксировано
очень высокое половодье в
1719 г., на Оке в 1820 г. и т. д.
Имея кривые расхода по обо-
им пунктам, для которых стро-
ится кривая связи, нетрудно
перейти от этих отдельно за-
фиксированных уровней к со-
ответствующим им расходам.
В этом случае отпадает необ-
Рис. 3.2. Кривые связи водомерного по-
ста с местом перехода:
а — с экстраполяцией до наивысшего уровня;
б — с зафиксированным наивысшим уровнем
в обоих створах
55
ходимость экстраполяции кривой связи (см. рис. 3.2, а) и можно
ограничиться более точной ее интерполяцией (рис. 3.2, б).
Однако условия, необходимые для построения кривой связи мак-
симальных расходов, имеются не всегда. В ряде случаев наблюде-
ния за режимом водотока ведутся всего в одном пункте. При этом
можно удлинить ряд наблюдений, пользуясь одним приближенным
приемом.
Если кроме непрерывных наблюдений, продолжительность кото-
рых недостаточна, вне этого периода зафиксирован еще хотя бы
один очень высокий уровень и известен соответствующий ему рас-
ход, то предполагают, что средняя величина расхода и коэффици-
ент вариации справедливы также для периода между годом очень
высокого половодья и началом непрерывных наблюдений, т. е. для
периода, когда наблюдения еще не велись. При этом уточненные
значения средней величины максимального расхода и коэффициента
вариации определяют с учетом очень высокого половодья, пользу-
ясь приведенными ниже формулами.
Обозначая п— число лет непрерывных наблюдений за режимом
реки, a N — продолжительность всего периода, охватывающего как
год фиксации высокого половодья с расходом Qo, так и годы не-
прерывных наблюдений, получаем новые выражения для Qcp и Cv\
N — 1 п
Qo +------2Q
Qcp---------J------; (3.16)
п
(3.17)
При этом отношения расходов К =
(3.17), вычисляются по значению Qcp?
(3.16).
1
Q А.
——, входящие в формулу
Qcp
определяемому формулой
В связи с тем, что для вычисления устойчивого значения сред-
ней величины максимальных расходов достаточно иметь данные
всего за 10 лет наблюдений, учет даже очень большого половодья
почти не сказывается на величине Qcp, определенной только по ко-
роткому ряду наблюдений. Величина Qcp может существенно изме-
ниться, если непрерывный ряд наблюдений очень короткий. В тех
случаях, когда непрерывный ряд наблюдений достаточен для вычис-
ления устойчивого значения Cv 15), то и этот параметр кривой
вероятностей не изменится. Так, например, для расчета, сведенного
в табл. 3.4, при учете катастрофического половодья 1898 г. с рас-
ходом Qo = 322O м3/с получим следующие данные я = 24, ;V = 51 и
50
3220 + — 36015
Qcp =-----------------------1535 м3/с,
51
т. е. отклонение не превышает 2% от 1505 м3/с.
56
Таблица 3.&
Год Максимальный расход Q, м3/с Q «ср № Вычисления
1925 1565 1,02 1,04 4* 50 „„ _
1926 3020 1,96 3,85 1)У№=—28,62+4,40=
1927 750 0,49 0,24 24
=64,10;
1928 1295 0,85 0,72
1929 1510 0,98 0,96 / «л in 41 0
1930 860 0,56 0,31 2) С„=1/
1931 2275 1,48 2,20 V 50,0
=0,51;
1932 2820 1,84 3,40
1933 1275 0,83 0,69 3) Kmln = 0,24;
1934 1655 1,08 1,16
1935 620 0,40 0,16
1936 850 0,55 0,30 „ 2x0,51
1937 1730 1,13 1,27 4) Сс= = 1,34- ' s 1—0,24
1938 745 0,48 0,23
1939 1010 0,66 0,43
1940 1655 1,08 1,16
1941 370 0,24 0,06
1942 745 0,48 0,23 5) Qcp = 1535 мз/с
1943 1775 1,16 1,34
1944 2565 1,67 2,79
1945 1510 0,98 0,96
1946 1835 1,20 1,ч4
1947 735 0,48 0,23
1948 2845 1,86 3,45
24 24
/7=24 2 Q—36015 — 2 №=28,62
1898 3220 1 2,10 | 4,40
Данные для расчета нового значения Cv сведены в табл. 3.6.
В рассмотренном примере при и = 24 и М=51 коэффициент ва-
риации сохранил величину Cv = 0,51 (отклонение 0%), а коэффици-
ент асимметрии изменился всего лишь на 1,5%.
Прогноз максимальных расходов может быть выполнен не толь-
ко изложенным выше аналитическим способом, но и графоаналити-
ческим, т. е. с графической экстраполяцией на малые вероятности
превышения. Однако надежная экстраполяция с изображением кри-
вой вероятности при равномерных шкалах на осях р и Q неосущест-
вима в связи с резким подъемом и криволинейным очертанием ле-
вой (верхней) ветви кривой. Поэтому для графической экстраполя-
ции кривой вероятности ее строят на специальных клетчатках, на-
зываемых клетчатками вероятности, на которых эта кривая вы-
прямляется, аналогично тому как на логарифмической бумаге вы-
прямляется график степенной функции.
57
10 30 W 50 50 10 80 90 95 99 99,9 99,9%
5
s’)
Рис. 3.3. Клетчатка вероятностей с равномерной (а) и логарифмической (б) осью расходов
Неравномерная функциональная шкала на горизонтальной оси
так называемой клетчатки нормального распределения (рис, 3.3)
строится по уравнению биноминальной кривой при Cs=0 и С^ = 0.
Точки, соответствующие данным фактических наблюдений за ре-
жимом реки, располагаются на прямых, если Cs = 0, или на очень
пологих вогнутых кривых, если Cs>0.
Наклон этих прямых и кривых к горизонтальной оси тем боль-
ше, чем больше Сг. Пологие кривые и тем более прямые позволяют
выполнять довольно точную непосредственную экстраполяцию. При
графической экстраполяции не задаются типом уравнения кривой
вероятности, т. е. ошибка от применения какого-либо обязательного
уравнения кривой может быть уменьшена или полностью устранена.
С вертикальной осью расходов на клетчатке нормального рас-
пределения совмещается или равномерная шкала (рис. 3.3, а),
пригодная для рядов наблюдений с небольшими коэффициентами
вариации, или логарифмическая шкала (рис. 3.3, б), используемая
при значительной амплитуде колебаний максимальных расходов.
Точки, которые изображают наблюдавшиеся величины расходов,
наносят на клетчатку нормального распределения в соответствии
с эмпирической вероятностью их превышения, вычисляемой по фор-
муле (3.2). На рис. 3.3, а показана графическая экстраполяция ряда
непрерывных наблюдений, данные по которому за период п = 24
Таблица 3.7
Порядковый номер т Рз~^Т Ранжированный ряд расходов Год наблюдения Примечание
0,04 3020 1926 п=24;
2 0,08 2845 1948
3 0,12 2820 1932
4 0,16 2565 1944
5 0,20 2275 1931 п+1—25.
6 0,24 1835 1946
7 0,28 1775 1943
8 0,32 1730 1937
9 0,36 1655 1934
10 0,40 1655 1940
11 0,44 1565 1925
12 0,48 1510 1929
13 0,52 1510 1945
14 0,56 1295 1928
15 0,60 1275 1933
16 0,64 1010 1939
17 0,68 860 1930
18 0,72 850 1936
19 0,76 750 1927
20 0,80 745 1938
21 0,84 745 1943
22 0,88 735 1947
23 0,92 620 1935
24 0,96 370 1941
«0
Таблица 3.8
Координаты клетчатки нормального распределения
абсциссы ординаты
вероятность превышения расстояние от середины, мзд К равномерная шкала, мм лог арифмическая шкала, мм
0,0001 80,5 0,0 0,0
0,0002 76,7 0,1 2,5 —
0,0005 71,0 0,2 5,0 —-
0,0010 66,5 0,3 7,5 0
0,0020 61,8 0,4 10,0 14,0
0,0050 55,4 0,5 12,5 25,0
0,0100 50,0 0,6 15,0 33,9
0,0200 44,2 0,7 17,5 41,4
0,0400 37,7 0,8 20,0 47,9
0,0500 35,4 0,9 22,5 53,6
0,1000 27,6 1,0 25,0 58,8
0,2000 18,1 1,2 30,0 67,8
0,3000 11,3 1,4 35,0 75,3
0,4000 5,5 1,6 40,0 81,8
0,5000 0,0 1,8 45,0 87,6
0,6000 5,5 2,0 50,0 92,7
0,7000 11,3 2,5 62,5 103,6
0,8000 18,1 3,0 75,0 112,5
0,9000 0,9200 0,9400 0,9800 0,9900 0,9950 0,9990 27,6 30,2 33,4 44,2 50,0 55,4 66,5 3,5 87,5 120,0
Примечание. Горизонтальный размер клетчатки 147 мм. Вертикальный размер
клетчатки 88—120 мм.
года приведены в таблицах 3.4 и 3.5. Эмпирическая вероятность
превышения расходов, расположенных в ранжированный ряд, под-
считана в табл. 3.7.
Величины максимальных расходов расчетной вероятности превы-
шения, полученные способом графической экстраполяции, оказа-
лись равными: при р = 0,01 Qp = 4380 м3/с ; при р = 0,0033 Qp=
= 5150 м3/с. Расхождение с данными табл. 3.5 составляет соответ-
ственно 0 и 2%.
Клетчатки вероятности изготовляются типографским способом.
При необходимости такая клетчатка может быть изготовлена по
данным табл. 3.8, где даны абсциссы и ординаты клетчаток нор-
мального распределения с равномерной и логарифмической верти-
кальными шкалами.
Пользуясь клетчаткой вероятности легко выбрать соотношение
коэффициентов асимметрии и вариации для использования расчет-
ных кривых С. Н. Крицкого и М. Ф. Менкеля (табл. 3.2), сравнивая
фактическое положение точек с несколькими кривыми, построенны-
ми по табличным данным. В этом случае возможен и выбор кривых
с промежуточными значениями соотношений, например: CS = 3,5CV.
61
§ 3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ВОДЫ И СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ,
СООТВЕТСТВУЮЩИХ МАКСИМАЛЬНЫМ РАСХОДАМ t'
Для проектирования мостовых переходов необходимо знать не
только величины максимальных расходов, но и подъем уровня воды,
а также скорости течения при расчетных половодьях. Если известен
максимальный расход половодья, т. е. первичный фактор, опреде-
ляющий режим водного стока свободной реки в месте предполагае-
мой постройки мостового перехода, то отметку уровня воды и ско-
рость течения можно определить по кривым расхода и скорости.
Последние строят на основании непосредственных гидрометриче-
ских измерений, проводимых методами, изучаемыми в курсе гид-
рометрии. Следует иметь в виду, что если величина расхода поло-
водья практически не зависит от очертания поперечного сечения
долины в месте расположения проектируемого мостового перехода,
то скорость течения и наполнение долины (т. е. подъем уровня воды)
в сильной степени связаны с местными характеристиками долины:
шириной, уклоном, шероховатостью. Поэтому гидрометрические
кривые, построенные для одного участка (сечения) реки, нельзя
использовать при проектировании сооружений на другом участке,
за исключением случаев, когда местные характеристики этих уча-
стков полностью идентичны.
Гидрометрические работы редко удается провести в год наивыс-
шего половодья, тем более они не могут быть проведены в год рас-
четного половодья, которое, как правило, на реке еще не наблюда-
лось. Поэтому для определения уровней и скоростей течения кривые
расхода и скорости должны быть предварительно экстраполированы
за пределы того наивысшего уровня воды, при котором проводи-
лись гидрометрические измерения.
Кривые расхода H = f(Q) петлеобразны (см. § 2.2), т. е. связь
между уровнем воды и расходом неоднозначна и различна для пе-
риодов подъема и спада половодья. Однако разница между наивыс-
шим уровнем половодья и уровнем, соответствующим максималь-
ному расходу, обычно очень невелика, что позволяет считать зави-
симость H = f(Q) практически однозначной.
Но даже делая такое допущение, трудно выполнить непосредст-
венную графическую экстраполяцию кривой расхода, так как точки,
по которым проводится эта кривая, характеризуются незначитель-
ным разбросом, и тем большим, чем за большее число лет наблюде-
ний используются гидрометрические данные. Этот разброс закономе-
рен и объясняется неодинаковой высотой половодий в разные годы,
в связи с чем одному и тому же уровню часто соответствуют разные
уклоны, величина которых зависит от максимального подъема уров-
ня во время половодья. Можно устранить такой разброс точек, а
вместе с ним петлеобразное очертание кривой, т. е. двузначность
зависимости H = если строить кривую расхода не по величи-
нам расходов, а по величинам расходных характеристик Л=<2:У/.
Чтобы не оперировать огромными цифрами расходных характе-
ристик потока (что определяется очень малыми значениями укло-
62
нов), можно величины этих ха-
рактеристик заменить величина-
ми где I — расстояние, на
длине которого измеряется уклон
реки. Это расстояние обычно зна-
чительно, например расстояние
между двумя водомерными поста-
ми. Таким образом, если обозна-
чить падение свободной поверхно-
сти на длине I через Аг, то кри-
вые расхода для устранения раз-
броса точек и для получения од-
нозначной зависимости необходи-
Рис. 3.4. Приведение двузначной свя-
зи расходов и уровней к однозначной
мо строить в координатах:
^=/(-М=/т (3.18)
\ V\z /
На рис. 3.4, а показана кривая расхода в обычных координатах,
характеризуемая значительным разбросом точек, и та же кривая,
построенная в приведенных координатах (3.18), в связи с чем раз-
брос точек почти исчез (рис. 3.4, б). Уклоны или соответствующие
им падения Az должны учитываться фактически наблюдавшиеся во
время каждого из гидрометрических измерений.
После устранения разброса точек для экстраполяции кривых
расхода можно пользоваться как графическим простейшим, так и
графоаналитическим приемом с подбором эмпирических уравнений
(формул).
Кривая расхода для реки с поймами характеризуется резким пе-
реломом в начале работы пойм и состоит из двух частей: нижней I
и верхней II, подлежащей экстраполяции. Рекомендуемой эмпири-
ческой зависимостью для графоаналитической экстраполяции верх-
ней части кривой расхода является уравнение политропы
(3.19)
где М, HQ и х — постоянные, причем величина показателя степени
зависит от соотношения руслового и пойменного расходов при
высоких уровнях воды.
Для определения трех постоянных параметров уравнения (3.19)
принципиально требуется знать всего три значения расходов Q и
соответствующих им уровней воды Н. Но так как гидрометрические
измерения и обработка их результатов производятся с некоторой
погрешностью, то для определения параметров уравнения (3.19)
следует использовать большее количество данных.
Параметр Но проще всего определить по трем парам значений
Qz и Н. Для этого удобно выбрать два значения Qzi и Qz2, близкие
к нижнему и верхнему концам кривой расхода, а третий расход
взять равным среднему геометрическому из первых двух, т. е.
Qz3 = VO.z\Qz^ Уровни, соответствующие этим трем расходам
Hi, Н2, Й3, определяются по плавной кривой, проведенной по на-
63
турным точкам. Зная, что кривая расхода аналитически выражает-
ся уравнением политропы (3.19), можем записать:
ж (//3 - W=М
или (Н3 — 7/0)2={Н1 — На)(Н2 — Н0).
Отсюда следует
Я1ЛГ2— н*
Нх + Н2—2Нз‘
(3.20)
Два других параметра определяются посредством логарифми-
ческой анаморфозы с использованием данных многочисленных из-
мерений расходов при различных уровнях воды.
Логарифмируя правую и левую части уравнения (3.19), полу-
чаем
]gQ^lgAf + xlg(//-Яо). (3.21)
Если уравнение политропы по своим свойствам близко к зави-
симости уровня воды Н от приведенного расхода Qz, то точки, соот-
ветствующие парам значений lg Qz и lg(//—Яо), должны располо-
житься близко к прямой линии, описываемой уравнением (3.21).
Как показывает практика проектирования, эти точки действительно
ложатся на прямую.
Параметры Мих достаточно точно определяются графическим
приемом, причем показатель степени х равен тангенсу угла накло-
на прямой к оси lg (Н—Но), a IgM равен длине отрезка от начала
координат до точки пересечения прямой, проведенной по точкам,
с осью lg Qz. Для быстроты построения кривой расхода в логариф-
мических координатах по уравнению (3.21) следует пользоваться
логарифмической бумагой.
Величина Az = const при максимальных расходах половодий раз-
ной высоты, поэтому переход от величины Qz к расходу Qp для рас-
четного половодья не представляет затруднений.
При построении кривых скорости необходимо иметь в виду, что
в различных частях одного и того же поперечного сечения речной
долины скорости сильно разнятся, так как формируются в различ-
ных условиях. Скорости пойменного потока малы и характеризуют
режим протекания потока при большой шероховатости неподвиж-
ного дна. Скорости течения воды в русле обычно значительны. Дно
русла сложено наносами, перемещающимися в паводок, и харак-
теризуется меньшей шероховатостью, чем поймы. Поэтому кривые
средней скорости для всего сечения потока при половодье, когда
залиты и поймы, не могут считаться характерными. Для решения
ряда проектных задач необходимо строить раздельные кривые сред-
ней скорости для русла и для каждой поймы.
Кривые скорости дают явно двузначную зависимость v = f(H),
и отличие наивысшего уровня от уровня, при котором наблюдается
64
максимальная скорость, обычно значительно. Устранение петлеоб-
разного очертания кривой скорости и одновременно разброса на-
турных точек достигается тем же приемом, что и для кривых рас-
хода. Вместо зависимости v = f(H) строится кривая
(3.22)
Vkz
Экстраполяция однозначной приведенной зависимости vz=f(H)
производится по уравнению политропы при показателе степени
х=2/3
(3.23)
Параметры политропы определяются аналогично тому, как из-
ложено при описании экстраполяции кривой расхода.
По экстраполированной кривой = нетрудно найти ско-
рость при наивысшем уровне половодья, соответствующем макси-
мальному расходу с расчетной вероятностью превышения. Однако
это не будет максимальной скоростью для расчетного половодья,
которая наблюдается при более низком уровне и большем паде-
нии Az.
Отыскать такой уровень и определить величину максимальной
скорости по кривой vz=f(H) довольно трудно. Поэтому обычно
определяют только скорость течения при наивысшем уровне поло-
водья и устанавливают коэффициент перехода от этой скорости к
наибольшей по данным непосредственных намерений при несколь-
ких паводках. Чаще всего этот коэффициент оказывается не зави-
сящим от высоты половодья.
В большинстве случаев створ, по которому наблюдают за уров-
нями и расходами реки, не совпадает со створом проектируемого
мостового перехода. Поэтому после определения характеристик
расчетного половодья для створа, где велись наблюдения (створ
водомерного поста гидрометеорологической станции), необходимо
установить эти же характеристики для места расположения проек-
тируемых сооружений.
Если расстояние от водомерного поста до мостового перехода
невелико, так что разница в площадях водосбора для двух створов
практически незаметна, то величину максимального расхода поло-
водья можно считать одинаковой для обоих створов. При сущест-
венной разнице площадей водосборов необходимо ввести соответ-
ствующий корректив.
Кроме величины расчетного расхода, для проектирования мос-
тового перехода необходимо знать уровень воды, соответствующий
этому расходу.
Приближенно разницу в уровнях воды, соответствующих одно-
му и тому же максимальному расходу половодья, в створах водо-
мерного поста и мостового перехода можно найти по известной ве-
личине уклона при наивысшем уровне половодья. Если невозмож-
но перенести отметку уровня по уклону, то строят кривую связи
уровней в месте длительного их изучения и на проектируемом
3—2869
65
мостовом переходе. Для этого проводят краткосрочные наблюдения
за уровнями в месте пересечения реки дорогой и по соответствен-
ным уровням, одновременно фиксируемым в двух створах реки,
строят кривую связи уровней, аналогичную кривой связи расходов
(см. рис. 3.2, а).
Зная, что при очень высоких половодьях уровни воды меняются
значительно слабее, чем величины максимальных расходов, можно
полагать, что перенос уровней по уклону или по кривой связи уров-
ней будет достаточно надежным.
Какой-либо перенос величин скоростей течения при высоких по-
ловодьях со створа водомерного поста на створ мостового перехода
практически невозможен. Это объясняется тем, что скорость тече-
ния в сильной степени определяется местными условиями. Напри-
мер, в условиях местного сужения речной долины и уменьшения
ширины пойм скорости течения в русле и на пойменных участках в
месте сужения будут значительно отличаться от скоростей на со-
седних участках долины.
Поэтому для точного определения скоростей течения в створе
проектируемого мостового перехода необходимо производить гид-
рометрические наблюдения непосредственно в этом створе (хотя
бы ограничиваясь измерениями только в пределах русла реки) и
строить кривую скорости течения в русле, необходимую для даль-
нейших расчетов.
§ 3.4. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
В ряде случаев отмечается явно недостаточная гидрологическая
изученность водотока, через который должен быть запроектирован
мостовой переход. Чтобы не откладывать проектирование и по-
стройку перехода на длительный срок, необходимый для накопле-
ния натурных данных о режиме водного стока, необходимо прибе-
гать к приближенным гидрологическим расчетам, приемы которых
будут различны в зависимости от того, какие элементы режима ре-
ки еще не изучены.
Если на водомерном посту производились долголетние наблю-
дения за уровнями воды, но гидрометрические паводочные работы,
необходимые для построения кривой расхода и кривой скорости
в русле, еще не были проведены, то в распоряжении проектировщи-
ков оказывается только ряд максимальных уровней.
Каждому максимальному расходу определенной вероятности
превышения соответствует некоторый уровень, характеризумый той
же вероятностью. Поэтому можно статистически обработать ряд
уровней и найти максимальный уровень расчетного половодья. Од-
нако следует иметь в виду, что очертание ранжированных диаграмм
уровней существенно отличается от очертания диаграмм расходов,
т. е. уравнение биноминальной кривой не может быть использовано
для экстраполяции кривой вероятностей максимальных уровней по-
ловодья. Расхождение в очертаниях кривых вероятностей расходов
66
и уровней объясняется тем, что в силу большой ширины разлива
потока при половодьях даже значительное увеличение расхода
приводит к малому, а иногда почти незаметному повышению уров-
ня воды.
Для обработки рядов уровней, характеризуемых обычно отри-
цательной асимметрией, можно использовать клетчатки нормально-
го распределения с равномерной вертикальной шкалой, на которой
по натурным точкам могут быть построены и экстраполированы
кривые вероятностей с отрицательной асимметрией; такие кривые
будут обращены выпуклостью вверх. Натурные уровни наносятся
на клетчатку соответственно эмпирической вероятности их превы-
шения, вычисляемой по формуле (3.2). Экстраполяция кривой до
необходимых значений вероятности превышения выполняется гра-
фически. Применение клетчаток вероятности освобождает от при-
менения эмпирических уравнений кривых, типы которых для рядов
уровней не установлены.
На рис. 3.5 приведен пример определения уровня расчетной
вероятности превышения с помощью клетчатки нормального рас-
пределения. Результативные данные: при /7 = 0,01 Hv~ 189,19 м.
Приближенный прием прогноза высоты половодий следует ис-
пользовать при начальной стадии проектирования. Имеется в виду,
что кривая расхода может быть построена на основании гидромет-
рических работ, выполняемых во время подробных технических
изысканий, перед началом главной стадии проектирования мосто-
вого перехода — технического проекта (см. § 7.1).
Если гидрометрические наблюдения не могут быть выполнены
и кривая расхода останется неизвестной, гидрологический прогноз
характеристик расчетного половодья будет особенно грубым, так
как, кроме погрешностей определения уровня половодий, появятся
погрешности установления расхода воды и скорости течения в рас-
четном створе.
Для приближенного построения кривых расхода и скоростей
течения можно использовать морфометрический способ, заключаю-
щийся в оценке шероховатости русла и пойм по их внешним морфо-
логическим и геометрическим характеристикам и в расчете расхода
и скоростей течения по уравнению равномерного движения.
Расчетному уровню половодья соответствуют расход Q и расход-
ная характеристика («модуль пропускной способности») /C—Q;]//.
Эта характеристика может быть выражена по уравнению равномер-
ного движения воды через геометрические размеры и шероховатость
поперечного сечения потока (рис. 3.6, а):
/С = <орСр ]Ллр-|-V (3.24)
где со — площадь поперечного сечения; h — средняя глубина; С —
коэффициент Шези, обычно выражаемый по формуле Маннинга
А1/16
С=------; индексом «р» обозначены размеры и параметры попе-
речного сечения потока в русле, а индексом «п» — на пойме.
3*
67
шкалой уровней
Знак суммирования в правой части равенства (3.24) означает
не только суммирование расходных характеристик пойменных по-
токов, но и возможное разделение этих потоков на части, характе-
ризуемые разной шероховатостью.
Пользуясь формулой (3.24), задаются несколькими произволь-
ными уровнями воды (наполнениями речной долины), вычисляют
соответствующие расходные характеристики К и строят кривую
расходных характеристик (рис. 3.6, б), по которой затем определя-
ют расчетный расход при наивысшем уровне расчетного половодья.
Распределение максимального расхода половодья по ширине
разлива также может быть найдено из уравнения (3.24). В частно-
сти, относительная величина бытового руслового расхода равна
Qp6 ^рСр V hp (3 25)
и пойменного
ФпОЙМЫ__1 _ 9рб /О
Q “ Q ' 1
Следовательно, зная величину полного расчетного расхода реки
и его распределение между руслом и поймой, можно найти величи-
ны частных расходов:
и QnofiMH=Q-Qp6,
а также средние величины бытовых скоростей течения в русле и на
пойме при расчетном половодье:
т ___ 9рб т __Фпоймы
^рб------И —,
шрб wii6
Необходимые для расчета величины коэффициентов шерохова-
тости русел и пойм «ш и коэффициентов гладкости тг=1: пш приве-
дены в табл. 3.9, составленной д-ром техн, наук Е. В. Болдаковым
в 1956 г.
Рис. 3.6. Схема к морфометрическому расчету:
а — геометрические характеристики поперечного сечения русла и пойм; б — кривая расход-
ных характеристик
69
Таблица 3.9
Морфологические признаки Коэффициент шероховатости
вш
наимень- ший н аиболь- щий средний 1
Русла земляные ровные полуторных рек. Незаросшие поймы 0,025 0,045 0,035 30
Русла земляные извилистые галеч- но-валунные. Суходолы ровные. Пой- мы, заросшие на 10% 0,035 0,050 0,040 25
Русла земляные очень извилистые. Поймы, заросшие на 20% 0,040 0,065 0,050 20
Поймы, заросшие на 50% 0,050 0,100 0,050 15
» » » 70% 0,065 0,170 0,100 10
> » » 100% 0,120 — 0,200 5
Во всех случаях желательна натурная проверка норм коэффи-
циентов шероховатости, для чего можно использовать даже единич-
ные простейшие замеры скоростей течения поплавками, по возмож-
ности при нескольких уровнях воды в реке, сопровождаемые уста-
новлением уклона водной поверхности.
Глава 4
РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ БОЛЬШИХ
И СРЕДНИХ МОСТОВ
§ 4.1. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ОТВЕРСТИЙ МОСТОВ
Мостовой переход можно запроектировать в виде системы со-
оружений, которая не стесняет водного потока или стесняет его
незначительно. Однако без стеснения потока перекрывают мостами
только судоходные и ирригационные каналы или канализованные
реки в городах. В случаях пересечения свободных рек мосты вы-
годно устраивать значительно меньшей длины, чем ширина разлива
потока; часть ширины разлива закрывают незатопляемыми земля-
ными насыпями, располагаемыми на самых мелких частях разли-
ва— поймах. Между насыпями оставляют водопропускное отвер-
стие, перекрываемое мостом, оно называется отверстием моста.
Измеряют отверстие моста (между насыпями) на отметке расчетно-
го уровня воды; оно включает в себя и суммарную ширину опор
моста. Незатопляемые насыпи на поймах являются подходами к
мосту от берегов речной долины; по ним происходит движение ав-
70
томобилей или поездов. Насыпи
заканчиваются конусами, полно-
стью или частично закрывающи-
ми крайние опоры моста — устои.
При стеснении потока под мо-
стом развиваются размывы тем
большие, чем сильнее сжат по-
ток, т. е. чем меньше назначено
отверстие моста. Размывы на мо-
стовых переходах угрожают ус-
тойчивости моста и насыпей под-
ходов, особенно их конусов. Для
обеспечения устойчивости фунда-
менты опор закладывают на глу-
бину большую, чем глубина раз-
мыва, а земляные насыпи защи-
щают от подмыва.
Установлено, что экономически
Рис. 4.1. Связь строительной стоимо-
сти мостового перехода с длиной
моста
наиболее выгодным оказывает-
ся сильное сжатие реки, т. е. возможно малое отверстие моста при
значительных размывах. Это объясняется тем, что при увеличении
степени стеснения реки не только сокращается длина дорогих про-
летных строений, заменяемых более дешевой насыпью проходов,
но и уменьшается число опор моста, хотя наименьшая допустимая
глубина заложения их фундаментов несколько возрастает. Прин-
ципиальный вид кривой суммарной строительной стоимости всех
сооружений мостового перехода показан на рис. 4.1. Кривая может
быть построена теоретическим путем. Разрывы функции соответст-
вуют смене типов оснований и фундаментов опор моста. При сту-
пенчатом очертании графика появляются зоны экономически невы-
годных длин моста (заштрихованы), которые при вариантном про-
ектировании не должны использоваться, так как это может при-
вести к неверному определению минимума стоимости (см. рис. 4.1).
Длина моста не может быть меньше, чем Лщщ, которая опреде-
ляется техническими требованиями норм и правил проектирования
мостов (ограничение степени стеснения из-за возможной неравно-
мерности размыва, запрещение располагать конусы насыпи в рус-
лах равнинных рек, ограничение скорости течения под мостами че-
рез судоходные реки и т. д.). Если этой длине соответствует наи-
меньшая стоимость перехода, т. е. значение Lmin не попадает в за-
штрихованную зону (см. рис. 4.1), то величина Апнп должна быть
принята в проекте (она окажется самой экономичной).
Чтобы при конкретном проектировании оценить стоимость ва-
риантов мостового перехода с различными величинами водопро-
пускного отверстия, для каждого из них необходимо установить глу-
бину заложения фундаментов и тип основания опор моста, а также
высоту насыпей на поймах. Минимальная допустимая глубина за-
ложения фундаментов определяется возможными размывами при
сжатии реки и переформированиями русла. Наименьшая высота
насыпей определяется уровнем воды при расчетном паводке и до-
71
полнительным подъемом этого уровня у насыпей вследствие стесне-
ния реки сооружениями мостового перехода.
Переформирования русел, свойственные рекам в свободном со-
стоянии и не связанные с постройкой мостового перехода, назы-
ваются природными русловыми деформациями; их вид соответст-
вует типу реки.
Стеснение водотока подходами к мосту приводит к увеличению
скорости течения воды в сжатом подмостовом сечении потока и к
общему понижению дна русла, а в некоторых случаях и поверхно-
сти поймы под мостом. Эти деформации русла и поймы носят на-
звание общего размыва.
Поток, набегающий на опору моста как на препятствие, обтека-
ет ее. При этом в потоке появляются нисходящие течения, размы-
вающие дно на ограниченном пространстве непосредственно в мес-
те набега водного потока на опору. Такие дополнительные размывы
называются местными.
Понижение дна у опоры, вызываемое тремя различными причи-
нами, называется суммарным размывом и определяется как ариф-
метическая сумма трех составляющих размыва. Глубина после
размыва у опоры равна
Ар = -|- ДАоб -|- ДАместн, (4,1)
где Аб — наибольшая глубина, устанавливающаяся у опоры в про-
цессе природных изменений русла (так называемая бытовая
глубина); ДАОб — приращение глубины (общий размыв), вызван-
ное стеснением водотока подходами к мосту; ДАместн — допол-
нительное приращение глубины в связи с местным размывом у
опоры.
Природные изменения речных русел происходят непрерывно
и не связаны с проходом обязательно высоких паводков. Общий
размыв тем больше, чем выше паводок; расчетному паводку соот-
ветствует наибольшая глубина общего и местного размывов.
Наибольшая бытовая глубина наблюдается в момент постройки
мостового перехода у одной из опор моста. Если большой паводок
пройдет вскоре после постройки моста, то значительные общий и
местный размывы могут существенно увеличить глубину именно у
этой опоры и ее фундамент будет обнажен после размыва. Если боль-
шого паводка не будет долго после постройки моста, то бытовая
глубина у данной опоры за это время может намного уменьшиться,
в процессе природных изменений русла; поэтому при проходе боль-
шого паводка фундамент опоры будет обнажаться незначительно.
Наибольшая глубина после размыва будет наблюдаться в этом
случае уже у другой опоры, в район которой переместилась наи-
большая бытовая глубина.
В связи с тем, что чередование высот паводков случайно (см.
гл. 3) и год прохода расчетного паводка неизвестен, необходимо
каждую из опор проектировать в предположении, что около нее к
моменту прохода высокого паводка размещается та наибольшая
72
бытовая глубина, которая может возникнуть у данной опоры соот-
ветственно типу реки. Таким образом, во время прохода высокого
паводка наибольшие возможные расчетные глубины потока, по ко-
торым назначаются минимальные‘необходимые глубины заложе-
ния фундаментов, будут наблюдаться не у всех опор моста одно-
временно, а только у некоторых (или у одной) из них.
В некоторых случаях глубину заложения фундаментов опор
принимают больше минимально допустимой в связи с неблагопри-
ятными геологическими условиями. Обычно при этом всем вариан-
там отверстия моста соответствует практически одинаковая глу-
бина заложения фундаментов. Чаще всего это случаи, когда фун-
даменты опор располагают на глубоко залегающих коренных поро-
дах речной долины из-за невозможности использовать в качестве
основания опор аллювиальные грунты малой прочности.
Для установления минимальной необходимой высоты подходов
к мосту надо определить изменение уровня воды под действием
стеснения реки сооружениями мостового перехода. Очертание сво-
бодной поверхности потока, которая до постройки мостового пере-
хода может быть представлена в виде наклонной плоскости, суще-
ственно изменяется под влиянием сжатия реки подходами к мосту.
В сжатом подмостовом сечении потока средняя скорость течения
увеличивается, следовательно, кинетическая энергия потока под
мостом будет больше бытовой. Приращение кинетической энергии
потока* под мостом обеспечивается накоплением потенциальной
энергии в сечениях потока перед мостом, т. е. повышением (подпо-
ром) уровня воды в этой зоне потока. Очевидно, что бровка неза-
топляемой пойменной насыпи даже минимальной высоты должна
быть выше этого подпертого уровня воды.
§ 4.2. УЧЕТ ПРИРОДНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ РУСЕЛ РЕК
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Определение наибольших возможных бытовых глубин речного
потока у различных опор моста называется прогнозом природных
русловых деформаций. Природные деформации соответствуют ти-
пу реки.
Современный процесс формирования речного русла, т. е. выра-
ботка его форм и размеров, называется русловым процессом. Глав-
ная составная часть этого процесса — непрерывное взаимодействие
водного потока с подвижным дном русла.
Это взаимодействие приводит, с одной стороны, к образованию
характерных форм рельефа дна, отвечающих структуре турбулент-
ного речного потока, а с другой — к формированию паводочного
скоростного поля потока, соответствующего вырабатываемым фор-
мам дна русла.
Как видно из рис. 4.2, взвешенные и донные руслоформирующие
наносы размещаются по ширине русла неравномерно. Взвешенные
наносы (GB) в основном проходят в зоне наибольших, а донные в
73
Рис. 4 2. Кривые элементарных рас-
ходов взвешенных и донных русло-
формирующих наносов
зоне наименьших глубин (бд).
Эта неравномерность глубин
является результатом действия
поперечной циркуляции, воз-
никающей в потоке под влия-
нием волн донных наносов и
центробежных сил на поворо-
тах русла.
Мелкие места на ширине
дна русла представляют собой
крупные скопления совместно
перемещающихся донных на-
носов. В зависимости от места
расположения эти крупные
скопления носят названия: по-
бочни (если прижаты к берегу
русла), осередки и отмели (ес-
ли с берегом не смыкаются), и
образуют характерные формы
поперечных сечений русел рек, рассмотренные ниже.
В результате взаимодействия двух фаз потока устанавливают-
ся формы и размеры русла, отображающие те современные усло-
вия, в которых протекает русловый процесс.
Несмотря на практически бесчисленное множество комбинаций
числовых характеристик условий, в которых происходит формиро-
вание русел, количество типов русел ограничено. Число возможных
типов речных русел можно установить теоретически; характеристи-
ки условий руслоформирования могут быть сведены в малое число
физически различных групп, каждой из которых соответствует одна
определенная русловая форма.
Выделим участок речного русла ограниченной длины, находя-
щийся длительное время в однообразных гидрологических условиях,
в связи с чем его средние размеры не меняются. На этот участок
сверху по течению поступают вода с расходом Q и руслоформиру-
ющие наносы, суммарный расход которых по всей ширине дна русла
обозначим через G. Русло, врезанное на большей части длины реки
в отложения аллювия, на равнинных реках ограничено берегами,
сложенными пойменными грунтами. Как отмечалось выше, в соста-
ве пойменных грунтов есть не только руслоформирующие наносы,
поступающие на этот участок в результате разрушения коренных
пород в верховьях реки, но и нерусловые, значительно более мел-
кие наносы, приносимые водным потоком с водосбора. Поэтому
грунты, слагающие берега русла, отличаются чаще всего некоторой
связностью.
Сопротивляемость этих грунтов размыву может быть оха-
рактеризована величиной размывающей скорости иЫер. Факти-
ческая скорость протекания водного потока в речном русле v мо-
жет в отдельные периоды отличаться от иНер в связи с тем, что вод-
ный сток меняется во времени.
74
Три геометрические характеристики русла обозначим: В — сред-
няя ширина; Н — средняя глубина; / — уклон.
Некоторые из шести названных характеристик речного потока
являются внешними для данного участка реки, другие формиру-
ются в местном русловом процессе. В зависимости от того, что за
участок реки рассматривается, меняется состав характеристик
внешних условий формирования, но одна из них — расход водного
потока Q — обязательно остается внешним фактором для любого
участка. Это объясняется тем, что размер водного стока всегда оп-
ределяется размерами и рельефом водосбора, климатическими ус-
ловиями и состоянием поверхности, по которой происходит сток,
а не условиями протекания потока по рассматриваемому короткому
участку русла.
Одновременно одна из шести характеристик участка реки —
глубина Я—никогда не может быть заданной величиной в
условиях свободного руслоформирования; она отображает лишь
наполнение русла, т. е. положение свободной поверхности потока
относительно его дна.
Остальные четыре характеристики участка реки могут быть как
заданными величинами, определяемыми внешними условиями, так
и результативными в русловом процессе. Например, ширина реки
В может быть ограничена, если поток протекает через теснину, или
формироваться в процессе размыва пойменных берегов; уклон по-
тока I может быть равен уклону речной долины или быть меньше
его, если русло извилисто и длина его развита по сравнению с дли-
ной долины; твердый сток G может быть внешним, поступающим
сверху по течению, или формируемым на участке реки, расположен-
ном в ее верховьях; скорость потока v может быть равна размыва-
ющей скорости для пойменных береговых грунтов уНер, если ско-
рость течения снижается в процессе формирования русла при раз-
мыве берегов, или быть значительно меньше размывающей ско-
рости для берегов, если река протекает в теснине с прочными
берегами.
Русло может формироваться только при относительно высоких
скоростях течения, достаточных для того, чтобы размывать берега
и переносить наносы. Следовательно, выработка русловых форм
происходит в основном во время паводков. Высота паводка меня-
ется из года в год, но некоторые паводки встречаются наиболее
часто и являются характерными для данной реки в среднем. Такие
средние паводки, а следовательно, и максимальные расходы воды,
соответствующие им, можно называть руслоформирующими. При
паводках, меньших средней высоты, процесс формирования русла
будет малоактивен. При очень высоких паводках могут происходить
существенные временные изменения тех размеров и форм русел,
которые вырабатываются во время частых паводков, по величине,
близких к среднему.
Шесть характеристик любого участка реки связаны между со-
бою всего тремя уравнениями: средней скорости течения (Шези);
постоянства расхода воды; расхода руслоформирующих наносов.
75
Рис. 4.3. Планы участков русел рек разных типов:
а —меандрирующее (извилистое); б — немеандрирующее; в—блуждающее
Таблица 4.1
Внешние условия формирования русла Местные xapaKie- рисгики русла Тип pycia Зона преимущественного распространения в долине главной реки
ссс о рр to tup р Р5 _ //, В, G Н, В, / (/ < Л<от) Н, В, I (/ = /дол) В, v Н, G, v 1 /, V Каньоны Меандрирующие (извилистые) Немеандрирую- щие (не извилис- тые) Блуждающие Теснина I рода Теснина II рода Зона эрозии Зона транзита То же Зона аккумуляции Любая То же
В связи с этим следует считать, что три характеристики русло-
вого потока из шести являются результатом руслового процесса,
протекающего в условиях, определяемых другими тремя (внешни-
ми) характеристиками. Учитывая, что одна из характеристик (Q)
обязательно является внешней, а другая (//) никогда к внешним не
относится, число возможных комбинаций трех внешних условий
руслоформирования определяется, как число сочетаний из осталь-
ных четырех характеристик (В, G, /, v) по две и равно шести. Та-
ким образом определяется число возможных типов русел (табл.
4.1). Характерные формы русел показаны на рис. 4.3.
Принято различать два подтипа меандрирующих рек с извили-
стыми руслами. Если спрямление русла происходит только в ре-
зультате такого сближения двух излучин, что водный поток проры-
вается кратчайшим путем, оставляя на пойме брошенную подково-
образную излучину—староречье, то называют такие реки реками
завершенного меандрирования. При глубоких пойменных потоках
и частом затоплении пойм развиваются мощные спрямляющие
течения на поймах, в результате которых поток прорезает себе в
пойменных грунтах длинную промоину — спрямление, куда и уст-
ремляется задолго до того, как две излучины сблизятся. Такие реки
называют реками с незавершенным меакдрированием. Образую-
щиеся и в этом случае брошенные излучины — староречья — уже
не имеют явно выраженной подковообразной формы.
Форма речного русла любого типа может быть охарактеризова-
на отношением его ширины к глубине. Непосредственно из выраже-
/Л О Г7 В Q
ния расхода потока Q = BHv следует =
Подставляя в правую часть этого равенства выражение глуби-
ны потока через скорость, уклон и шероховатость, по уравнению
Шези получим
В
н
QjV2
(4.2)
77
В этой формуле скорость v и уклон I представляют собой фак-
тические значения параметров потока, которые в одних случаях
оказываются заданными внешними условиями руслообразования,
а в других — устанавливаются в результате руслового процесса, т. е.
в соответствии с транспортированием наносов, поступающих сверху
по течению. Формула справедлива только для среднего руслового
расхода, под действием которого формируется русло реки. Глубины
следует отсчитывать от уровня воды, соответствующего этому рас-
ходу.
Показатель формы русла (4.2) позволяет проанализировать
влияние параметров речного потока на размеры русла. Так, увели-
чение уклона приводит к увеличению отношения В : //, т. е. на боль-
ших уклонах русла рек относительно мельче. При увеличении ско-
рости течения русло становится глубже и сужается. Большие реки
существенно отличаются от малых по ширине русла и значительно
меньше отличаются по глубине. Это объясняется тем, что увели-
чение водности реки (расхода Q) приводит к увеличению отноше-
ния В .Н, но реки с разными расходами воды Q, протекающие в
берегах, сложенных примерно одинаковыми грунтами, должны
иметь примерно одну скорость течения, т. е. при одинаковых укло-
нах— одинаковую глубину. При этом следует обратить особое вни-
мание на то, что скорость течения в реке, свободно формирующей
свое русло, после прекращения размыва берегов соответствует со-
противляемости береговых грунтов размыву. На дне реки частицы
несвязного грунта, слагающие его, находятся в движении, т. е. фак-
тическая скорость течения потока будет равна u = vHepnn, но одно-
временно с>уНер, где Унер — размывающая скорость для подвижных
донных наносов.
Чтобы оценить влияние крупности и расхода наносов на форму
русла, нужно найти отношение ширины к глубине исходя не из
уравнения расхода воды, а из уравнения транспортирования нано-
сов. Анализ показывает, что относительная ширина рек увеличи-
вается с ростом расхода наносов. При этом реки, несущие крупные
грунты — гальку, валуны,— особенно мелки и широки.
Природные изменения равнинных меандрирующих рек (с изви-
листыми руслами) в подмостовых сечениях заключаются в боковых
перемещениях русла, что должно учитываться путем введения мак-
симальной бытовой глубины русла в расчет возможных русловых
деформаций у всех опор моста. Продольные перемещения извилин
русла могут привести к смещению под мост наиболее глубокого се-
чения той излучины, на которой располагается мост. Следователь-
но, в расчет размывов следует вводить наибольшую из глубин, из-
меренных при изысканиях во многих створах, которые расположены
на этой излучине, а не только в створе, где предполагается разме-
стить мост.
Продольное смещение излучин может привести к дополнитель-
ному искривлению русла под мостом, т. е. к росту кривизны по
сравнению с зафиксированной на изысканиях. Это искривление так-
же может привести к увеличению глубины русла. Такое увеличение
78
глубин может быть прогнозировано путем обследования крутых
излучин русла в районе мостового перехода.
Пример бокового перемещения русла меандрирующей р. Суры
под мостом у г. Пензы приведен на рис. 4.4, а. Перемещение русла
не было учтено в проекте. Поэтому фундамент опоры моста, к ко-
торой переместилось русло, не имел надлежащего заглубления. Это
привело к необходимости реконструировать одну из опор для пре-
дохранения ее от подмыва.
Продольное перемещение излучины р. Суры у моста в Княжихе
(рис. 4.4, б) приблизило излучины к насыпи подхода к мосту и уве-
личило кривизну той излучины, накоторой расположен мост.
Смещение вогнутых берегов русел может происходить не только
с верховой, но и с низовой стороны насыпи. На рис. 4.5 показано,
как две сближающиеся излучины р. Лидь угрожают подмывом обо-
им откосам земляного полотна на пойме.
Следует иметь в виду, что перемещение русел меандрирующих
рек происходит медленно: обычно нужны десятилетия, чтобы русло
переместилось от одного устоя моста к другому. Но все же сроки
перемещения русел чаще всего короче срока службы сооружений
перехода. Кроме того, стеснение реки сооружениями мостового пе-
рехода, как правило, интенсифицирует русловой процесс, и природ-
ные изменения русла у моста могут происходить быстрее, чем до по-
стройки перехода.
Определить темп природного перемещения русла меандрирую-
щей реки в ряде случаев можно по возрасту растительности на пой-
мах, покрытых кустарником или лесом. Возраст дерева на размы-
ваемом вогнутом берегу русла показывает, сколько лет русло не
было в этой части речной долины. Расстояние от выпуклого, нара-
щиваемого берега русла до дерева определенного возраста прямо
указывает на скорость смещения берега (рис. 4.6).
Природные изменения в подмостовых сечениях почти прямоли-
нейных равнинных немеандрируюших рек, русла которых не смеща-
ются по речной долине, выражаются в перемещении вертикали с
Рис. 4.4. Русловые деформации у мостов через меандрирующие реки:
/ — профиль до постройки моста; 2 — профиль через 75 лет
79
Рис. 4.5. Прижимы излучин меандрирующей реки к насыпи
Рис. 4.6. Схема к определению темпа бокового смещения русла меандрирующей
реки
наибольшей глубиной Лрбтах лишь в пределах русла. Ширина рус-
ла, которая иногда искусственно увеличивается, может быть мень-
ше отверстия моста. Таким образом, возможность установления наи-
большей глубины непосредственно у опоры должна учитываться
при расчете размывов только у опор, размещаемых у русла реки.
Продольное смещение побочней в пределах русла с неподвижными
берегами может увеличить наибольшую бытовую глубину в подмос-
товом поперечном сечении русла, которая достигает максимума в
тот момент, когда под мост смещается наиболее широкая и высокая
часть (вершина) побочня.
Поэтому в расчет должна вводиться наибольшая из глубин,
измеренных во время изысканий на участке русла у проектируемой
оси моста в нескольких створах, которые проходят через вершины
побочней.
На рис. 4.7, а показано природное поперечное перемещение вер-
тикали с наибольшей глубиной в русле р. Иртыш у Омска. На рис.
4.7, б приведен пример неправильной разбивки на пролеты моста
через немеандрирующую реку. Судоходные пролеты расположены
только в глубокой части русла, в момент изысканий прижатой к
правому берегу.
С течением времени продольное перемещение скоплений нано-
сов приведет к тому, что глубокая часть русла разместится у ле-
вого берега, а судоходные пролеты будут закрыты надвигающим-
ся сверху побочнем.
Блуждающие беспойменные реки меняют очертания поперечных
сечений под мостами беспорядочно, так как скопления наносов в
русле с неустойчивыми берегами перемещаются тоже беспорядоч-
но. Место развития наибольшей глубины в подмостовом сечении не-
определенно, поэтому наибольшая бытовая глубина может разме-
щаться у любой из опор проектируемого моста.
На рис. 4.8 показано изменение русла под мостом через блужда-
ющую р. Сырдарью за несколько лет. За эти годы наибольшая глу-
бина наблюдалась практически у всех опор моста.
В нижнем течении реки часто происходит процесс аккумулирова-
ния наносов, выносимых рекой из зоны эрозии. Происходящее при
этом наращивание дна реки безопасно да опор моста, но приводит
к другим опасным последствиям. На реках, несущих много наносов,
отчетливо замечается занесение отверстий мостов наносами и зна-
чительное повышение уровня воды, что приводит к уменьшению
подмостовых габаритов и подтоплению насыпей подходов. Напри-
мер, дно русла на одном из участков;р. Амударьи поднимается до
1,5 м в столетие.
Особенно интенсивно идет этот процесс на конусах выноса ма-
лых блуждающих рек.
В связи с длительным сроком службы капитальных сооружений
мостовых переходов вековые русловые изменения, связанные с по-
нижением дна в зоне эрозии или наращиванием конуса выноса,
также необходимо учитывать при проектировании переходов через
водотоки.
81
Рис. 4.7. Русловые деформации у мостов через немеандрируюшие реки
Рис. 4.8. Перемещение наибольшей глу-
бины по створу моста через блуждаю-
щую реку
Темп понижения дна в зоне эрозии (каньоны) или наращивания
конуса выноса можно установить сопоставлением съемок дна рус-
ла, проведенных в различные годы, или, что надежнее, сопоставле-
нием нескольких кривых расхода // = f(Q), построенных в разные
годы гидрометрическим путем.
82
Рис. 4.9. Бытовые изменения в теснине блуждающей реки:
а — план участка реки; б — водомерный график; в — график отметок дна
Изменение уровня воды, соответствующего одному и тому же
расходу, покажет повышение или понижение всей реки за время,
прошедшее между двумя гидрометрическими измерениями.
При паводке на реке с поймами увеличение руслового расхода
может быть неодинаковым на отдельных участках длины русла
вследствие разного разлива на поймы. Поэтому при высоких па-
водках может наблюдаться неравномерность в транспортировании
наносов по длине реки, приводящая к размывам в одних местах,
задержке наносов в других и, следовательно, к деформациям рус-
ла. Так, например, на беспойменном участке реки транспортирова-
ние наносов при паводке возрастает значительнее, чем на участке
с широкими поймами, что приводит к дефициту наносов в начале
беспойменного участка и к размыву дна. Деформации такого рода,
происходящие на реках вне связи с возведением инженерных со-
оружений, стесняющих поток, называются бытовыми размывами.
Бытовой размыв может наблюдаться не только на блуждающих
реках, в теснинах (рис. 4.9), но и на равнинных реках, в местах су-
жения пойм. Например, закономерное углубление русла при за-
топлении пойм наблюдается на р. Волге в районе Печерских песков,
у г. Горького.
Рис. 4.10. Изменение отметок дна
русла при бытовых размывах на
равнинной реке
83
Бытовые размывы легко устанавливаются по геологическим раз-
резам рек, где обычно отчетливо видны периодически смываемые,
а затем восстанавливаемые слои современного аллювия. Если створ
мостового перехода находится на входе в участок резкого сужения
речной долины, то полезно, проведя паводочные промеры глубин,
установить понижение дна при уровнях различной высоты и экс-
траполировать кривую отметок дна до расчетного паводка (рис.
4.10).
§ 4.3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ОБЩЕГО РАЗМЫВА ПОД МОСТАМИ
Общий размыв под мостом происходит в результате стеснения
водного потока подходами к мосту.
Рис. 4.11. Схема к расчету общего
размыва под мостами
Рие. 4.12. Схема к расчету распре-
деления расхода воды по ширине
* * подмостового сечения
Отверстие моста может быть
больше ширины речного русла.
Поэтому ширина подмостового
поперечного сечения потока в об-
щем случае делится на две ха-
рактерные части: русло, по кото-
рому, кроме воды, движутся рус-
лоформирующие наносы, и пой-
менный участок (или участки),
по которому в бытовом состоянии
руслоформирующие наносы не
движутся (рис. 4.11).
До стеснения потока по руслу
и пойменному участку отверстия
моста проходили бытовые расхо-
ды воды QP6 и (2пмб, сумма кото-
рых меньше полного расхода ре-
ки Q, так как некоторая доля во-
ды протекала на остальной ча-
сти ширины пойм. После пере-
крытия этой части ширины пойм
незатопляемыми насыпями подхо-
дов к мосту по характерным уча-
сткам сжатого сечения реки бу-
дут проходить увеличенные рас-
ходы воды, которые обозначим
Qpm и QnM. Сумма их равна пол-
ному расходу реки Q. Увеличе-
ние величин расходов вызыва-
ется сливом воды в отверстие мо-
ста с участков пойм, перекрытых
незатопляемыми насыпями (см.
рис. 1.2).
Коэффициенты возрастания
расходов в русле и на пойменном
84
участке отверстия моста могут быть определены гидравлическим
расчетом. При этом увеличение расходов в русле начнется лишь
при тех уровнях, когда вода станет притекать к мосту с поймы. Чем
выше уровень воды, тем больше будет приток к мосту с пойм и тем
больше будут коэффициенты увеличения расхода:
Рр QpwQpe И Pn==QnM ' QnM6-
При этом ₽п>₽р, что следует непосредственно из уравнений
Бернулли, составляемых раздельно для двух струй, проходящих
через створ не стесненного по ширине потока и створ моста, т. е.
Б и Г (рис. 4.12).
Выполнив необходимые совместные преобразования этих двух
уравнений Бернулли и уравнения неразрывности (Q = const) и учи-
тывая, что отметки уровней воды для обеих струй в расчетных ство-
рах одинаковы для русловой и пойменной частей потока, получаем
расчетные формулы для определения ₽р и рп в виде:
Л" й+й-1)^(п; »), (4.3)
(4-4)
В эти уравнения, кроме уже поясненных величин ₽р и ₽п> входят
величины
t=Qp,:Q и р=-0 °0—
Чрб + УпМб
(коэффициент общего стеснения), а также некоторая функция, ха-
рактеризующая мостовой переход:
/•(п; а) = ; (4.5)
а + ?]2 k
где т) = -^- — отношение бытовых скоростей; д — — Урб ,
vI16 gl6la
(здесь Is — бытовой уклон и /0 — расстояние между створами
Б и Г).
Этой приближенной формулой не учитывается влияние на
F(ti; а) длины струенаправляющих дамб. Однако оно достаточно
мало (обычно до 5%), что позволяет им в этом расчете пренебре-
гать.
Система уравнений (4.3) и (4.4) может быть легко решена по-
следовательными приближениями. Но чаще всего при расчете от-
верстий мостов устанавливают допустимую величину коэффициента
увеличения расхода в русле рр, после чего рп находят прямым рас-
четом по формуле (4.3), а общий допустимый коэффициент стесне-
85
ния, определяющий необходимое отверстие моста, по преобразован-
ной формуле (4.4) 1
1+ т (р„-рр)'
(4.6)
Контроль правильности теоретически выведенных расчетных
формул (4.3) и (4.4) был проведен по 43 лабораторным опытам
А. М. Латышенкова в ВОДГЕО, выполненным в 1956 г. Среднее
отклонение составило всего 4%.
Входящее в расчетные формулы расстояние между створами Б
и Г (см. рис. 4.12) рекомендуется принимать /о = #разл—L, или
/о==-у(£разл~ А-’ соответственно при одной или двух равных
поймах. При неравных поймах /0 следует определять интерполяци-
ей между приводимыми здесь крайними значениями.
При сильном размыве под мостом значения £р и рп существен-
но сближаются, что дает право часто считать рр = ₽п=р.
Увеличение расходов воды, протекающей по обоим участкам от-
верстия моста, сопровождается возрастанием скоростей течения,
что приводит к усиленному выносу частичек грунта, т. е. к размыву
по крайней мере на одном из участков отверстия моста (в русле),
а в ряде случаев и на обоих.
Размывы на двух характерных частях отверстия моста происхо-
дят по разным причинам.
На пойменных участках отверстия моста грунтовые частички в
бытовых условиях неподвижны, так как фактическая бытовая ско-
рость течения воды по пойме меньше размывающей, т. е. аПб<^нер.
Размыв на этом участке начнется только при условии, что скорость
стесненного потока превысит размывающую, т. е. при Упб₽п>^нер
для наилка поймы.
При размыве глубина, а следовательно, и площадь поперечного
сечения потока будут возрастать, и скорость течения уменьшится.
Углубление прекратится после того, как снижающаяся по мере раз-
мыва скорость станет равна размывающей, т. е. иПм = Унер и смыва
частиц грунта больше не будет.
В случае небольшого сжатия потока при постройке мостового
перехода скорость течения на пойменном участке отверстия моста
возрастает также незначительно и может не превысить размываю-
щую; в этих случаях размыв пойменного участка под мостом не
начнется.
Расчетной формулой для определения глубины после размыва
на пойменном участке отверстия моста может служить простое ра-
венство
^пм Рп^пб • ^неР* (4«7)
1 Пример такого расчета можно найти в учебном пособии «Проектирование
автомобильных дорог» (примеры). М., Транспорт, 1966. Методика расчета с уче-
том влияния длины струенаправляющих дамб изложена в книге проф. О. В. Ан-
дреева «Проектирование мостовых переходов». М., Автотрансиздат, 1960.
8G
Рис. 4.13. Схема к выводу урав-
нения баланса наносов
На русловом участке отверстия мо-
ста размыв начинается по другой при-
чине. В русле реки частички наносов,
слагающие дно, находятся в движении
даже в бытовых условиях, когда ско-
рость течения равна уРб. Следователь-
но, размывающая скорость для части-
чек грунта, слагающих дно, т. е. для
руслоформирующих наносов, превы-
шена еще до стеснения потока.
Бытовой скорости течения в русле
соответствует определенный расход
руслоформирующих наносов. При уве-
личении скорости течения в русле под
мостом до рриРб, при сжатии потока
подходами к мосту транспортирование
этих наносов под мостохМ усиливается,
шение баланса между поступлением наносов к мосту сверху по
течению и выносом наносов из-под моста потоком с увеличенной
скоростью.
Усиленный вынос наносов из-под моста означает ежесекундный
захват потоком, протекающим с увеличенной скоростью, некоторого
количества грунта, слагающего дно русла на сжатом участке реки.
Через начальный створ на элементарный участок руслового потока
длиной dl поступают руслоформирующие наносы в количестве G
каждую единицу времени. Расход наносов может быть переменным
как по времени, так и по длине потока, т. е. G = f(l, t). Через второй,
конечный, створ этого участка в тот же момент времени выходит
измененный расход наносов, отличающийся от G на величину при-
ращения расхода наносов по длине потока, т. е. (рис. 4.13)
G + xZG = G + — dl.
1 dl
(4-8)
Приращение расхода руслоформирующих наносов может обра-
зоваться при сохранении ширины русла только за счет разрушения
его дна. При этом можно написать равенство: приток наносов+
Ч-размыв— выносу наносов, т. е.
Gdt 4- dW = (G + dG} dt. (4.9)
За элементарный отрезок времени di приращение объема пото-
ка dIF в связи с размывом дна будет равно превышению объема
выноса наносов через второй створ над поступлением наносов че-
рез первый створ, т. е.
dW =dQ-dt=^dl-dt. (4.10)
Приращение объема потока на участке постоянной длины мож-
но выразить через увеличение площади его поперечного сечения,
87
которая может меняться как во времени, так и по длине потока,
т. е. co = f (Z; t). Поэтому
dW=— dl-di. (4.11)
of
Сравнивая два последних выражения, получаем
— = — /4 12)
dt dl ' . '
т. е. скорость приращения площади сечения потока с течением вре-
мени равна градиенту изменения расхода руслоформирующих на-
носов по длине потока. Для практического использования уравне-
ние (4.12) записывают в конечных разностях
До __ ас? g2~Gi (4 13)
д/ ~ д/ ~ д/ ‘ I
Скорость понижения дна может быть выражена при известном
Дш — ВрЛ/г (где Вр—-местная ширина русла) формулой
ДА ; Д/ = — ,
ВрД/ Д2
(4.14)
где AQ— площадь размываемого дна на элементарном участке
длиной А/.
Объем грунта, смываемого за время AZ, будет равен
Д17 = ДАД2.
(4.15)
Очевидно , размыв прекращается при условии, что его скорость,
определяемая формулами (4.12) и (4.14), станет равна-нулю.
В связи с различными причинами прекращения общего размыва
его необходимо рассчитывать раздельно для русла и пойменного
участка отверстия моста.
§ 4.4. РАСЧЕТ РАЗМЫВОВ В РУСЛАХ ПОД МОСТАМИ
Расчеты размыва (понижения) дна русла под мостом могут
быть выполнены различными приемами, отличающимися детально-
стью на основе полученного выше уравнения баланса наносов (4.13).
Наиболее общий и полный прием расчета заключается в после-
довательном определении глубин под мостом по весьма длинной
серии возможных паводков и междупаводочных периодов. За серию
паводков принимается обычно натурная последовательность уже
наблюдавшихся паводков, прошедших еще до постройки моста, так
как высоты будущих, идущих один за другим паводков, еще неиз-
вестны. Такой общий прием разработан в гидротехническом проек-
тировании еще в начале 30-х годов, когда стало известно уравнение
баланса наносов (4.12), составленное в 1926 г.
38
При расчете, выполняемом по уравнению (4.13), учитывают,
что поток, стесненный сооружениями мостового перехода и проте-
кающий с увеличенной скоростью, сильно взмучивает наносы, сла-
гающие дно, которые в значительном количестве проносятся водой
во взвеси и лишь в небольшом количестве влечением по дну. В гид-
ротехническом проектировании обычнр поэтому считают, что можно
ограничиваться при определении расходов наносов, входящих в
формулу (4.13), учетом только взвешенных наносов руслоформи-
рующих фракций, применяя для этого зависимости, обязательно
установленные натурным путем для конкретного водотока на изы-
сканиях: только при отсутствии натурных данных используют раз-
личные полуэмпирические формулы.
При выполнении этого расчета нельзя учитывать только дон-
ные наносы, составляющие для песчаных грунтов лишь меньшую
часть общего количества наносов, участвующих в формировании
дна русла. В этом случае расчет даст неоправданно низкие темпы
размыва дна русла и фактический процесс размыва пойдет значи-
тельно быстрее, что может оказаться опасным.
Техника расчета размыва дна длительной серией последова-
тельных паводков сводится к следующему. Весь участок русла дли-
ной /о (см. рис. 4.12), который будет подвергаться размыву перед
мостом, делится на элементарные участки длиной Д/, с площадью
дна AQ (рис. 4.14, а). Наиболее просто, но приближенно, расчет
ведут последовательно по элементам длины и времени, строя сту-
пенчатое очертание размытого дна. При использовании уравнения
(4.13), допускают, что за малое время Д£ уровень и расход потока не
меняются и приращение глубины происходит только за счет размы-
ва дна. Кроме того, можно считать, что приращение глубины за ко-
роткое время так мало, что транспортирующая способность потока,
разная от створа к створу, не меняется в данном створе за время ДЛ
Общую длину участка размыва перед мостом принимают рав-
ной расстоянию от моста до створа наибольшего подпора перед
мостом, которое определяется по интерполяционной формуле
Zo= B°~L ; (4.16)
l-b““
-Обп
где Во — ширина разлива реки; L — отверстие моста, которое для
этого расчета должно быть известно; Вмп — ширина меньшей из
пойм; Вбп—-ширина большей из пойм.
Для односторонней и равных двусторонних пойм формула при-
нимает вид,
/0 = £0-А и l0 (4.17)
При определении транспортирующей способности потока учи-
тывают, что может измениться состав руслоформирующих наносов,
т. е. могут быть вовлечены в движение частицы из тех слоев грун-
89
Рис. 4.14. Схемы к расчету развития размывов во времени:
1—2 — слои аллювия; 3 — коренные породы; 4 — бытовое дно
та, которые будут обнажены в процессе размыва (рис. 4.14, б).
В необходимых случаях учитывают ограничение размыва плотными
грунтами или породами.
Водомерный график и гидрограф половодья заменяют ступенча-
тыми графиками (рис. 4.14, в), и для всего участка русла длиной
/о строят кривые ₽==/(/) для каждой из ступеней изменения уровня
воды. Как показали лабораторные опыты, эти кривые практически
дают линейную связь р и I.
Имея эти данные для первого интервала времени, подсчитывают
транспортирующие способности потока по всем створам, определяя
расходы воды в русле pPQP6- Значение QP6 берут по кривой расхо-
да (рис. 4.14, а). Тогда, последовательно используя уравнение
(4.14) для каждой пары створов, можно приближенно определить
средние величины понижения дна на каждом из участков для этого
интервала времени (рис. 4.14, д).
Затем для нового интервала времени вычисляют транспорти-
рующие способности потока с учетом изменения глубины не только
в связи с повышением или понижением уровня воды ДЯ, но и в
90
связи с размывом дна за предыдущий интервал времени Дй. Учи-
тывается при этом и изменение состава руслоформирующих нано-
сов, если оно происходит.
В качестве исходных формул для определения транспортирую-
щей способности потока (при отсутствии натурных данных о транс-
порте наносов) рекомендуется использовать теоретико-эксперимен-
тальные формулы И. И. Леви:
а) для взвешенных наносов (м3/с)
п _Г 0,2(1 + г)Л0’25 1 д Др , .
°а~[ gWy J Л0-25 не₽)’
б) для донных наносов (м3/с)
2(1+г) К ,3 Вр
£3/М/4 J А0’25
(^~^нер)>
(4.18)
(4.19)
где w — гидравлическая крупность наносов, м/с; у —объемный вес
наносов (обычно 2650 кгс/м3); г — коэффициент порозности
грунта, зависящий от крупности частиц (в среднем 0,65); d —
крупность частиц грунта, м; — ширина потока в русле, м; h —
глубина потока, м; v — скорость потока, м/с; vHep — начальная
скорость движения наносов, определяемая формулой
/ h у/б
^нер ^нл I . I
\ а ]
Унд
^1/6
(4.20)
где уНд ’ d'i*— определяется по табл. 4.2 в зависимости от крупности
наносов.
Таблица 4.2
Грунт (условные названия) Разновидность d, мм Донная размывающая скорость г/ , м/с V ни
Мелкий 0,05—0,25 0,20 0,55—0,60
Песок Средний 0,25—1,00 0,20 0,60—0,65
Крупный 1,00—2,50 0,20—0,25 0,65—0,70
Гравий Мелкий 2,50—5 0,25—0,35 0,70—0,85
Средний 5—10 0,35—0,50 0,85—1,10
Крупный 10—15 0,50—0,60 1,10—1,25
Галька Мелкая 15-25 0,60—0,80 1,25—1,50
Средняя 25—40 0,80—1,00 1,50—1,70
Крупная 40—75 1,00—1,35 1,70—2,10
Булыжник Мелкий 75—100 1,35—1,60 2,10—2,30
Средний 100—150 1,60—1,95 2,30—2,60
Крупный 150—200 1,95—2,25 2,60—2,95
Валуны Мелкие 200—300 2,25—2,75 2,95-3,35
Средние 300—400 2,75—3,15 3,35—3,70
Крупные >400 >3,15 >3,70
91
Для перехода к суточным расходам наносов в формулы (4.18)
и (4.19) надо вводить множитель 86 400 (число секунд в сутках).
При определении расхода взвешенных наносов подлежат учету
только руслоформирующие фракции. Все остальные, более мелкие
наносы, не участвующие в формировании дна, в расчет не вводят-
ся. При этом можно учесть, но обязательно по данным натурных
измерений, разницу средней крупности донных и взвешенных на-
носов.
Расчет можно вести в табличной форме для каждого интервала
времени (табл. 4.3). Для подсчета глубин смыва по створам при
известных Bi, ДАср и Д/ij используют формулу
A/z2 = A/zcp + (A/zcp-A/z1) (4.21)
&2
При постоянной ширине В{ = В2, \h2 = Ahcp—Айь
Применение ЭЦВМ, существенно сокращает время, потребное
для таких расчетов. Рекомендуется использование для этой цели
программы, разработанной Г. А. Федотовым в Гипротрансмосте и
МАДИ для БЭСМ-4 и ЕС-1020 (Гидрам—3), а затем записанной
на алгоритмическом языке «Фортран—4».
Расчетный паводок вызовет наименьший возможный размыв, в
случае его прохода сразу после постройки мостового перехода, т. е.
по неразмытому дну. Такой размыв будем называть верхним пре-
делом. Если расчетный паводок будет проходить по дну, уже раз-
мытому предыдущими, хотя и нерасчетными паводками, то размыв
под мостом может возрасти. Очевидно, что размыв все же не мо-
жет превосходить второго, нижнего предела, которым будем назы-
вать наибольший размыв, вызываемый достаточно длительным воз-
действием максимального паводочного расхода, заканчивающийся
в связи с этим обязательно при наивысшем уровне расчетного па-
водка. Оба предела могут быть рассчитаны на основе уравнения
(4.13).
92
В ряде случаев два этих пре-
дела возможного размыва совпа-
дают, т. е. проход единственного
расчетного паводка вызывает
наибольший возможный размыв.
В других условиях между этими
пределами может быть сущест-
венная разница. Величина рас-
хождения зависит, главным об-
разом, от формы паводочных гид-
рографов, объема смыва, крупно-
сти наносов и от глубин, созда-
ваемых предыдущими паводками
Рис. 4.15. Развитие размывов под мо-
стом через р. Волгу:
У —в 1934 г.; 2 — в 1936 г.
перед проходом расчетного.
Проход высоких паводков с малым интервалом времени между
ними всегда приводит к значительным размывам. На рис. 4.15 по-
казано очертание дна под мостом через р. Волгу, после паводков
1934 и 1936 гг. Хотя оба паводка были ниже наблюдавшегося наи-
высшего (1926 г.), прошедшего до постройки моста, они произвели
больше 60% максимального возможного размыва, соответствующе-
го паводку 1926 г.
Для правильной оценки влияния паводков, предшествующих
расчетному, следует учитывать данные о фактическом развитии
размывов под давно существующими мостами. Данные по мосту
через р. Сож, где расчетный паводок прошел лишь на 57 год после
постройки, приведены на рис. 4.16.
Паводками, которые были ниже расчетного, прошедшими за
56 лет, русло под мостом было значительно размыто, и перед рас-
четным паводком уровень дна уже понизился на 9,7 м. За паводок
1931 г. дно было размыто всего на 3 м, и его отметка совпала с
нижним пределом. Особенно опасно, когда расчетный высокий
паводок проходит после ряда достаточно высоких паводков мно-
говодного периода речного стока.
Из изложенного следует, что расчет размывов в русле под мос-
том заданной длины следует начинать с установления двух преде-
лов размыва.
Если эти два предела мало отличаются один от другого, расче-
ты необходимой глубины заложения фундаментов ведутся только
по нижнему пределу.
При значительном расхождении пределов, чтобы не назначить
завышенную отметку заложения фундаментов опор моста по верх-
нему пределу и в то же время не занизить ее, ориентируясь на
нижний предел размыва, следует выполнить при помощи ЭЦВМ
расчеты размывов по длительной серии паводков разной высоты,
зафиксированных в натуре. При этом размыв расчетным паводком,
который проходит в многоводный период уже по руслу, размытому
предыдущими паводками, может быть в одних случаях существен-
но меньше нижнего предела, а в других — близким к нему (и в
этом случае нижний предел снова оказывается расчетным). Таким
93
путем необходимая глубина заложения фундаментов опор моста
будет назначена обоснованно и без излишних запасов.
Верхний предел рассчитывается непосредственно по уравнению
баланса наносов в конечных разностях (4.14), ручным счетом с за-
полнением табл. 4.3 или с использованием ЭЦВМ. Возможно так-
же быстрое определение верхнего предела размыва по эмпириче-
ской формуле Г. А. Федотова, основанной на обобщении массовых
расчетов, выполненных на ЭЦВМ.
Нижний предел рассчитывается весьма просто непосредственно
по уравнению предельного баланса наносов, следующего из ра-
венств (4.12) и (4.14).
Пользуясь простым расчетом нижнего предела размыва, можно
быстро назначить отверстие моста, для которого затем производит-
ся и расчет верхнего предела размыва.
Как оказывается, при определении нижнего предела размыва
от наибольшего паводка теряет остроту вопрос о выборе исходной
формулы того или иного автора для определения расхода наносов,
что делает этот расчет весьма объективным. Кроме того, пол-
ностью снимается и вопрос о расчетной формуле для определения
длины участка размыва, так как эта длина в расчет по предельно-
му балансу не входит совсем.
Рис. 4.16. Размыв под мостом через р. Сож:
а —> многолетний ряд паводков, пропущенных мостом; б — водомерный график наивысшего
паводка; в — очертание дна под мостом:
1 — до прохода; 2—после прохода; 3 — через 15 лет после прохода наивысшего паводка
94
Из уравнения баланса наносов (4.12) непосредственно следует,
что прекращению размыва отвечает скорость размыва, равная ну-
лю -^- = 0, а следовательно, и нулевой градиент расхода наносов
вдоль размытого русла -^“0, т- е- G = idem. Поскольку на уча-
сток размыва поступает строго определенный суммарный бытовой
расход руслоформирующих наносов (взвешенных и донных), то
после полного завершения размыва на пике паводка и под мостом
будет проходить тот же расход наносов. Для определения изменен-
ных (по сравнению с бытовыми) размеров размытого русла под
мостом достаточно составить и приравнять два выражения расхода
наносов в бытовых условиях и под мостом после окончания раз-
мыва
(4.22)
Для определения расхода наносов всех видов используют из-
вестные полуэмпирические формулы, при этом формулы различ-
ных авторов легко могут быть приведены к общему виду (так как
структура их практически одинакова)
G = A
Bpvm
hk
1
(4.23)
где т, k — маломеняющиеся показатели степени; А — функция
крупности наносов. При этом значения А достаточно сильно
разнятся в формулах разных авторов.
Подставляя в формулу (4.22) выражение расхода наносов в
бытовом состоянии, т. е. вводя в расчет бытовую скорость урб,
бытовую ширину и среднюю глубину русла ВРб и йРб, а также вы-
ражение расхода наносов под мостом после размыва, вычисленное
по скорости после размыва урм и измененным размерам русла Врм
и йрм, получим, сокращая А (поскольку состав наносов после окон-
чания предельного размыва одинаков по всей длине зоны размыва)
или
^рб ВР6 ( __ Унерб j VPM ^Рм [ । __ Унерм
Арб \ vp6 / vpM
Сокращать множители А можно потому, что после завершения
размыва река будет проносить вниз по течению на всем участке
зоны размыва лишь обычные для нее руслоформирующие наносы.
95
Зная, что Q=Bhv, легко получить выражение средней глубины
в русле после размыва
т-1 т / 1 ^нерм \ .
---L л ------ / 1 ' \т + *
А₽« = М ’ —— • <4-25)
\ ^рм / \ Чгрб / I । ^нерб /
^рб 7
Значения показателей степени в формулах (4.24) и (4.25) со-
ответственно формулам расхода наносов, предлагаемым разными
исследователями, колеблются в узких пределах, что дает возмож-
ность, не отдавая предпочтения ни одной из исходных зависимо-
стей, принять средневзвешенные величины т=4 и №=0,44-0,5.
Наибольшие отклонения показателей степени, по данным раз-
личных авторов, от принятых выше составляют около 10%, а в ос-
новном значительно меньше.
Последние множители формул (4.24) и (4.25) могут быть при-
равнены единице по ряду доводов: во-первых, с увеличением глу-
бины после размыва одновременно возрастают размывающая ско-
рость Унерм и русловая 0рМ, в связи с чем можно положить
^нерм • ^рм ~ ^нерб • ^рб>
во-вторых, отношение разностей (1-------) входит в формулы в
\ г'р /
степени от 0,25 до 0,20. Следовательно, если это отношение достиг-
нет даже 1,15 (чего практически быть не может), то последние
множители формул (4.24) и (4.25) не будут отклоняться от едини-
цы более чем на 3%.
В связи с этим расчетные формулы могут быть написаны с уче-
том 'приведенных числовых значений показателей степени в виде:
Лрм ~~
Орм \8/9/ Дрб у/3
Орб / \ Врм /
(4.26)
(4-27)
Ширина русла под мостом должна вводиться в расчет за выче-
том ширины опор, в нем стоящих. Определение QpM изложено в на-
чале § 4.3.
Из формулы (4.27) непосредственно следует, что увеличение
ширины русла под мостом по сравнению с бытовой шириной жела-
тельно, так как глубины в русле при этом уменьшаются.
Однако для того, чтобы уширение русла способствовало умень-
шению глубины, необходимо, чтобы увеличение руслового расхода
под мостом, неизбежное при уширении русла, было бы меньше вли-
яния уширения русла, т. е.
<?РМ 2 f \3/4 /4 2g.
QpM 1 \ -®рб /
где QpMi = ₽pQp6 = Pp^p6BP6 — расход в неуширенном русле под
мостом; Фрм2 = Фрм14-Рп<7пб(ЯрМ—ВРб) —то же, в уширенном.
96
Рис. 4.17. Форма русла до размыва и
после него (кружками показаны точ-
ки, соответствующие мостам с уши-
рением русла)
Рис. 4.18. Схема к установлению
уровня, при котором достигается ги-
потетический размыв
Увеличение руслового расхода объясняется объединением с рус-
лом части пойменного участка, несущего расход фпм = РпФпмб-
Из приведенного выше неравенства следует, что уширение рус-
ла целесообразно лишь в определенных пределах отношения
7пб-<7Рб (см. § 4.7, табл. 4.6).
Устойчивое уширение русла, вырабатываемое рекой за ряд лет,
может быть подсчитано по способу Т. Н. Глаголевой; по этому
способу Гипротрансмостом разработана специальная программа
«РУР-1» для ЭЦВМ БЭСМ-4 и ЕС-1020.
Переход от средней глубины в русле после размыва к наиболь-
шей, по которой будут назначаться отметки заложения фундамен-
тов, можно выполнить по предположению, что после размыва отно-
шение максимальной русловой глубины к средней русловой сохра-
нится равным бытовому отношению этих глубин. Конечно,
некоторая погрешность при этом неизбежна. Данные о фактических
отношениях глубин на ряде давно построенных мостов приведены
на рис. 4.17, подтверждающем примерное сохранение отношения
глубин и после размыва.
В ряде случаев это бытовое отношение не сохраняется. Непо-
средственным расчетом оно определено быть не может. Даже дан-
ные рис. 4.17 показывают наличие отдельных отклонений до 25%»
а они могут быть и большими. Поэтому расчет по бытовому отно-
шению максимальной и средней глубин требует, в принципе, вве-
дения в дальнейшем гарантийных поправок к окончательным ре-
зультатам расчета максимальных глубин.
Уравнение (4.27) может быть использовано и для быстрого оп-
ределения размыва, вызываемого длительной серией натурных па-
водков. Предполагая, что размыв происходит под воздействием
расчетных паводков, следующих один за другим, Г. А. Федотов по-
лучил, что такой размыв заканчивается на спаде расчетного па-
4—2869 97
водка, на АН ниже его пика. Эта разность уровней не зависит, как
показали детальные расчеты на ЭЦВМ, ни от объема размыва, ни
крупности наносов, ни длительности паводка. Величина АН зави-
сит лишь от полноты паводка П—h^: /гшах, где йср и йщах— сред-
няя и максимальная высота расчетного паводка над поймой
(рис. 4.18). При этом
(4.29)
П.................. 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
(1—У7’/з).......... 0,33 0,26 0,21 0,16 0,11 0,07 0,04 0
Назовем размыв от серии одинаковых расчетных паводков ги-
потетическим (предполагаемым). Его величина определяется так-
же по формуле (4.27), но при уровне //раСч—АН, т. е. по уменыЛн-
ному коэффициенту возрастания руслового расхода под мостом рр.
Все мостовые переходы можно разбить на группы по схеме рас-
чета глубин после размыва в русле:
при 1,4 расчет следует вести по формуле (4.27), учитывая, что
размыв при таких небольших коэффициентах общего стеснения за-
канчивается на пике паводка. В этом случае верхний и нижний
предел размыва совпадают,
при р = 1,4-ь2,0 расчет следует вести по формуле (4.27), но учи-
тывая, что размыв заканчивается на спаде паводка при уровне ни-
же пика паводка на величину АН,
при р>2 необходимо производить подробный расчет по формуле
(4.14) обязательно по длине серии натурных паводков.
Коэффициент общего стеснения р, цо которому выбирается
Схема расчета, подсчитывается для пика паводка. Расчетный коэф-
фициент рр, по которому определяется глубина размыва в русле
под мостом, вычисляется при пике паводка для первой группы пе-
реходов, и при уровне на АН ниже пика паводка для второй
группы.
Гипотетический размыв можно рассчитывать и по значению рр
на пике паводка (так же как и при расчете верхнего и нижнего
предела). Для этого следует пользоваться формулой Г. А. Федо-
това.
АрМ=Лрб[(?р/9— 1)п*~1] (4-29а>
Здесь все остальные элементы формулы имеют прежнее зна-
чение.
Сопоставления контрольных расчетов по формуле (4.27) с дан-
ными о фактических профилях размывов для ряда давно действу-
ющих переходов, где нет геологического ограничения размыва,
указывают, на то, что предельные глубины в некоторых случаях
были превзойдены, но не более чем на 9% или 1,2 м, а в большин-
стве натурные глубины были близки к расчетным. Это же подтвер-
дили и данные как отечественных, так и зарубежных лабораторных
опытов.
98
В этих опытах обращает на себя внимание некоторое колебание
глубин после размыва во времени, не только при сильных стеснени-
ях водотока, но даже и при отсутствии сжатия, что вызвано изме-
нением бытовой глубины при движении скоплений наносов.
Наличие геологического ограничения размыва, делающего не-
возможным полное его развитие соответственно предельному ба-
лансу наносов, может быть установлено расчетом. Это ограничение
затрагивает обычно лишь зону максимальных глубин. При ограни-
чении максимальной глубины (рис. 4.19) площадь поперечного се-
чения потока в русле под мостом будет увеличиваться или за счет
увеличенного размыва дна на тех частях ширины русла, где пре-
пятствий для размыва нет, или за счет размыва берегов русла,
т. е. его уширения, если оно возможно. Увеличение площади попе-
речного сечения потока в русле прекратится после того, как сред-
няя скорость снизится до значения Урм, определяемого формулой
(4.20). Однако отношение максимальной и средней глубин после
размыва не будет равно бытовому отношению, а несколько умень-
шится. Очевидно, что при геологическом ограничении размыва рас-
чет верхнего предела размыва выполнять не надо.
Пласты грунтов, обнажаемые в зоне наибольших глубин в про-
цессе размыва, будут ограничивать углубление русла только в том
случае, если эти грунты не могут быть вынесены сжатым потоком
из-под моста, т. е. только при условии, что скорость потока будет
меньше размывающей для этих грунтов. Зная среднюю скорость
течения, которая должна устанавливаться в русле после размыва,
распределение средних скоростей на всех вертикалях по ширине
русла и размывающие скорости для пластов грунта, которые мо-
гут быть обнажены в процессе размыва, т. е. в пределах до глу-
бины Лрмтах, определяемой формулой (4.27), можно установить,
будет ли тот или иной пласт грунта ограничивать размыв в зоне
наибольших глубин.
Для русел немеандрирующих и блуждающих рек, а также для
начальных и конечных участков излучин меандрирующих рек сред-
ние скорости на вертикалях практически равны средней по сечению.
Тогда размываемость любого пласта грунта может быть проверена
по неравенству
^рмг < ^нер’ (4.30)
где средняя скорость в русле урм определяется формулой (4.26).
Ограничению размыва по геологическим условиям отвечает нера-
венство ^рм<^пер.
Рис. 4.19. Изменение конфигурации
сечения русла при ограничении размы-
ва по геологическим условиям:
1 — до размыва; 2 — после размыва
4*
99
Таблица 4.4
Г рунгы Разновидное ги Объемный вес, тс/м3 Средние разинвзюшие скорости течения, \i/C при глубине, м
0,4 1 2 >3
Глины, тяже- Малоплотные 1,2 0,35 0,40 0,45 0,50
лые и тощие суглинки Средней плот- ности 1,2—1,65 0,70 0,85 0,95 1,10
Плотные 1,65—2,05 1,00 1,20 1,40 1,50
Очень плотные 2,05—2,15 1,40 1,70 1,90 2,10
Леесы Средней плот- ности 1,2—1,65 0,60 0,70 0,80 0,85
Плотные 1,65—2,05 0,80 1,00 1,20 1,30
Очень плотные 2,05—2,15 1,10 1,30 1,50 1,70
Величины размывающих скоростей течения для несвязных грун-
тов определяются по табл. 4.2. Переход к средней скорости для
вертикали с максимальной глубиной должен выполняться по фор-
муле (4.20). Для связных грунтов с/Нер определяют непосредственно
по последней графе табл. 4.4, поскольку глубины во время павод-
ков в размытых руслах рек всегда превышают 3 м.
В тех случаях, когда величина максимальной глубины после
размыва в русле будет определяться геологическими условиями,
т. е. наличием пластов неподвижных частиц грунта, которые не
могут быть сдвинуты текущей водой, уравнение предельного балан-
са наносов определяет только среднюю по сечению скорость и сред-
нюю глубину.
В связи с двумя возможными причинами прекращения размыва
на наиболее глубокой вертикали надо обязательно выполнить два
расчета максимальной глубины после размыва в русле по форму-
лам (4.27) и (4.30). Окончательно принимается меньшая из глу-
бин, определенных этими двумя расчетами.
При расчете максимальной глубины размыва в случае ограни-
чения ее пластом трудно размываемого неоднородного несвязного
грунта, содержащего крупные частицы, необходимо иметь в виду,
что возможно вымывание мелких частичек грунта и укрупнение
поверхностного слоя этого пласта, которое носит название отмостки
(рис. 4.20). Если известна скорость после размыва, то, прирав-
Рис. 4.20. Схемы к расчету отмостки
100
нивая ее к размывающей для слоя отмостки арм = ^нер, можно уста-*
новить крупность частиц отмостки D, соответствующую прекра-
щению размыва. Имея данные о гранулометрическом составе плас-
та, в котором содержатся частицы крупнее D, можно рассчитать,
какой объем мелкого грунта должен быть вымыт из верхних сло-
ев пласта, чтобы на его поверхности образовался двойной слой от-
мостки крупностью D. Если объем частичек грунта крупнее D со-
ставляет р°/о от общего объема грунта, то можно рассчитать вели-
чину смыва поверхности пласта (см. рис. 4.19, б): До = 2ОО D:
: (Р%).
При использовании уравнения предельного баланса наносов
следует учитывать, что расчет максимальной глубины выполняет-
ся с известной погрешностью. Еще в большей степени это относит-
ся к расчету развития размыва во времени по серии паводков, для
которого требуется значительно больше натурных данных и все
же остается только предположительной фактическая последова-
тельность и высота будущих паводков.
В связи с этим при расчете глубин после размыва следует вво-
дить гарантийные запасы тем большие, чем менее изучен водоток.
При морфометрической основе проекта запасы должны быть боль-
ше, чем при гидрометрической.
§ 4.5. РАСЧЕТ РАЗМЫВОВ НА ПОЙМЕННЫХ УЧАСТКАХ
ОТВЕРСТИЙ МОСТОВ
Глубина потока после размыва на пойменном участке отверстия
моста может быть определена из равенства Q = следующим
образом. Если ширина этого участка за вычетом ширины стоящих
на нем опор равна Вп, то средняя скорость течения сжатого потока
на нем равна
7» — _
R h
^Аб »
(4.31)
где Лдб — бытовая глубина пойменного потока.
Если 'Упм ^нер, то размыва пойменного участка не будет. Раз-
мыв начнется при т>Пм >^нер- Размыв прекратится, когда глубина
йпб увеличится настолько, что новой глубине ЛПм будет соответство-
вать скорость иПм = ^нерл т. е.
Введем множителем и делителем в правую часть последнего ра-
венства бытового расхода этого участка ширины потока фпмб
и обозначим, как обычно, отношение Qum Фпмб = Тогда, зная,
ЧТО С2пмб=5пУпбЛпбл ПОЛуЧИМ
(4.33)
\ ^нер / ^‘нер
191
где <?пб — элементарный бытовой расход воды на пойменном участ*
ке отверстия моста.
Определение коэффициента стеснения (Зп было изложено в § 4.3.
Из формулы (4.33) следует, что размыва при сжатии не будет,
если выполнено условие —пб— < 1; здесь размывающая скорость
^нер
^нер соответствует грунтам на поверхности поймы.
Входящая в расчетные формулы размывающая скорость зави-
сит от вида грунта и глубины потока. Величины средних размыва-
ющих скоростей для связных грунтов при различных глубинах
приведены в табл. 4.4. Этой краткой таблицей охватываются гли-
ны, суглинки и лёссы. Допустимые скорости для супесей принима-
ют по табл. 4.2 соответственно средней крупности песчаных фрак-
ций.
В соответствии со структурой формулы (4.33) размывы связных
грунтов следует рассчитывать последовательными приближениями,
так как неразмывающие скорости зависят от искомой глубины
которая на пойменных участках отверстий мостов может быть и
менее 3 м.
Для несвязных грунтов эту формулу можно привести к виду
Г rf1/6
Апм = кЛЛ ------- . (4.34)
L ^нд J
освобождающему от необходимости выполнения при расчете по-
следовательных приближений. Величины цнд: й1/б приведены в
табл. 4.2. При расчетах по формулам (4.33) и (4.34) необходимо
вводить в расчет размывающие скорости и крупности частиц, соот-
ветствующие пластам грунта, залегающим на глубине размыва.
Геологическое строение пойменного участка отверстия моста
обычно слоистое. Верхние слои, отложенные в процессе образова-
ния наилка поймы и наращивания выпуклых берегов русел меанд-
рирующих рек, чаще всего содержат много мелких частиц грунта
и являются связными. Более глубокие слои сложены руслоформи-
рующими наносами, заполняющими всю ширину речной долины.
Еще глубже залегают коренные породы первичной поверхности
речной долины. При слоистых напластованиях расчет удобно вес-
ти графоаналитически.
Преобразовывая формулу (4.33) к виду
^пм^нер == Рп^пб^пб» (4.35)
замечаем, что произведение Лпм^нер представляет собой допуска-
емый элементарный расход (?нер, соответствующий прекращению
размыва на глубине Апм в грунтах, характеризуемых размывающей
скоростью рНер, а величина фактического элементарного расхода
*7Ф = ₽п&пбРпб известна и от глубины после размыва не зависит.
Поэтому графоаналитический прием расчета глубины размыва йПм
может быть сведен к построению графика допускаемых элементар-
102
Рис. 4.21. Схема графоаналитического расчета глубин размыва на пойменных
участках отверстий мостов:
н — несвязные грунты; с — связные
ных расходов <7Bep=f(fr)» переменных не только потому, что меня-
ется глубина, но и потому, что на разных глубинах залегают
различные грунты, и к пересечению этого графика вертикальной пря-
мой </ф=const. Точка пересечения прямой и кривой будет соответ-
ствовать глубине размыва Am*, на которой допускаемый элементар-
ный расход, равный произведению ЛщвОнер, будет равен фактиче-
скому (<7ф=<7нер).
Отличительной особенностью графика допускаемых элементар-
ных расходов ^Bep=f(A), Для несвязных грунтов (рис. 4.21, а) яв-
ляется криволинейность отдельных отрезков в связи с тем, что
размывающие скорости для условий течения на поймах связаны с
глубиной формулой (4.20).
Для построений графика допускаемых элементарных расходов
по известным крупностям несвязных грунтов можно использовать
данные последней графы табл. 4.2, где приведены величины Рид.'^'Ч
которые надо умножить на h’lt, так как qaep=vBeph = (овд:d'^yh'i*.
h............... 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Л7/‘............ 1 2,25 3,60 5,05 6,55 8,10 9,65 11,30 12,90 14,70
Отличительной особенностью графика допускаемых элементар-
ных расходов для связных грунтов (рис. 4.21, б) является линей-
ность отрезков, соответствующих различным пластам с глубинами
залегания более 3 м. Углы наклона прямых определяются сопро-
тивляемостью различных пластов размыву. Данные, необходимые
для построения этого графика, могут быть взяты из табл. 4.4.
На рис. 4.21, в приведен график величин qsep^Kh) для случая
смешанных напластований, когда верхний пласт пойменных отло-
жений и коренные породы представлены связными грунтами.
юз
Если состав несвязных грунтов неоднороден, следует вводить в
расчет не средние размывающие скорости и средние диаметры час-
тичек в слоях, ограничивающих размыв, а скорости, соответству-
ющие самым крупным частицам D, которых в слое грунта содер-
жится 15—20%. Такие самые крупные частицы отмостят размыва-
емое дно и ограничат дальнейший размыв.
Не следует усложнять этот расчет анализом возможности от-
мостки дна любой фракцией грунта, так как двойной слой части-
чек грунта, достаточный для образования отмостки, образуется в
пойменных несвязных грунтах при очень малых слоях смыва.
Очевидно, что введение в расчет крупности наибольших частиц,
содержащихся в грунте, существенно увеличит размывающую
скорость для этого грунта. В то же время слой смыва, не учитыва-
емый в расчете глубины после размыва, не будет превышать не-
скольких сантиметров.
Наконец, отметим то обстоятельство, что при значительном стес-
нении потока на пойменном участке отверстия моста (большие зна-
чения рп) пойменный наилок может быть смыт. В этом случае (см.
рис. 4.21, а) глубина размыва будет значительной, тах как несвяз-
ным грунтам аллювия, лежащим под наилком, соответствуют ма-
лые размывающие скорости течения воды. При этом, если глубина
после размыва на пойменном участке отверстия моста достигнет
средней глубины потока в русле то пойменный участок
отверстия моста исчезнет и, объединившись с руслом, образует
единое уширенное русло Врм=ВРб+Впм> на всей ширине которого
будет происходить движение наносов.
Каждой равнинной реке в бытовом состоянии соответствует оп-
ределенная ширина русла ВРб. Никакое уширение русла на реке в
ее бытовом состоянии не будет устойчивым, так как для транспор-
тирования воды и наносов необходима лишь эта бытовая ширина
ВРб. В стесненных поперечных сечениях в русле при половодьях
протекает большее количество воды, чем в бытовых условиях. По-
этому уширение русла под мостом может оказаться устойчивым.
Однако для этого необходимо, чтобы в уширенном русле часто про-
ходили такие увеличенные расходы воды (не реже 3 раз каждые
4 года).
§ 4.6. РАСЧЕТ МЕСТНОГО РАЗМЫВА У ОПОР МОСТОВ
В отличие от рассмотренных выше русловых деформаций, ве-
личина которых была обусловлена общим сжатием водотока и ес-
тественным ходом руслового процесса, местный размыв является
результатом локального нарушения структуры речного потока при
обтекании конструкций инженерных сооружений.
Наиболее характерными местами появления местного размыва
являются опоры мостов, головы выдвинутых в поток струенаправ-
ляющих сооружений и т. п. На рис. 4.22 показан поперечный про-
филь реки, совпадающий с передними гранями опор моста через
104
большую реку, где четко видны
характерные местные воронкооб-
разные углубления у каждой опо-
ры.
Причина, порождающая мест-
ный размыв и именно местное
нарушение структуры потока при
обтекании различных элементов
мостового перехода, позволяет
выражать его величину через
гидравлические параметры набе-
гающего потока и размеры обте-
каемого сооружения и рассмат-
ривать отдельно от размывов,
связанных с общим стеснением
потока сооружениями и с типом
руслового процесса.
При проектировании мосто-
вых переходов обычно представ-
ляет наибольший интерес вели-
Рис. 4.22. Воронки местного размыва
у опор моста
чина максимального размыва, ко-
торый может произойти в процес-
се эксплуатации моста при рас-
четном паводке. Определение
гидравлических параметров по-
Рис. 4 23. Схема обтекания опоры мо-
ста потоком:
/ — дно до размыва; 2 — откос воронки;
3 — нисходящие течения; 4 и 6 — донные
вихревые вальцы; 5 — струи, обтекающие
опору
тока в условиях расчетного па-
водка не представляет затрудне-
ний. Что же касается величины
расхода поступающих в воронку
наносов, то можно считать, что в
подвальях скоплений наносов (по-
бочной, отмелей) в потоке имеются такие придонные области, где
движение наносов практически не происходит. Это обстоятельство
позволяет для расчетного случая принять наиболее невыгодную
русловую ситуацию, когда опора располагается в подвалье нанос-
ного скопления, где приток донных наносов в воронку местного
размыва отсутствует. Расчет может быть произведен по схеме с
нулевым притоком наносов (нуль-балансовая схема), когда раз-
меры воронки будут определяться только гидравлическими пара-
метрами потока и габаритами опоры.
Одна из схем нуль-балансового метода расчета была разрабо-
тана И. А. Ярославцевым. В основу ее теоретического построения
легли выявленные опытами особенности обтекания опоры. При
обтекании потоком сооружения, в частности, промежуточной опо-
ры моста, происходит резкое торможение набегающих на опору
струй, т. е. происходит удар потока о лобовую грань препятствия.
Таким образом, при набегании потока на опору кинетическая
энергия поступательного движения жидкости преобразуется в ре-
зультате удара о лобовую грань в энергию давления. Наличие до-
105
бавочного (сверх гидростатического) давления в ограниченной зо-
не потока, примыкающей непосредственно к лобовой грани опоры,
и возникающий в связи с этим перепад давлений между этой об-
ластью и остальным потоком приводят к следующей ступени пре-
образования энергии — к преобразованию энергии давления в ки-
нетическую энергию поперечных токов.
Поперечные токи направлены по граням опоры в стороны и
вниз, ко дну.
Схема, отображающая установленный экспериментом И. А.
Ярославцева механизм трансформации энергии, представлена на
рис. 4.23, где показана выявленная киносъемкой картина обтекания
и образования воронки размыва у промежуточной опоры моста.
Как это видно из схемы, в месте подхода нисходящих по лобовой
грани опоры струй к размываемому дну, где происходит резкий
поворот этих струй, образуются вихревые вальцы, которые интен-
сивно выносят грунт из воронки размыва перед опорой. При уг-
лублении воронки энергия нисходящих струй будет уже недоста-
точна для выноса частиц грунта и размыв прекратится.
Исследованиями И. А. Ярославцева было установлено, что на
величину размыва сильно влияет скоростной напор, отображающий
гидравлическую структуру потока, ширина и форма опоры, круп-
ность грунта и глубина потока. При этом для значительных глубин
воды, превышающих ширину опоры более чем в 3 раза, влияние
изменения глубины практически отсутствует. Сопротивляемость
грунта местному размыву существенна только для крупных грун-
тов; для песков она пренебрежимо мала.
Окончательная упрощенная теоретико-экспериментальная фор-
мула И. А. Ярославцева имеет вид
/ v2 \0,9
Дйм=йв=3,8л; —£0,1 — 3(W (4.36)
\ g /
или
/ V2 \°’9
дАм=Ав=3)8л: —ь~ ЗОб/, (4.37)
\ gb )
где h3 — глубина воронки местного размыва; b — ширина опоры;
Орм — скорость течения воды, равная для опор моста ~орб;
к — коэффициент формы опоры, назначаемый по табл. 4.5;
d — крупность несвязных грунтов.
При косом набеге потока вводимая в расчет величина ширины
опоры по направлению, нормальному течению воды, увеличена и
равна
b' = b (Z — b) sin а, (4.38)
где а — угол отклонения потока от прямого направления; / — дли-
на опоры по направлению поперек моста.
106
Т а б л и ц a 4.5
г Тип [опоры Вид опоры к при нор- мальном набеге пото- ка иа опору (а=0*) Тип опоры Вид опоры к при нор- мальном набеге пото- ка на опору («=0°)
г—
107
Другой теоретико-экспериментальной расчетной зависимостью
для определения глубины воронки местного размыва у опор мос-
тов является формула М. М. Журавлева:
Дйм=/гв= 1,1/с . (4.39)
Здесь введена в расчет глубина после общего размыва йрм и
взмучивающая скорость vBl при которой руслоформпрующие нано-
сы в воронке размыва переходят во взвешенное состояние:
з------
где w — гидравлическая крупность частичек грунта.
Показатель степени п равен 1 при отношении скоростей >1 и
2/з при отношении скоростей ^1.
Формула (4.36) может быть преобразована и для расчета мест-
ного размыва у голов регуляционных сооружений. При этом учи-
тывается, что ширина фронта набега потока на препятствие стано-
вится весьма большой, а набегающая струя растекается по соору-
жению в обе стороны. Путь, который проходят нисходящие струи,
определяется уже не глубиной потока, а длиной наклонного откоса
сооружения с крутизной 1 : т0. Расчетная формула имеет вид
23v2 tg-J-
h.n---—-----—
g V 1 + Wq
(4.40)
§ 4.7. РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ БОЛЬШИХ И СРЕДНИХ МОСТОВ
Сильное стеснение водотока и сокращение длины моста оказы-
ваются экономически выгодными (см. начало гл. 4).
В связи с этим всегда стараются назначить минимально воз-
можное отверстие моста, не нарушая при этом некоторых, заранее
оговоренных пределов стеснения. В частности, не должны быть
превзойдены допустимые (безопасные для опор моста) русловые
деформации — размывы. Иначе говоря, необходимое отверстие мос-
та можно всегда назначить, зная наибольшие допустимые размывы.
Очевидно, что допустимые предельные размывы не могут быть
назначены в отрыве от системы и конструкции оснований и фун-
даментов опор моста. При определении этих допустимых размывов
могут встретиться несколько случаев, рассмотренных ниже.
1. Если глубина заложения подошвы фундамента назначается
по глубине залегания прочных пород, используемых в качестве
основания (рис. 4.24, а), то предельная допустимая максимальная
глубина после размыва в русле /грМтах оказывается равной
(4Л1)
108
Рис. 4.24. Схемы к определению допустимой глубины размыва
где йгеол — глубина залегания плотного пласта, отсчитываемая от
расчетного уровня воды; А — ожидаемая погрешность опреде-
ления йрмтах; Ф— обязательная заделка фундамента в грунт,
определяемая статическим расчетом.
Необходимость введения гарантийной добавки А обоснована
в § 4.4.
Очевидно, что заглубление фундамента в грунт не должно быть
меньше глубины воронки местного размыва йв, т. е. Ф^/гв- По-
грешность расчета ЛрМтах по формуле (4.41) определяется точ-
ностью исходных данных.
При морфометрической основе проекта можно полагать А =
=0,15 йрмтах и только при гидрометрической основе А = 0. Вводя
в расчет относительную погрешность, получим окончательно
АРмпИх = -^^-. 14.42)
А
1 + Л
шах
2. Если фундамент опоры мелкого заложения строится в откры-
том котловане (рис. 4.24, б), глубина которого ограничена по во-
доотливу, длине шпунта и т. д., то, используя прежние обозначения
и отсчитывая глубину котлована от межени, получим
h — ^котл + Лл/ — Ф л
,4рм щах— ,
^рм шах
где Ам — амплитуда изменения уровней от УМВ до Ярасч-
3. Для опор на высоких свайных ростверках (рис. 4.24, в) до-
пустимая глубина после размыва определяется длиной свай /Сваи
и необходимой заделкой их в грунт Ф
АРМ тах = . (4.44)
1 + т
лрм max
109
4. Аналогичным путем определяется допустимая глубина после
размыва для мостов на типовых свайных опорах, где нормируется
свободная длина сваи выше точки заделки /Своб- Очевидно, в этом
случае необходимо учесть и надводный габарит Гн (рис. 4.24, г).
Тогда
Лрмтах= ZcB°6~f" (4.45)
1 + 7
Лрм шах
Пользуясь приведенными здесь схемами и формулами, можно
для задаваемых конструкций опор назначить допустимую глуби-
ну размыва, а затем определить необходимое отверстие моста (т. е.
допустимую степень стеснения водотока подходами к мосту), или
проверить применимость той иди иной конструкции фундамента
(или длины свай) для моста желательной длины. При этом реко-
мендуется учитывать те пределы, которые, как правило, не должны
быть нарушены (если желательность отказа от норм не доказыва-
ется экономическим расчетом). По СН 200—62 нормируется огра-
ничение приращения площади поперечного сечения потока под мос-
том в связи с размывом и срезкой: для несудоходных рек— 100%,
для судоходных — 50—55%. Если мост перекрывает только русло
реки, то эти нормы совпадают с допустимым увеличением глубин:
для несудоходных рек /грм тах=2 Лрб max, для судоходных —
Лрм шах=: ( 1,5-г-1,55) ЛРб тах>
Если мост перекрывает не только русло, но и пойменный учас-
ток отверстия моста, сохраняющийся в процессе эксплуатации
моста, то глубины в русле после размыва могут быть допущены
несколько большими:
для несудоходных рек
*рМтах = (2+^-)йрбгаах, (4.46)
для судоходных рек
Лрмтах = (1,5 + ^') Лрбппх, (4.47)
где сорб, со™ — площади сечения потока в бытовом состоянии в рус-
ле и на пойменном участке отверстия моста.
Аналогично могут быть выведены и предельные глубины в уши-
ренных руслах под мостами: эти глубины (при ограничении уве-
личения площади сечения) оказываются заметно меньшими, чем
при перекрытии мостом только одного неуширяемого русла. В этом
случае
h —А/. Г ^пб J £рб 1л ^пб /д 4,Q\
шах Л/грб щах , । “~, I Ь
L «рб #рМ \ "рб /J
где k— 1,5—2 — в зависимости от наличия или отсутствия судоход-
ства на реке; йрб и — средние бытовые глубины в русле и
на пойменном участке отверстия моста; Врб и Врм— бытовая
и увеличенная ширина русла под мостом.
ПО
Например, при йПб=:0>35 ЛРб и Врб оказывается, что
предельная глубина Лрмтах^^б# k Йрбтах= (l-r-l,35)ftP6max«
Очевидно, что эти предельные величины глубин не всегда могут
быть достигнуты по техническим причинам осложнения строи-
тельства фундаментов опор. Одновременно не следует рассматри-
вать эти величины как безусловно предельные, если будет показа-
но, что большие глубины размыва технически безопасны и эконо-
мически эффективны. Особенно это касается мостов с уширенными
подмостовыми руслами.
Расчет отверстий мостов легко выполняется по формулам для
нижнего предела размыва. Этот расчет является окончательным
для проектирования оснований и фундаментов опор моста в слу-
чаях, когда верхний и нижний пределы возможного размыва сов-
падают или мало разнятся. Если при установлении верхнего пре-
дела размыва, вызываемого проходом расчетного паводка по не-
размытому дну окажется, что различие между двумя глубинами
более 15%, следует провести расчет размыва, вызываемого дли-
тельной серией паводков, или определить гипотетический размыв.
Таким расчетом и устанавливается окончательное значение глу-
бины размыва в этих конкретных условиях, по которому проекти-
руются основания и фундаменты опор моста.
В практике проектирования мостовых переходов наиболее час-
то могут встретиться случаи расчета отверстий мостов, которые
рассмотрены ниже.
Как уже указывалось в § 4.4, расчет отверстий мостов следует
выполнять по нижнему пределу размыва при |3< 1,4 или учитывать
гипотетический размыв (чтобы избежать излишнего заглубления
фундаментов опор моста) при 1,4<|3<2. Использование в обоих
случаях формулы (4.27) дает возможность определить необходи-
мое отверстие моста. В практике проектирования редко встречают-
ся случаи стеснения больше чем (3 = 2. В этих редких случаях рас-
чет размыва следует уточнять (с использованием формулы 4.14)
учетом размыва от серии паводков в натурной последовательности,
с проходом расчетного паводка в конце многоводного периода. Для
выполнения такого расчета необходимо знать отверстие моста, ко-
торое следует назначить в этом случае предполагая развитие толь-
ко гипотетического размыва, меньшего, чем вычисляемый по ниж-
нему пределу, но большего, чем соответствующий верхнему пре-
делу.
Мост наименьшей длины. Зная, что сокращение отверстия мос-
та экономически выгодно (см. рис. 4.1), можно определить по фор-
муле ^(4.27) глубину после размыва под мостом наименьшей допус-
тимой длины, равной бытовой ширине русла L=B^. В этом част-
ном случае (рис. 4.25) Врм=ВРб(1—М в связи со стеснением пото-
ка опорами моста и, следовательно,
Лрм шах Ярб max п ~---------- .
\ Ч/рб 7 L #рб (1 — л) J
111
Рис. 4.25. Расчетная схема для мо-
ста, перекрывающего только русло
реки
так как в русле под мостом будет
проходить полный расход водотока
Q вместо проходившего в бытовых
условиях QP6.
Определение отношения двух
расходов морфометрическим расче-
том было рассмотрено в § 3.4.
Под коэффициентом к здесь по-
нимается отношение ширины опоры
b к величине пролета I. Очевидно,
что на ширине = 6 движение воды
и наносов не происходит.
Полученную по расчету глубину
следует сопоставить с приведенны-
ми выше ограничениями по СН 200—62 и глубинами размывов, до-
пускаемыми фундаментами и основаниями, желательными в дан-
ных геологических и производственных условиях.
Мост с уширенным руслом. Уширение русла под мостом (рис.
4.26,а), как уже отмечалось выше, приводит к заметному умень-
шению глубин после размыва. Однако необходимо учитывать, что
искусственное уширение русла сохраняется и эффективно только
при условии, что пойма затапливается часто, а погонный расход
пойменных вод не превышает некоторой доли погонного руслового
расхода. Поэтому уширение русла (срезку пойменных берегов)
следует применять только при частоте затопления пойм не реже
чем 3 раза в четыре года (ВП^75%) и пойменных элементарных
расходах не больших, указанных в табл. 4.6. Фактическую часто-
ту затопления устанавливают анализом многолетнего ряда наивыс-
ших годовых уровней воды в реке. Для этой цели удобно использо-
вать клетчатку вероятностей, на которую наносится горизонталь-
ная прямая на отметке пойм. Точка пересечения этой прямой с
эмпирической кривой H = f (ВП) соответствует вероятности зато-
пления пойм.
Рис. 4.26. Очертание срезки:
а — в разрезе; б — в плане;
1 — наилок поймы
112
Таблица 4.6
'V 5рм' 5рб у. б % 9рб ^пб’^рб при 0р = О,9 рп
1 0,75/0,75 0,67/0,67
2 0,68/0,6 0,61/0,54
3 0,64/0,5 0,57/0,45
4 0,61/0,43 0,55/0,39
5 0,59/0,38 0,53/0,34
10 0,54/0,30 0,46/0,27
оо 0/0 0/0
Примечание. В числителе даны значения, превышение которых ведет к увеличе-
нию глубины в уширенном русле сравнительно с неуширенным (см. формулу 4.28); в знаме-
нателе даны предельные значения, при которых достигается максимальное уменьшение глу-
бины после размыва в уширенном русле, чему соответствует равенство = (Зр :
Х[3 : (ЛГ4-3)].
Для моста с наибольшим возможным уширением русла, т. е.
при Врм = Г(1—X) и при QpM = Q, можно найти глубину после раз-
мыва при заданном отверстии моста
Л(1-л)
(4.50)
или непосредственно необходимое отверстие моста по заданной
глубине после размыва
^рб
1 — к
Глубину, определяемую форму-
лой (4.50), следует затем сопоста-
вить с допустимой по формуле
(4.48).
Обычные размеры и очертания
срезки (уширения русла) в попереч-
ном. сечении и в плане показаны на
рис. 4.26, б. Особое внимание долж-
но быть обращено на полное удале-
ние пойменного наилка, после чего
водный поток будет легко размы-
вать вскрытый срезкой аллювий и
наносы будут двигаться по всему
уширенному руслу под мостом.
Глубины после размыва, завися-
щие от принятых величин отверстия
моста, можно изобразить в виде
графика (рис. 4.27), который стро-
ится в пределах от Lmin==BP6, когда
(4.51)
Рис. 4.27. Кривые связи глубины в
русле после размыва с величиной
отверстия моста
113
Рис. 4.28. Схема определения ширины пойменного участка отверстия моста: раз-
деление отверстия моста на два участка (а); эпюра элементарных расходов
воды (б)
Лрмтах определяется формулой (4.49), ДО Атах При Йрмтах = Лрбтах,
когда размыв в глубину отсутствует. При этом
L = (_2_?/3 (4.52)
гаах 1-х к (?рб )
при уширении русла, и Атах=Вразл при неуширенном русле.
Этот график удобен для того, чтобы принять решение по выбо-
ру типа оснований и фундаментов (и соответствующих им длин
моста), рациональных для рассматриваемого перехода. Для при-
мера на рис. 4.27 приведено разделение всего диапазона вариантов
длин моста на три зоны, где возможно применение фундаментов,
например, на естественном основании 1, на свайных ростверках 2
и на глубоких опускных колодцах 3.
Мост с сохранением пойменного участка отверстия. При редкой
затопляемости пойм срезка заиливается, вновь образуется наилок,
и восстанавливается бытовая ширина русла, поэтому вводить срез-
ку в расчет опасно, так как к проходу расчетного паводка русло
вновь будет иметь бытовую ширину. Если перекрытие мостом толь-
ко русла недопустимо (глубины после размыва слишком велики),
а уширение его невозможно, то считают пойменный участок отвер-
стия моста сохраняющимся и размыв развивающимся только на
бытовой ширине русла (рис. 4.28, а).
В этом случае задают желательную (по конструкции фундамен-
тов) глубину после размыва в русле /ipMmax и определяют из фор-
мулы (4.49) допустимый коэффициент увеличения расхода в русле
под мостом, зная, что
=(1 — X)3/4 РРМ у/8. (4.53)
<?рб \ ^рб max /
Затем, вычисляя по формуле (4.5) характеристику мостового
перехода F(т|; а), находят обязательный коэффициент возрастания
расхода на пойменном участке отверстия моста рм>₽р и общий ко-
эффициент стеснения водотока 6, для чего пользуются формулами
(4.3) и (4.6).
114
Зная, что
Р=о * и QUM6=-^-Qp6, (4.54)
Vp6 + Ч'пмб Р
по эпюре элементарных расходов определяют длину пойменного
участка отверстий моста Вп или непосредственно длину моста L.
Для простоты (рис. 4.28, б) эпюру можно строить по участкам рав-
ной шероховатости в виде прямоугольников. При двух поймах пой-
менный участок отверстия моста надо располагать от русла в сто-
рону более сильно работающей поймы. Размыв на пойме под мос-
том рассчитывают по формуле (4.33).
Иногда этот расчет ведут исходя из заданной скорости течения
на пойменном участке (для обеспечения сохранности наилка), т. е.
задают величину унер, а рассчитывают рп и (Зр.
При выравнивании коэффициентов увеличения расхода воды на
разных участках отверстия моста, т. е. при рр~Рп~(3 и почти по-
стоянной глубине воды на пойме, расчет сводится к использованию
сначала формулы (4.53) для определения (3, а затем к непосред-
ственному расчету необходимой ширины пойменного участка от-
верстия моста Ви по формуле
Входящие в эту формулу отношения расходов —— и V110HMH-
Q Q
определяются по формулам (3.25) и (3.26).
Ограничение размыва в русле по геологическим условиям. Огра-
ничение глубины размыва в русле по геологическим условиям мо-
жно рассчитать как аналитическим путем, так и графоаналитиче-
ским. Однако вместо сравнения фактического и допускаемого эле-
ментарных расходов воды, как это делалось при расчете глубин
после размыва на пойме, в данном случае необходимо сравнивать
фактическую и размывающую донные скорости, так как элементар-
ный расход на самой глубокой вертикали не сохраняет своего зна-
чения, а изменяется по мере размыва более податливых грунтов на
соседних вертикалях.
Если обнажаемые пласты грунта однородны, то каждый из них
может быть оценен донной размывающей скоростью, соответству-
ющей средней крупности грунта в пределах слоя. То же относится
и к пластам связного грунта. Но если пласт несвязного грунта ха-
рактеризуется существенной неоднородностью, то верхняя часть
пласта может укрупниться по составу за счет смыва только мелких
частичек грунта, т. е. произойдет отмостка (см. рис. 4.20).
Отмостить дно русла и ограничить размыв могут только те час-
тицы, для которых фактическая донная скорость течения в русле
не превышает размывающую. Поэтому, зная величину фактической
донной скорости, можно установить и минимальный диаметр час-
115
тиц в пределах несвязного неоднородного пласта грунта, способ-
ных ограничить размыв. Этот диаметр равен при иНд~0,7 урм
^Znin —
2,56g-
^рм1
5,25g- '
(4.55)
Руслоформирующие наносы характеризуются меньшими диа-
метрами, чем Диш. Поэтому они и находятся в движении и огра-
ничение размыва фракциями руслоформирующих наносов невоз-
можно.
Зная гранулометрический состав каждого из пластов, включа-
ющих частицы крупнее £>mm, т. е. процентное содержание в нем
частиц размером £>пнп и крупнее (р%), рассчитывают толщину
смыва поверхности пласта, необходимую для образования отмостки
этими частицами:
д0=222££р_( (4.56)
где Z)cp — средний диаметр частиц от самых крупных до f)min;
— суммарное содержание этих частиц в грунте в %.
Графоаналитический расчет глубины, на которой может пре-
кратиться размыв по геологическим условиям, выполняется путем
построения ступенчатого графика изменения донной размывающей
скорости течения воды по пластам грунта (рис. 4.29). На этом гра-
фике наносятся две прямые: горизонтальная прямая максимальной
глубины после размыва при восстановлении бытового расхода на-
носов, определяемой по формуле (4.27), и вертикальная прямая
фактической донной скорости течения, равной 0,7 от скорости урм
Рис. 4 29. Схема графоаналитическо-
го расчета ограничения размыва в
русле по геологическим условиям
по формуле (4.26).
Ограничение размыва по гео-
логическим условиям будет толь-
ко при условии, что вертикаль-
ная прямая пересечет ступенча-
тый график донных неразмываю-
щих скоростей течения выше го-
ризонтальной ПРЯМОЙ ЙрМ max (СМ.
рис. 4.29), чему соответствует
^геол max’ (4.57)
Глубины после размыва в рус-
ле учитываются при проектирова-
нии тех опор, у которых эти глу-
бины фактически могут развить-
ся (см. § 4.1). На рис. 4.30 при-
ведена схема этого учета для мо-
стов через равнинные реки.
Мост через блуждающую ре-
ку. Блуждающие реки, протекаю-
116
Рис. 4.30. Глубина заложения опор мостов через равнинные реки:
а — на меандрирующих реках; б—на немеандрирующих реках; в — при уширении, охваты-
вающем все отверстие моста
щие по конусам выноса, не имеют пойм. Ширина их русел во мно-
гих случаях излишне велика. Образование таких уширенных уча-
стков русел объясняется размывом берегов при половодьях в свя-
зи с тем, что скорости течения блуждающих рек высокие и превы-
шают размывающие для руслоформирующих наносов, а берега
таких рек сложены именно этими наносами, принесенными водой
сверху по течению.
Быстрое разрушение берегов уширяющегося русла и вынос про-
дуктов размыва вниз по течению не сопровождаются немедленной
задержкой наносов, поступающих сверху по течению. Поэтому уро-
вень дна уширенного участка оказывается практически таким же,
каким был до разрушения берегов. В связи с тем, что уровень во-
ды на участке местного уширения определяется уровнями на со-
предельных с ним участках русла, уширенные створы блуждающей
реки характеризуются почти постоянными средними глубинами.
Максимальные глубины на этих участках самые разнообразные, ус-
тановившиеся при размыве берегов разной плотности в местах
местной концентрации водных струй, определяемой расположением
скоплений наносов в русле реки.
При значительном сужении и ограничении ширины русла нераз-
мываемыми берегами средняя глубина потока устанавливается со-
ответственно транзиту воды и наносов. Так как в этих случаях ши-
рина реки не превышает необходимую для транспортирования
воды и наносов, то блуждание реки на таких узких участках пре-
кращается и максимальная глубина находится в определенном со-
отношении со средней в связи с неразмываемостыо берегов. Укло-
ны реки на узких участках обычно несколько отличаются от укло-
нов, свойственных более широким сечениям потока.
Закономерное изменение глубин по участкам блуждающей ре-
ки с различной шириной (рис. 4.31) может быть охарактеризовано
одной особой точкой, которой соответствует некоторая ширина
Геометрические и гидравлические характеристики сечения с ши-
риной Во отвечают расходу наносов G, расходу воды Q и уклону
русла /, свойственным данному участку конуса выноса. Протекание
реки в поперечном сечении такой ширины не сопровождается
блужданием, и ему соответствует наименьшая из максимальных
глубин по створам реки.
117
Графики, аналогичные рис. 4.31, могут быть построены для лю-
бой блуждающей реки. Для этого необходимо использовать дан-
ные лишь о створах, находящихся в однообразных условиях, ина-
че говоря, расположенных на ограниченной по длине части конуса
выноса, которым соответствуют примерно равные максимальные
расходы воды и наносов и уклон. Объединение в одном графике
данных о сечениях, расположенных на гидрологически и топогра-
фически неоднородных участках, недопустимо.
При помощи построения графика средних и максимальных глу-
бин все участки реки разной ширины, охватываемые графиком,
можно разбить на две группы: участки шириной B^BQ — теснины
с неразмываемыми берегами, и участки блуждания шириной В>В0-
Анализируя этот график, можно сделать вывод, что устройство
•моста, отверстие которого L>B0, не имеет смысла, так как это
влечет за собой появление больших глубин под мостом. Следова-
тельно, увеличение длины моста по сравнению с шириной Во не
приводит к уменьшению глубины заложения фундаментов опор
моста.
При назначении отверстия моста L=B0 глубины под мостом
оказываются наименьшими возможными.
Дальнейшее сокращение отверстия моста до L<BQ снова уве-
личивает глубину, но не вследствие блуждания реки и размыва
ей своих неустойчивых берегов, а в связи с необходимостью тран-
зита воды и наносов в суженном поперечном сечении. Глубины по-
тока как средние, так и максимальные в сечениях шириной Л<ВЭ
J1,M
о
7
2
1
О
Рис. 4.31. Расчет глубины под
мостами через блуждающие
реки:
а — графики средней и максималь-
ной глубины при отсутствии геоло-
гического ограничения размыва;
б — изменение крупности грунта по
глубине; в — связь глубины реки
с ее шириной при отмостке;
1 — расчет по предельному балансу;
2 — расчет по отмостке
200 //00 000 800 8>м
118
подчиняются уравнению баланса и соответствуют транзиту воды и
наносов в размерах Q и G по всей ширине русла без образования
нерабочих зон.
Ширина Во не является постоянной, а меняется вдоль реки.
А. А. Курганович, исследовавший этот вопрос на примере карпат-
ских рек, установил следующие характерные положения: а) ширина
Во плавно возрастает с ростом площади бассейна реки, если по-
ступление воды в русло возможно; б) в местах ниже впадения бо-
ковых притоков происходит резкое (рывком) увеличение характер-
ной ширины Во; в) на транзитных участках русла, лишенных боко-
вой приточности, ширина Во постепенно и плавно уменьшается.
Если при помощи графика, аналогичного рис. 4.31, будет уста-
новлена для участка реки ширина Во, то расчет глубины в сжатом
сечении реки может быть выполнен по уравнению
(4-58)
(1 —Х)2/3\ /
так как для беспойменных рек Qp6 = QpM = Q.
График зависимости h=f(B) позволяет контролировать резуль-
таты расчета, выполняемого по уравнению (4.58). Для этого он
должен быть построен с использованием возможно большего числа
данных о сжатых створах в теснинах или под мостами. На графике
для Чарджоуского участка Амударьи (рис. 4.31, а) проведены вос-
ходящие линии, отвечающие уравнению (4.58) и рассчитанные по*
средним и наибольшим глубинам. Эти линии можно построить по-
теоретическому расчету только для участков шириной В<В0.
Задавая желательную глубину размыва, соответствующую при-
нятому типу фундаментов, можно найти необходимое отверстие
моста
£ Bq / ^рб max О V/2
1 \ ^рм max /
Скорость после размыва по-прежнему определяется формулой
(4.26).
Максимальный размыв под мостами через блуждающие реки,,
как и для мостов через равнинные реки, может быть ограничен по
геологическим условиям.
Особенно часто это ограничение встречается на реках, которые
протекают в валунно-галечных руслах.
В качестве примера на рис. 4.31, в приведены кривые средних
и максимальных глубин, построенные как по натурным данным,,
так и по уравнению (4.58) для одного из водотоков, характеризу-
емого крупными наносами (рис. 4.31, б). При этом уменьшение глу-
бин из-за отмостки оказалось весьма существенным.
Для блуждающих рей расчет верхнего предела глубины размы-
ва не является необходимым в связи с большой длительностью
пика паводка в низовьях рек, за время которого достигается ниж-
ний предел размыва.
(4.59)
п»
Рис. 4 32. Сравнение расчетных и
фактических глубин воды на дейст-
вующих мостовых переходах
Сходимость результатов рас-
чета размывов по формулам, при-
веденным в § 4.7, с натурой была
проверена для ряда рек.
Превышение расчетных глу-
бин после размыва над измерен-
ными в натуре лишь в двух слу-
чаях достигло 10%, а чаше коле-
балось между 3—5%. Это свиде-
тельствует одновременно о том,
что при значительном сроке служ-
бы перехода при проходе расчет-
ного паводка размывы, подготав-
ливаемые за длинный ряд лет
всеми предшествующими поло-
водьями или паводками, достига-
ют обычно нижнего предела (рис.
4.32).
Мостовые переходы с пойменными мостами. На реках с большой
шириной разлива и значительными расходами воды на поймах не-
редко возникает необходимость устройства одного или нескольких
дополнительных отверстий на пойме. При правильном назначении
пойменных отверстий достигается следующее: повышается устой-
чивость мостового перехода как инженерного сооружения; снижа-
ется величина полного подпора, вызывающего подтопление ценных
угодий и населенных пунктов; сохраняется значение рукавов и про-
токов для нужд судоходства, рыбного промысла и водоснабжения;
уменьшается заболачиваемость пойм.
Свободная поверхность потока перед мостом имеет вид водной
воронки, причем уклон струй, направляющихся к мосту, возраста-
ет вниз по течению по мере увеличения скорости.
Величина отверстия пойменного моста, а также его положение
по ширине разлива будет оказывать большое влияние на его ра-
боту. Устройство в пойменной насыпи небольшого водопропускного
отверстия дополнительно к основному мосту приводит к тому, что
створ с максимумом подпора размещается очень близко от оси
пойменного моста, вызывая большой перепад уровней в верхнем
и нижнем бьефах (рис. 4.33). Очевидно, что пойменному мосту,
Рис. 4 33. Схема поперечного профиля водной поверхности перед пойменной на-
сыпью и за насыпью при малом отверстии пойменного моста
120
расположенному на границе разлива, соответствует наибольший:
перепад уровней у откосов насыпи, который определяет скорость
течения в пойменном отверстии. Таким образом, скорость будет
тем больше, чем дальше от основного моста расположено дополни-
тельное отверстие. Перепад уровней у откосов насыпи практически
сохраняет свою величину даже в том случае, когда под небольши-
ми дополнительными мостами происходят размывы. При этом по
мере размыва расход под пойменным мостом нарастает, а ско-
рость практически не снижается, что и является причиной неудов-
летворительной работы мостовых переходов с недостаточными пой-
менными отверстиями. Действительно, из практики эксплуатации
мостовых переходов известно, что сильнее всего размывы разви-
ваются под пойменными мостами, наиболее удаленными от основ-
ного. Единственным средством защиты от такого размыва всегда
являлось устройство каменного порога — наброски под пойменным
мостом, чтобы скорость течения в отверстии оказывалась ниже не-
размывающей. Такие укрепления являются дорогостоящими, стои-
мость высыпанного камня за период эксплуатации иногда превы-
шает стоимость самого моста.
Особенностью процесса размыва на пойменных участках отвер-
стий мостов, а следовательно, и под дополнительными пойменными
мостами, является прекращение размыва только при непередвига-
ющих скоростях течения для грунтов дна, так как во время павод-
ка по пойме идет чистая вода, не
несущая руслоформирующих на-
носов.
Устройство малых отверстий в
пойменных насыпях практически
не оказывает влияния на сниже-
ние подпора перед мостовым пе-
реходом и с этой точки зрения их
устройство бесполезно. Кроме то-
го, огромные размывы, развиваю-
щиеся под этими мостами, затруд-
няют поддержание устойчивости
таких сооружений. Малые мости-
ки и трубы на поймах устраива-
ют, поэтому, главным образом,
для пропуска небольших постоян-
ных водотоков, протекающих по
пойме и используемых в хозяйст-
венных целях. Во избежание раз-
вития размывов под ними их луч-
ше устраивать шандорными, за-
крываемыми на время паводка.
Устройство большого дополни-
тельного отверстия в насыпи
приводит к значительному сни-
жению полного подпора перед
Рис. 4.34. Схема к расчету мостового
перехода с дополнительным поймен-
ным мостом:
а — кривые свободной поверхности перед
основным (/) и пойменным (2) мостами;
6 — план мостового перехода
121
сооружениями мостового перехода: такие мосты более устойчивы
в эксплуатации и позволяют снизить подтопление берегов речной
долины и населенных пунктов на них.
Свободная поверхность перед основным и пойменным мостами
в створе разделения потоков на два самостоятельных и в любом
створе выше него имеет одинаковые отметки по всей ширине ство-
ра. Ниже створа разделения потоков отметки свободной поверхно-
сти перед обоими мостами в каком-либо створе не совпадают.
Величины максимальных подпоров перед основным и поймен-
ным мостами, а также расстояния от створов с максимумами под-
поров до оси мостового перехода не равны между собой
(рис. 4.34).
В основу метода расчета пойменных отверстий может быть по-
ложен принцип равенства подпоров перед мостами в любом ство-
ре, расположенном выше разделения потоков на два самостоя-
тельных.
Определение величин подпора в створе начала сжатия каждо-
го из частных потоков не вызывает затруднения и изложено ниже
в § 4.8.
Переход от этого подпора Д^б к подпору в нестесненном створе
(называемом нулевым) осуществляется по теоретической зависи-
мости, полученной Л. А. Пустовой
10/3 __ 1
Дг0=Дгб — / б/0 ———, (4.60)
где Azo — подпор в створе начала сжатия каждого из частных по-
токов; Az0— подпор в «нулевом» створе. Этот подпор должен
быть одинаков для обоих частных потоков; /б — бытовой уклон
реки; Iq — расстояние от «нулевого» створа до створа начала
сжатия потока. Эти расстояния не обязательно равны для двух
частных потоков; s = Az-cp-------средний относительный под-
пор на участке длиной 10. Величина 8 определяется последова-
тельными приближениями.
Расчетные величины расходов, идущих под каждый мост и со-
ответствующее им положение водораздельной линии, определяет-
ся с учетом русловых деформаций как под основным, так и под
пойменным мостами. Производить расчет пойменных отверстий,
исходя из условия недопустимости размыва под пойменным мостом,
фактически часто оказывается нецелесообразным или же вообще
соблюдение этого условия невозможно. Последнее относится к рус-
ловым протокам, расположенным на поймах рек. Под такими пой-
менными мостами размывы будут происходить при любом стесне-
нии потока, в результате нарушения баланса наносов.
Расчет ведется графоаналитическим методом в следующем по-
рядке:
1. Задаются величинами отверстий основного моста Lq на главном
русле и дополнительного Ад на пойме.
122
2. Выбирают произвольно три различных положения водораз-
дельной линии между мостами.
3. Расстояние от оси мостового перехода до «нулевого» створа вы-
бирают заведомо выше створа разделения потока на два само-
стоятельных. Обычно для расчета это расстояние принимают
равным ширине разлива Во.
4. При каждом положении водораздельной линии определяются ве-
личины русловых деформаций под основным и пойменным мос-
тами.
5. Для каждого из трех положений водораздельной линии опреде-
ляются створы начала сжатия частных потоков и вычисляются
(обычно морфометрическим способом) величины расходов, иду-
щих под разные мосты, устанавливаются (см. § 4.8) значения
подпоров в этих створах Дгбр и Д^бп.
6. Определяются расстояния /о до «нулевого» створа раздельно»
для обоих мостов и вычисляются величины Дг0 для обоих мос-
тов при трех положениях водораздельной линии.
7. На графике (рис. 4.35) откладываются по оси абсцисс три ве-
личины расхода, идущего под пойменный мост, соответственно
трем произвольным положениям водораздельной линии.
8. Строят кривые изменения подпоров в нулевом створе перед
основным и пойменным мостами в зависимости от величины расхо-
да, идущего ПОД пойменный МОСТ AzOp = f(Qn) и (Qn)
(рис. 4.35). Поскольку величины подпоров перед обоими мостами
в нулевом створе должны быть равны, то пересечение кривых опре-
делит точное значение расхода, идущего под пойменный мост, и
соответствующее ему положение водораздельной линии.
Приведенный выше алгоритм расчета легко реализуется с по-
мощью ЭВМ по программе «Гидрам-3», с включением в нее спе-
циального блока, разработанного в Гипротрансмосте Л. А. Пусто-
вой. Такой расчет может быть выполнен и для случая нескольких
пойменных мостов.
Максимальные подпоры перед русловым и пойменным мостами
располагаются в створах, находящихся ближе к мостам, чем створ
начала сжатия (см. рис. 4.34), но их величины обычно не вычисля-
ют, если не пользуются ЭЦВМ.
Мостовые переходы, работающие в условиях подпора. Мосто-
вые переходы на устьевых участках рек, впадающих в еще боль-
шие реки, периодически находятся в подпоре от половодья большой
реки или плотины на ней. Это накладывает отпечаток на режим
реки у моста и, в частности, на режим движения наносов. Поэтому
приемы определения размеров мостов на участках рек, находящих-
ся в подпоре, должны отличаться от обычных приемов (рис. 4.36).
Рассмотрим наиболее часто встречающийся расчет русловых
деформаций у мостов в подпоре при частичном сохранении движе-
ния руслоформирующих наносов. Факт движения наносов при под-
поре легко устанавливается путем построения графика скорости
(рис. 4.37) при принудительно поднятых уровнях воды и наиболь-
шем расходе притока Qmax- Движение наносов сохраняется, если
123
Рис. 4.35. Графоаналитический рас-
чет равных подпоров перед русловым
и пойменным мостами
Рис. 4.36. Подпор на притоке при при-
нудительном изменении уровня в
главной реке, или проходе паводка:
Qi— меженный расход притока, Q2 —
расход под мостом
фактическая скорость течения в русле при наивысшем уровне ока-
зывается больше, чем размывающая. Причина размыва под мостом
в данных условиях будет заключаться в нарушении баланса в дви-
жении наносов. Графоаналитический расчет размывов при многих
уровнях воды в этих- случаях не нужен и можно ограничиться од-
ним расчетом при глубине, соответствующей наибольшему подпору
(ПГВВ).
Глубина после размыва в русловой части подмостового попе-
речного сечения определяется уравнением
» подп _ »подп / фрм \8/9 / Врб \2/3
Лрм max —/tp6 max ~- I ----- 1 >
\ vp6 / \ Врм /
или приращение глубины в русле
Л , поди_ г,ПОДИ Г / QpM \8/9/ £рб \2/3 “I
Длрб ’—Лрб max I —г------I I — I — 1 .
L\ Урб / \ ВрМ / J
(4.61)
Отношение русловых расходов
под мостом (QPm : ФРб) и перед
мостом, т. е. там, где стеснение
водотока сооружениями перехода
не ощущается, меняется в зави-
симости от уровня воды в зоне
Рис. 4.37. Графики изменения скоро-
сти в русле реки при подпоре (/) и
размывающей скорости (2)
124
Рис. 4.38. Схема к расчету расхода при прорыве плотины
подпора. Без учета отличия рР от р отношение расходов может быть
заменено отношением расходных характеристик
= = (4.62)
Ч/рб Ч/мб Дм
где — суммарная расходная характеристика сечения потока в
подпоре; — расходная характеристика подмостового попе-
речного сечения потока.
Поскольку величины р и Лрбтах возрастают одновременно, опас-
ным расчетным уровнем будет обязательно наивысший, если при
этом сохраняется движение наносов.
Задавая глубину размыва соответствующую принято-
му типу опор, можно найти подборОхМ или путем построения кривой
нарастания расхода по ширине разлива достаточную величину от-
верстия моста.
Отличительной особенностью этого расчета является независи-
мость углубления русла от абсолютных величин расхода и скоро-
сти водотока. Это объясняется тем, что в условиях перемещения
руслоформирующих наносов конечные размывы определяются не
абсолютным количеством наносов, а лишь относительным возрас-
танием транспортирующей способности сжатого потока под мос-
товым сооружением.
Мостовые переходы, расположенные ниже некапитальных пло-
тин по течению. В ряде случаев мосты строятся ниже небольших
плотин местного значения, конструкции которых несовершенны.
Такие мостовые переходы (рис. 4.38) должны проверяться на воз-
можное увеличение расхода водотока от внезапного опорожнения
водохранилища при прорыве плотины.
Расход при прорыве плотины может быть определен по общей
формуле водослива
(4.63)
125
где m — коэффициент расхода, в рассматриваемых условиях рав-
ный 0,32 — 0,35; b — ширина прорыва; Н — напор воды в месте
прорыва.
Ширина прорыва может быть определена лишь приблизитель-
но. Чаще всего разрушение происходит по водосбросному соору-
жению при плотине; для этого случая ширина прорыва может счи-
таться равной длине водосброса. Еоли водосброс устраивается в
виде обводного канала, то можно считать вероятным разрушение
некапитальной плотины на ширине русла, где сильнее развиты
фильтрационные процессы, а насыпь имеет наибольшую высоту.
Напор воды в месте прорыва может быть значительным, если
водохранилище наполнено, а подтопление места прорыва снизу по
течению отсутствует. В этом случае расход от прорыва плотины
будет наибольшим.
Если по реке идет половодье, то место прорыва существенно
подтопляется и напор соответственно снижается. Этот случай не
всегда будет расчетным, так как расход от прорыва и объем сбра-
сываемой воды значительно уменьшаются. Однако может быть
рассмотрен и этот случай быстрого распространения волны от
прорыва плотины по заполненному водой руслу дополнительно к
волне половодья, имеющей большую длину и значительный объем.
Распространение волны попуска из-за разрушенной плотины
при отсутствии подтопления снизу (случай 1) происходит почти по
сухому руслу. Волна попуска при своем движении трансформиру-
ется, ее длина возрастает, а высота снижается.
Снижение высоты волны половодья, т. е. уменьшение макси-
мального расхода воды, может быть оценено по приближенной
формуле М. Ф. Менкеля и С. Н. Крицкого:
_ 0*4
w2 II ’
где Qx — наибольший расход; W — объем волны; пш — коэффици-
ент шероховатости; х—расстояние от сечения, где расход ра-
вен Qmax*
Эта формула получена с пренебрежением изменения коэффици-
ента Шези С с глубиной.
Интегрированием уравнения (4.64) может быть получено урав-
нение изменения максимального расхода по длине русла при рас-
пластывании волны попуска. Обозначая через х переменное рас-
стояние от плотины вниз по течению, получим
dQx
dx
(4.64)
Q.
Qmax
^max ш
(4.65)
Если известно, что расход свободного половодья водотока равен
Q, то можно, пользуясь формулой (4.65), найти расстояние xmirb
126
на котором расход от прорыва плотины также не будет превышать
половодный. Это расстояние
^2Z26 f 1
*mln- 2nl t Q2
1
О2
'max
(4.66)
Если плотина во время половодья подтоплена снизу (случай 2),
то расход Qmax снижается, а вместе с ним уменьшается и сбрасы-
ваемый из водохранилища объем W. Однако в этом случае расход
от прорыва плотины добавляется к расходу половодья, обычно на-
растающему по длине реки в связи с ростом площади водосбора.
Распластывание волны от прорыва плотины можно и в этом
случае приближенно оценивать по формуле (4.65). При этом если
считать 5 %-ное увеличение расхода половодья практически неза-
метным, то можно определить расстояние xmin и для этого случая
расчета. Полагая Qx=0,05 Q, получим
•^min ~
2001Г2/|
4<?2
(4.67)
Необходимо иметь в виду, что в этом случае объем W пред-
ставляет собой лишь некоторую долю объема водохранилища, рас-
положенную выше уровня высоких вод при свободном проходе по-
ловодья.
Если мост располагается к плотине ближе, чем на расстояние
Xmin, то расчетный расход воды для моста должен быть принят:
при прорыве плотины в период между половодьями Qpac4—0x4
при прорыве плотины во время половодья QpaC4=Q4“Qx-
§ 4.8. РАСЧЕТ ПОДПОРА ПЕРЕД МОСТАМИ
На значительном удалении от моста вверх по реке, где поток
имеет постоянную ширину, его поверхность при паводке очерчена
по обычной кривой подпора си с увеличивающимися по течению
глубинами и уменьшающимися уклонами и скоростями течения
(рис. 4.39). В конце кривой подпора изменение уровня воды обыч-
но достигает почти максимальной величины на всем протяжении
оси потока на участке мостового перехода. Подъем уровня в этом
створе называется полным подпором.
Непосредственно выше моста свободная поверхность потока
очерчена в виде воронки со значительными уклонами боковых скло-
нов вблизи мостового отверстия. Продольный профиль свободной
поверхности водной воронки по оси потока очерчен по выпуклой
кривой спада особого типа, так как ширина потока на этом участ-
ке переменная. Уменьшение ширины потока определяет постепен-
ное возрастание скорости в этой зоне вниз по течению.
При очень сильных стеснениях и по мере размыва под мостом
наибольший подпор размещается ближе к мосту, чем последнее
127
Рис. 4.39. Изменение очертания сво-
бодной поверхности потока на мосто-
вом переходе
с; б)
fl В ГД Е fl 5 В ГД Е
Рис. 4.40. Положение расчетных ство-
ров на переходах
сечение кривой подпора типа
т. е. на протяжении особой кри-
вой спада перед мостом.
За мостом от сечения наи-
большего сжатия поток начинает
растекаться. В зоне растекания
скорости уменьшаются вниз по
течению.
Уклон свободной поверхности
потока в зоне растекания может
быть больше бытового, так как
скорость течения здесь превыша-
ет бытовую. Но этот уклон мо-
жет оказаться и меньше бытово-
го, так как в растекающемся по-
токе восстанавливается потенци-
альная и уменьшается кинетиче-
ская энергия. Поэтому отметки
уровней воды в наиболее сжатом
сечении потока и под мостом, оп-
ределяемые условиями движения
потока в зоне растекания, могут
быть больше бытовых, равны
им, а в некоторых случаях мень-
ше бытовых в зависимости от соотношения факторов, определяю-
щих увеличение и уменьшение уклона потока в зоне растекания по
сравнению с бытовым. Изменение уровня воды под мостом AzM на-
зывается неполным подпором (или подмостовым подпором).
Поверхность воды непосредственно за мостом всегда имеет вид
бугра, а уровень воды под мостом превышает уровень воды у ни-
зовых откосов пойменных насыпей.
Уровни свободной поверхности потока у верховых откосов на-
сыпей подходов к мосту отличаются от бытового уровня значитель-
но больше, чем по оси потока. Благодаря воронкообразному очер-
танию водной поверхности перед мостом и соответствующему ей
криволинейному очертанию поперечных сечений сжимаемого пото-
ка у верхового откоса насыпи, в удалении от отверстия моста уста-
навливается уровень воды с отметкой, соответствующей сечению
потока в конце кривой подпора а\. Вдоль насыпи уровень воды по-
степенно снижается по направлению к отверстию моста (см.
рис. 4.33). У низового откоса насыпи уровень воды устанавливает-
ся с отметкой, соответствующей начальному сечению зоны расте-
кания потока за мостом (см. рис. 4.39). Уровень воды вдоль низо-
вого откоса насыпи практически постоянен, так как уклон воды
вдоль границ зоны растекания обычно ничтожен. Вдали от моста
разница уровней по обе стороны насыпи часто весьма велика. Не-
посредственно у конуса насыпи она значительно меньше.
В паводочном потоке, стесненном подходами к мосту (рис.
4.40, а) можно наметить следующие характерные сечения: А — на-
128
чальное сечение участка подпора, где бытовые условия протекания
потока еще не нарушаются; Б — сечение, где развивается полный
подпор. Между сечениями А и Б свободная поверхность потока
очерчена по обычной кривой подпора типа аь Сечение Б соответ-
ствует началу водной воронки перед мостом; Г — сечение под мос-
том; Д — сечение наибольшего сжатия ниже моста по течению, яв-
ляющееся началом зоны растекания; Е— конечное сечение зоны
растекания, где снова восстанавливаются бытовые условия течения.
В большинстве случаев для защиты насыпей подходов, конусов
и устоев и для устранения сжатия потока за мостом в состав мос-
товых переходов включают регуляционные сооружения —струе-
направляющие дамбы. При струенаправляющих дамбах разбивка
потока на расчетные участки несколько меняется (рис. 4.40, б):
сечения А, Б и Е остаются прежними; сечение В располагается по
створу верхних точек струенаправляющих дамб; сечение наиболь-
шего сжатия совмещается с подмостовым сечением Г; сечение Д
располагается по створу нижних точек струенаправляющих дамб.
В связи с тем, что постройка регуляционных сооружений на
мостовых переходах практически обязательна, ниже рассматрива-
ется расчет подпора только для случая их устройства.
Составим уравнение Бернулли для двух сечений потока Б и Е,
полагая известными условия протекания воды между ними
^R^K CtpVp
Отметки измененной свободной поверхности потока на мостовом
переходе могут быть выражены через бытовые отметки zr и соот-
ветствующие приращения уровня Az, появившиеся в связи со стес-
нением потока сооружениями мостового перехода. Разность быто-
вых отметок zg — z'E может быть заменена произведением быто-
вого уклона водной поверхности /б на расстояние между сечения-
ми, равное SZ.
Потери энергии hw могут быть представлены в виде суммы про-
изведений длин характерных участков потока Z, лежащих между
сечениями Б и Е, на соответствующие им средние величины потерь
энергии на единицу длины Iw (так называемые «уклоны трения»).
Тогда после элементарных преобразований можно написать
2 9
Op Vp — CCr Vr
ДА=ДгБ=ДгЕ+-Е-%-Б-Б +ЮТда-/б)].
Из этого уравнения следует, что подпор будет тем больше, чем
больше уклоны трения, зависящие от скорости течения. В сжатых
сечениях по мере развития размыва скорости могут несколько сни-
жаться. Однако для окончания размыва необходим обычно дли-
тельный срок; поэтому для определения наибольшего возможного
подпора при расчетном паводке следует исходить из предположе-
ния, что размыв на мостовом переходе еще не произошел или про-
изошел не полностью.
5—2869
129
Величина Aze = O. Расстояния между расчетными створами при-
нимают, используя данные М. В. Михайлова об углах схода и рас-
текания потока на мостовом переходе gi=45o и |2=25° (см.
рис. 4.39). В 1966 г. В. Т. Авдеев получил расчетную формулу, да-
ющую возможность назначать величину угла растекания £2 в за-
висимости от степени стеснения.
Раскрывая по уравнению равномерного движения выражения
уклонов трения по участкам потока, можно получить общее выра-
жение для величины подпора при неразмываемом дне русла, выве-
денное О. В. Андреевым в 1960 г.:
дгБ=дЛ=_^=1./б(3?2-3)(1 + х), (4.68)
2 о
где Bq — ширина разлива реки; L — отверстие моста; /б — бытовой
уклон реки; 0 — число пойм (одна или две); £ — коэффициент
стеснения потока; х— относительная длина верховых струена-
правляющих дамб (х = /в.’/о); /в^Длина верховых дамб; /0—
длина водной воронки перед мостом.
Так как практически всегда русла рек размываемы, формула
(4.68) дает несколько завышенное значение подпора. Для учета
размываемости русла и нелинейности нарастания стеснения вдоль
потока В. Ф. Гринич ввел в формулу (4.68) два поправочных коэф-
фициента. С помощью этих коэффициентов учитывается размыв в
случае прохода расчетного паводка по еще неразмытому дну
(верхний предел размыва): это случай возникновения наибольше-
го возможного подпора перед мостом.
Поправочные коэффициенты В. Ф. Гринича выражаются эмпи-
рическими формулами, полученными в результате массовых сов-
местных расчетов подпоров и размывов (по уравнениям неравно-
мерного движения воды и баланса наносов, в конечных разностях):
«=1-0,14 1,4; (4.69)
«р = 0,25 (2-Р)2 4-0,75. (4.70)
Здесь Р — коэффициент, характеризующий размыв, равный от-
ношению площадей сечения водного потока под мостом после раз-
мыва и до него.
Расчетная формула подпора имеет вид
ДгБ=Д/г = -° — к!6 (3«р^ -3) (1 + х). (4.71)
28
Переход к подпору у насыпи ДЛН осуществляют по формуле
A/zH = Mi IqI б’ (4.72)
где все обозначения прежние.
Для детализации расчета, разбивая весь участок потока на до-
ли Б — В, В — Г и т. д. (см. рис. 4.40), можно построить кривую
130
свободной поверхности потока, пользуясь непосредственно обыч-
ным уравнением неравномерного движения в конечных разностях
(уравнение В. И. Чарномского) и не применяя формул (4.68) или
(4.71). При этом построении следует идти снизу вверх, против те-
чения, т. е. начинать расчет от створа Е, где известна бытовая, не-
изменяемая отметка свободной поверхности воды. В этом случае
будет найден и подмостовой подпор (т. е. подпор в створе моста),
почти никогда не бывающий нулевым. Если учитывать, что за мос-
том — в зоне растекания — идет процесс отложения наносов, т. е.
объединить расчет русловых деформаций и подпора, то подмосто-
вой подпор оказывается всегда положительным (Дйм>0).
Подробный расчет отметок свободной поверхности удобнее все-
го вести с помощью ЭЦВМ по программе «Гидрам-3», автоматиче-
ски вычисляющей отметки продольного профиля поверхности воды
на каждом шаге расчета размывов и отложений наносов AL Расче-
ты такого рода показали, что створ максимального подпора перед
мостом не является неподвижным. При размыве этот створ пере-
мещается ближе к мосту, а на спаде паводка наибольший подпор
может разместиться в створе под мостом или даже в зоне расте-
кания.
Приведенные здесь сведения еще раз подчеркивают те возмож-
ности получения дополнительных проектных данных, которые дает
подробный русловый и гидравлический расчет по программе «Гид-
рам-3», охватывающий как зону сжатия, так и зону растекания
потока на мостовом переходе.
Гл а в а 5
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДХОДОВ К МОСТАМ
§ 5.1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ПОЙМЕННЫХ НАСЫПЕЙ
Подходы к постоянным мостам сооружают в большинстве слу-
чаев в виде незатопляемых земляных насыпей на поймах или в
русле для блуждающих беспойменных рек. Только в особых случа-
ях на дорогах низших категорий и у временных низководных мос-
тов устраивают периодически затопляемые подходы.
Строительство незатопляемых насыпей становится экономиче-
ски неэффективным только при высоте их 30 м и более и при не-
удовлетворительных грунтах основания, а также при отсутствии у
перехода грунтов, пригодных для возведения земляных сооружений.
В этих случаях устраивают пойменные эстакады.
Пойменные земляные насыпи должны быть запроектированы
так, чтобы они были устойчивы даже при самых неблагоприятных
условиях работы. Поэтому необходимо прежде всего установить
эти возможные неблагоприятные условия, рассматривая их как ис-
5* 131
ходные при выборе конструкции и размеров пойменных насыпей.
Чтобы насыпь была незатопляемой, ее бровку поднимают выше
возможного уровня воды в реке на мостовом переходе с учетом
подпора. На границе разлива подпор у верхового откоса пойменной
насыпи достигает наибольшего размера Д/гн, определяемого фор-
мулой (4.72).
Уровень воды у низового откоса насыпи определяется отметкой
поверхности воды у концов низовых струенаправляющих дамб. Эта
отметка мало отличается от бытовой. Таким образом, наибольшее
повышение уровня воды у верхового откоса над расчетным уровнем
одновременно определяет и наибольшую разность уровней у вер-
хового и низового откосов пойменной насыпи на границе разлива
(рис. 5.1). На участках насыпи, достаточно близких к мосту, раз-
ница уровней меньше. Непосредственно у моста эта разница
наименьшая и равна падению поверхности потока на длине струе-
направляющих дамб (Zb+/h)-
АЛт1п-/б₽2(/в + /н). (5-1)
На протяжении водной воронки перед мостом ширина потока
уменьшается, причем границы его очерчены приблизительно по ду-
гам круга с центральным углом 90°, начинающимся от границ раз-
лива и заканчивающимся у голов пойменных струенаправляющих
сооружений. За этими криволинейными границами в зонах, примы-
кающих к пойменным насыпям, движение воды замкнутое и отно-
сительно медленное. Только в тех случаях, когда ширина разлива
очень велика, течение прижимается непосредственно к откосам
пойменных насыпей и может вызвать размыв откосов сооружений.
Период- разлива воды на поймы часто сопровождается ледохо-
дом на реке. В это время возможен заход льдин из русла к насы-
пям, а кроме того, у откосов насыпей могут появиться льдины, при-
несенные течением с пойменных озер. Плывущие льдины ударяют-
ся об откосы насыпи и нарушают их устойчивость. В отдельных
местах лед может скапливаться, что приводит к навалу больших
масс льда на насыпь.
Во время высоких паводков в долинах рек наблюдаются силь-
ные ветры, вызывающие волны на водной поверхности. Явления
половодья и интенсивного перемещения воздушных масс в долине
реки нельзя считать независимыми одно от другого. Во время па-
Рис. 5.1. Уровни воды у откосов пой- Рис. 5.2. Схема набега волны на
менной насыпи откос
132
водков вполне закономерны сильные ветры. Глубины воды на реч-
ных поймах достигают максимума также при очень высоких рас-
четных паводках, а только при значительных глубинах развивают-
ся большие ветровые волны у откосов пойменных насыпей.
Вследствие этого при высоких паводках устойчивости откосов пой-
менных насыпей угрожают подтопление, удар или навал льдин,
удар волн. Обычно сильные удары наблюдаются на свободных ре-
ках только у верхового откоса насыпи, где волны распространяют-
ся вниз по течению. Меньшая или нулевая высота волн у низового
откоса пойменной насыпи объясняется тем, что подход волн к это-
му откосу должен совершаться против течения.
На залесенных поймах волны не развиваются совсем и насы-
пям не угрожают.
В последние десятилетия в связи с развитием гидротехническо-
го строительства на автомобильных и железных дорогах появились
мостовые переходы, находящиеся в подпоре. Откосы насыпей та-
ких переходов уже не периодически, а постоянно подтопляемые.
В отличие от переходов через свободные реки уровни у верхового
и низового откосов насыпи в этом случае почти одинаковы.
На водохранилищах неизбежно волнообразование, опасное для
насыпи, даже в тех случаях, когда господствующие ветры действу-
ют нефронтально по отношению к ней. Волнение, развивающееся
на поверхности водохранилищ, достигает значительной силы и мо-
жет наблюдаться как у верхового, так и низового откосов насыпей.
Например, на переходе р. Дона, находящемся в подпоре от Цым-
лянской ГЭС, опасные для насыпи волнения возникают исключи-
тельно с низовой стороны.
Волны, набегающие на откос насыпи, взбегают по нему на зна-
чительную высоту, и вода может попасть на обочину земляного
полотна. Этого не следует допускать, так как при откатывании
волн струи воды могут смывать грунт с обочины.
Высота и длина волны зависят от скорости ветра IF (м/с) и дли-
ны разбега волны L (км). Однако на узких, длинных (более
5-кратной ширины) и мелких водных пространствах волны, возник-
шие на глубоких частях водотока, не могут распространяться.
В этих условиях высота волны ограничивается глубиной мелкого
водного пространства, так как не развивается длина волны, соот-
ветствующая скорости ветра и длине разбега. Максимальная дли*
на волны ограничивается двойной глубиной воды. Фактически она
еще меньше, так как все теоретические расчеты волн справедливы
для неподвижной воды, а в данном случае речь идет о развитии
волн на поверхности текущей воды.
Высота волн составляет от 713 до Vs от ее длины (в среднем
7ю)« Поэтому можно считать, что пределом высоты волны на пой-
ме является величина
Лвол<-^-=0,2йп6. (5.2)
5*—2869
133
Волна, набегая на откос насыпи, поднимается по нему до высо-
ты (от спокойного уровня воды)
Анаб = 4--^В0Л , (5.3)
т
где /Си—коэффициент относительной шероховатости откоса; т—
коэффициент заложения откоса (рис. 5.2).
Длина волны принята при этом равной десятикратной ее вы-
соте.
Коэффициент относительной шероховатости откоса зависит
от типа покрытия откоса:
Сплошное непроницаемое гладкое покрытие (асфальто-
бетон, монолитный бетон)........................ 1
Сборные бетонные плиты................................. 0,9
Каменная кладка (мощение) и дерн.................... 0,75—0,80
Наброска из булыжника............................. 0,60—0,65
То же из рваного камня................................ 0,55
» из тетраподов..................................... 0,50
У насыпей переходов через водохранилища из-за большой глу-
бины неподвижной воды и значительных расстояний разбега вол-
ны могут получаться значительными, но все же меньшими предела,
определяемого формулой (5.1). Высоту таких неразрушенных волн
следует определять по указаниям СНиП II—57—75, . непосредст-
венно по скорости ветра W и длине разбега L. Для быстрого рас-
чета высоты волны в этих условиях можно воспользоваться форму-
лой В. Г. Андреянова
^BO^=0,02UZ5/V.V3, (5.4)
где W— скорость ветра, м/с; L — разбег волны, км; /гвол — высота
волны, м.
Высоту волны по формуле (5.4) следует вводить в расчет толь-
ко при условии, что она меньше определяемой формулой (5.1).
Следует иметь в виду, что скорость ветра после постройки во-
дохранилища обычно возрастает из-за уменьшения трения между
воздушным потоком и водной поверхностью по сравнению с дви-
жением воздушного потока над сушей. Поэтому в расчетах высоты
волн не следует использовать данные о скоростях ветра, получен-
ные до постройки водохранилища. Если водохранилище еще толь-
ко проектируется, то расчетные скорости ветра следует увеличить
на 30—50% против наблюдавшихся.
Удар волны об откос вызывает силовое воздействие воды на
укрепление откоса и на грунт.
Разница между уровнями в зонах потока, примыкающих к вер-
ховому и низовому откосам насыпей, создает тенденцию к фильт-
рации воды через тело насыпи. Однако прежде чем начнется тран-
зитная фильтрация, должно произойти насыщение водой сухой
пойменной насыпи. В ряде случаев к началу паводка и разливу
134
воды на поймы насыпь бывает промерзшей. Это еще больше за-
трудняет .насыщение насыпи водой.
Процесс насыщения насыпи водой можно представить себе
следующим образом. По мере повышения уровня воды у откосов
насыпи происходит инфильтрация в тело насыпи одновременно с
обеих сторон. Скорость фильтрации зависит от того, как быстро
поднимается уровень воды на откосах и какова водопроницаемость
грунта, слагающего тело насыпи. Если способность грунта пропус-
кать воду невелика, то смоченной оказывается только толща грун-
та, непосредственно примыкающая к откосам насыпи.
Сильно водопроницаемые грунты, например крупные пески или
гравий, насыщаются водой очень быстро. В этом случае уровень
воды в тело насыпи во время подъема паводка почти не отстает от
уровня воды на откосах. Если пик паводка характеризуется большой
продолжительностью, то насыщение насыпи по всей ширине на оди-
наковую высоту с откосами возможно и при других грунтах. В этих
весьма редких случаях начинается транзитная фильтрация воды
через насыпь.
Начавшийся спад паводка приводит к тому, что уровень воды на
откосах снижается и снова начинается двустороннее движение во-
ды, но уже от середины тела насыпи к откосам.
При спаде воды происходит вытекание воды из пор грунта. Оно
вызывает разуплотнение грунта в теле насыпи, непосредственное
вымывание грунтовых частиц из откоса стекающей водой. Период
спада паводка часто характеризуется нарушениями устойчивости
откосов насыпей на мостовых переходах.
§ 5.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЙМЕННЫХ НАСЫПЕЙ
Пойменная незатопляемая насыпь на подходе к мосту может
быть разделена на характерные участки: спуск с берега речной до-
лины на пойму; участок насыпи с минимальным допускаемым воз-
вышением бровки над водой; подъем к мосту, обычно значительно
возвышающемуся над уровнем воды (рис. 5.3). Большая высота
уровня проезда по мосту сравнительно с участком насыпи мини-
мальной высоты объясняется необходимостью выдержать подмос-
товой габарит, а также обычно значительной конструктивной вы-
сотой пролетных строений, особенно с ездой поверху.
Выход с поймы на коренной берег речной долины (I) проекти-
руется как обычная дорога, так как эта часть подхода является
сопрягающей между пойменной насыпью и незатопляемой дорогой
вне пределов речной долины.
Рис. 5.3. Деление продольного про-
филя пойменной насыпи на характер-
ные участки
5**
135
Уклоны
150
1ч-5
ПО
125
135
130
о
211
Линия возможных гпуйин размыва
— _...Оланды I
|- Ч zt"1- -г >уа^^7тА
_______о________________
_______ ею ~~ Е=?м
rc j~HP^
___fr РОУ—
УМВ
R= 10000
К=280
Проектные &
отметки £
оси дороги
Расстояния 4fl|jo|flj|100 | 5Z71 5Z7 |зфо|5015/712^ 50 | 60 |ff| 55 Ы25!
” 1 J 7 - 1 J - • T \ n I I I * | 1 I _
о 1 2 3 4 K1 5 6 7 8 9 10 11+4?
2
3
5
6
Рис. 5.4 Пример продольного профиля мостового перехода
Минимальную отметку бровки насыпи (на участке II) назнача-
ют выше наибольшего расчетного уровня воды на суммарную вели-
чину повышения уровня воды при подпоре, возможного набега
волн на откос насыпи или некоторого конструктивного возвышения
бровки насыпи над водой, если волн нет, т. е. на большую из ве-
личин:
Ащ[п (5«5)
ИЛИ
Дт!П=АЙн+Дн. (5.6)
Величину конструктивного запаса Дн принимают равной толщи-
не дорожной одежды с морозозащитным слоем, но не менее 0,5 м.
Выполнение этого требования гарантирует неподтопление допол-
нительного слоя основания дорожной одежды, а следовательно, и
подстилающего ее грунта, что необходимо для сохранения расчет-
ного модуля упругости грунта, обычно значительно снижающегося
при увеличении влажности.
136
Поскольку снижение отметок поверхности воды на поймах по
направлению к мосту невелико и заметно охватывает только корот-
кое протяжение насыпи, низкие пойменные насыпи принято проек-
тировать горизонтальными. Продольный профиль проезжей части
моста и спуск с него (III) на насыпь с минимальными отметками
проектируют обычно в виде ряда вертикальных кривых больших
радиусов соответственно категории дороги. Иногда поверхность
проезжей части моста оставляют горизонтальной или проектируют
с односторонним уклоном, если вписывание кривых приводит к
слишком большому усложнению конструкций пролетных строений
и опор моста. Типичный пример продольного профиля мостового
перехода приведен на рис. 5.4.
Уклон на мосту не должен превышать предельного для дороги.
Если вертикальная кривая охватывает только участки земляного
полотна, то от края моста до вертикальной кривой дается прямая
вставка, не менее 10 м, с уклоном, принятым для проезжей части
моста.
Назначение минимальной отметки проезда по мосту связано с
определением необходимого возвышения пролетных строений мос-
та над уровнем воды.
Для мостов через несудоходные реки, а также для мостов с раз-
водными и подъемными судоходными пролетами минимальная от-
метка проезда Нм назначается (рис. 5.5, а) по формуле
77 м — ^расч “Ь Гн“Ь^кон, (5.7)
где 7/расч — расчетный уровень воды; ЛКОн — конструктивная высота
пролетных строений; Гн — подъем пролетных строений (или
опорных частей) над уровнем воды в несудоходных пролетах,
равный 0,75 м при расчетном уровне воды. При редком карче-
ходе эта норма повышается до 1,5 м, а при интенсивном — до
2 м.
Таблица 5.1
Класс водных путей Число этажей пароходов Ширина ПЛОТОВ, м Глубина судового хода, м Ширина В, м Высота Г, м
Низовое направле- ние Взводное направле- ние по середи- не пролета у опор
I 3 100 >2 140 120 13,5 5,0
II 2—3 85—100 1,6—2,2 140 100 12,5 4,0
III 2 55—85 1,1—2,0 120 80 10 3,5
IV 1 ,=Г—2 40—55 0,8—1,4 80 60 7 2,5
V 1,5 30—40 0,6—1,5 60 40 7 9
VI 1 14—30 0,45—0,8 40 20 3,5 1,5
VII — 14 0,6 20 10 3,5 1,0
Примечание,
мости от класса путей
Ширина габарита поверху допускается
и изменчивости навигационных уровней.
от
1/2 В до 2/3 В
в зависи-
137
Для судоходных и сплавных рек отметка проезжен части моста
определяется высотой подмостового габарита Г, обеспечивающего
безопасный пропуск судов и плотов под мостом.
Минимальная отметка проезжей части на длине судоходных
пролетов высоководного моста определяется (рис. 5.5, б) по фор-
муле
Ям = РСУ+Д + йК0Н, (5.8)
где РСУ— расчетный судоходный уровень, обычно значительно бо-
лее низкий, чем расчетный для моста и насыпи; Г — судоходный
габарит, отсчитываемый от РСУ и назначаемый по табл. 5.1 со-
ответственно классу пересекаемого водного пути.
При этом отметка моста не может быть принята меньшей, чем
вычисленная по формуле (5.7).
По НСП 103—52 все судоходные и сплавные реки разделены на
семь классов. Класс реки по перспективному использованию опре-
деляют органы речного флота и лесосплава. Высота подмостового
габарита тесно связана с величиной судоходных пролетов, назна-
чаемой в соответствии с классом реки,, в то время как величину не-
судоходных пролетов выбирают по экономическим соображениям.
Подмостовым габаритом (рис. 5.5, в) называют предельное,
нормальное к направлению течения очертание границ пространства
в пролете моста, которое должно оставаться свободным для бес-
препятственного пропуска судов и плотов и внутрь которого не
должны вдаваться никакие элементы моста или расположенные на
нем устройства.
Количество судоходных пролетов в мосту должно быть, как
правило, не менее двух: один для взводного и один для сплавного
судоходства. Один судоходный пролет разрешается устраивать
только в однопролетных мостах или при условии, что второй про-
лет не может быть размещен из-за недостаточной ширины русла
реки. Судоходный пролет можно считать действующим только в
том случае, если на всей его ширине могут плавать суда даже
при наинизшем уровне воды, причем в любой точке пролета долж-
на быть обеспечена глубина, требуемая по классу водного пути.
Размеры судоходных пролетов могут быть неравными. Величи-
на пролетов для сплавного судоходства принимается несколько
большей, чем для взводного. Это делается в связи с тем, что иду-
щие вниз по течению суда в связи с увеличением скорости воды у мо-
ста приобретают рыскливость, управление ими затрудняется, воз-
никает опасность навала судов на опоры моста.
Если по конструктивным или архитектурным соображениям ве-
личины обоих судоходных пролетов принимаются одинаковыми, то
их размер должен соответствовать наибольшему из двух, требу-
емых по нормам.
Ширина судоходного пролета может быть несколько уменьшена
лишь для мостов через узкие судоходные каналы, но при условии,
что пролет перекрывает не только весь канал, но и бечевники, пред-
назначенные для береговой тяги судов.
138
Таблица 5.2
Класс водных путей а К Класс водных путей а к
I 1:50 1:20 V 1:20 1:33
И 1:33 1:16 VI 1:25 1:50
III 1:25 1:16 VII 1:25 1:50
IV 1:20 1:20
Высота расчетного судоходного уровня должна удовлетворять
основному требованию, чтобы при высоком паводке с некоторой
заданной вероятностью превышения затруднения судоходства под
мостом наблюдались не более установленного числа дней.
Расчетный судоходный уровень для нешлюзованных рек опре-
деляют в соответствии с НСП 103—52 следующим образом. По
табл. 5.2 задают вероятность превышения расчетного паводка и,
считая ее равной эмпирической вероятности, устанавливают номер
расчетного половодья в ранжированном ряде максимальных уров-
ней реки. Этот номер равен
№ = а(п + Г), (5.9)
где п — число лет систематических наблюдений за уровнями на
ближайшем водомерном посту.
Определив по ранжированному ряду уровней расчетный год,
устанавливают для него фактическую продолжительность навига-
ции Т в сутках. Разрешается, чтобы во время половодья расчетный
судоходный уровень был превышен в течение нескольких дней /,
причем допустимая продолжительность превышения определяется
формулой
1=кТ, (5.10)
где к — доля потерянного навигационного времени по сравнению с
полной продолжительностью навигации в расчетном году (при-
нимаемая по табл. 5.2).
Для установления расчетного судоходного уровня строят график
(рис. 5.6) ежедневных уровней в расчетном году и наносят на нем
Рис. 5.6. Схемы к определению рас-
четного судоходного уровня
Рис. 5.7. Конус насыпи и примыкание
струенаправляющей дамбы к насыпи
Рис. 5.8. Поперечные профили насыпи на поймах
этот уровень таким образом, чтобы более высокие, чем он, уровни
наблюдались не более чем t сут.
Для рек с быстро поднимающимся и спадающим половодьем
расчетный судоходный горизонт значительно ниже пика половодья
в расчетном году (см. рис. 5.6, а). Наоборот, для рек, характери-
зуемых долгим стоянием высоких уровней, разница между наивыс-
шим уровнем и расчетным судоходным горизонтом будет ничтожна
(рис. 5.6, б).
Пойменная насыпь в месте примыкания к мосту заканчивается
конусом (рис. 5.7, а). Сопряжение насыпи с мостом может быть
осуществлено различными способами. Наилучшим из них с точки
зрения беспрепятственного пропуска водного потока является уст-
ройство обсыпного устоя, когда поток обтекает укрепленную по-
верхность земляного конуса, а береговая опора с водой не сопри-
касается.
Если устройство укрепленного конуса не обеспечивает плавного
подведения пойменного потока к отверстию моста и в состав мос-
тового перехода включаются пойменные струенаправляющие соору-
жения, то они должны примыкать к конусу таким образом, чтобы
поток плавно обтекал речной откос сооружения, а не конус. В этом
случае (рис. 5.7, б) гребень струенаправляющей дамбы, распола-
гаемый на том же уровне, что и бермы высокой насыпи у моста,
сопрягают с ними плавными кривыми — площадками, позволяющи-
ми подвозить ремонтные материалы на дамбу. Кроме того, предус-
матривают проезд по гребню дамбы под мостом, если этому не
препятствует высота последнего пролета моста.
Ширину пойменной насыпи поверху назначают в соответствии
с категорией дороги, а крутизну откосов — в зависимости от высо-
ты насыпи и условий ее работы.
Надводную часть высокой насыпи на подъеме к мосту проекти-
руют как обычную дорожную насыпь. Откос, омываемый водой,
проектируют не круче, чем 1 :2, с уположением на 74 на каждые
6—8 м высоты.
Сухой и омываемый откосы сопрягают горизонтальной площад-
кой— бермой — шириной 2—3 м, устраиваемой на уровне низкой
пойменной насыпи. Очертание поперечного профиля высокой насы-
пи у моста показано на рис. 5.8, а. Устройство бермы обеспечивает
140
пригрузку нижней части откоса насыпи и увеличивает ее устойчи-
вость. Бермы используют также для размещения ремонтных мате-
риалов на случай повреждения укреплений откосов во время павод-
ков и подвоза ремонтных материалов на регуляционные сооруже-
ния у моста.
При проектировании высоких пойменных насыпей необходимо
проверять расчетом устойчивость откосов и величину их осадок
(см. гл. 1).
Откосы низких насыпей, омываемых практически на всей высо-
те, проектируют с крутизной не более 1 : 2, начиная непосредствен-
но от бровки, с уположением на 1/± на каждые 6—8 м высоты (рис.
5.8, б).
На переходах через меандрирующие реки на протяжении низ-
кого участка пойменные насыпи часто пересекают староречья. В
этих местах (рис. 5.8, в) на откосах насыпи устраивают бермы на
уровне берегов староречья. Ширина берм зависит от глубины ста-
роречья, но не должна быть менее 2—3 м. Назначением такого
контрбанкета, верх которого образует берму, является обеспечение
плавного протекания воды вдоль откоса насыпи без завихрений
над откосом в пределах староречья. В связи с тем, что контрбан-
кет может быть размыт, его обычно выполняют в виде каменной
наброски, что особенно удобно, так как часть его расположена ни-
же постоянного уровня воды.
Откосы пойменных насыпей на мостовых переходах, подвер-
женные действию воды, соответственно укрепляют или защищают
специальными сооружениями.
Наиболее частыми повреждениями пойменных насыпей являют-
ся обрушения откосов, размыв откосов продольными течениями и
разрушение их волнами или льдинами, выносимыми течением из
русла на поймы. Обрушение предотвращают приданием откосам
надлежащей пологости, проверяемой расчетом.
С целью защиты пойменных насыпей от продольных течений
принимают различные меры, которые могут быть пассивными, т. е.
не устраняющими причин подмыва, и активными — в большинстве
случаев более рациональными и экономичными. Для пассивной
защиты насыпей от продольных течений устраивают различного
рода откосные укрепления, тип которых назначают в зависимости
от скорости течения у откоса насыпи. Скорость течения пойменных
вод определяют при этом расчетом или по наблюдениям в процес-
се эксплуатации перехода.
Откосы насыпи на подъеме к мосту, расположенные выше берм,
защищают только от поверхностных вод, попадающих на откосы,
при дожде или снеготаянии. Наибольшее распространение получил
засев незатопляемых откосов травами.
Типы укреплений подтопленных откосов достаточно хорошо из-
вестны. Дерн применяют для укрепления этих откосов при малых
скоростях течения. Одерновку «плашмя» устраивают травой вверх.
Обязательным условием применения дерна является тщательная
перевязка швов между отдельными дернинами и плотная прибив-
141
ка дернин к откосу деревянными спицами длиной не менее 25—
30 см. Каждую дернину размером в плане 0,5X0,25 м прибивают
четырьмя спицами. Работы по одерновке откосов необходимо про-
водить в сырое время года, когда возможно быстрое «приживание»
дернины к месту укладки и прорастание свежесрубленных ивовых
спиц. Для одерновки применяют свежие дернины, нарезанные из
плотного лугового дерна, с густой, но низкой травой. Болотный
дерн, содержащий мох, или слишком тонкий дерн, (тоньше 0,08 м),
обычно распространенный на сухих или песчаных почвах, непри-
годны для укреплений периодически смачиваемых откосов. Откосы
песчаных пойменных насыпей перед укладкой дерна должны быть
покрыты тонким слоем растительной земли.
Каменные мостовые на откосах устраивают в один и два слоя.
Нижний слой двойной мостовой делают из мелких камней, верх-
ний— из более крупных. Камень для мостовых применяют как ва-
лунный, так и рваный или колотый размером в поперечнике от 18
до 30 см. Камни укладывают плотно с подбором по форме и круп-
ности. Швы между камнями расклинцовывают мелкой щебенкой.
Для предохранения от вымывания грунта из-под камней мощение
располагается на слое гравия или щебня. При отсутствии волнобоя
толщина подстилающего слоя может быть минимальной. Если же
защита откоса предусматривается не только от течения, но и от
ударов волн, то подстилающий слой должен быть мощным, до 20—
30 см, и устроен по принципу обратного фильтра, т. е. на грунт
должны быть уложены мелкие фракции, прикрываемые затем
слоем более крупных фракций гравия или щебня.
Укрепление откосов всегда заканчивается внизу устройством
упора, защищающего его подошву от подмыва. Если дерновый
покров поймы будет разрушен течением, то размыв произойдет за
упором и откоса не коснется. Упор при этом разрушится (рис.
5.9, а) и слагающие его материалы прикроют откос местной ямы
размыва. Глубину заложения и объем упора назначают исходя из
ожидаемого местного размыва у сооружения. Обычно упоры (рис-
бермы) не применяются при размывах более 3 м.
Ширина упора при откосах круче 1 :2, достаточная для удер-
жания укрепления на откосе, может быть определена расчетом
(см. рис. 5.9, б):
<sin 2' - f со*2 — > (5-11)
J 2/Ар Yk—Yb
где Ьукр — искомая ширина упора; I — длина укрепления (по отко-
су); Аукр — толщина укрепления вместе с подстилающим слоем
щебня или гравия: йр — ожидаемая глубина размыва; 0 — угол
наклона откоса к горизонту; f— коэффициент трения при по-
движке укрепления по грунтовому откосу (/»0,5); ук, ув—
объемные веса камня и воды.
Необходимость в таком расчете может встретиться только при
проектировании защиты существующей насыпи, так как правилами
142
Рис. 5.9. Схема к расчету упора от-
косного укрепления
Рис. 5.10. Схема расположения пой-
менных траверсов
проектирования, изложенными выше, предусматривается крутизна
откоса пойменных насыпей не более 1 : 2.
На мостовых переходах получил также распространение тип
укрепления откосов насыпей от течений и волн в виде каменного
мощения в плетневых клетках. Колья и хворост плетневых клеток,
прорастая, придают откосу значительную шероховатость, снижа-
ющую набег волн на откос, а следовательно, и скорости течения
воды в откатывающихся волнах.
Укрепления, описанные выше, широко распространены, но име-
ют недостаток, заключающийся в полной невозможности механиза-
ции работ. При значительных объемах работ применяют поэтому
плитные бетонные укрепления, хотя прямой необходимости в этом
может и не быть, так как скорости течения на поймах редко до-
стигают допускаемых для бетонных укреплений. Элементы таких
укреплений могут быть изготовлены заводским способом и уложе-
ны механизированно на откос насыпи.
Выбор типа покрытия откоса насыпи может быть быстро сде-
лан по табл. 5.3, исходя не только из скорости течения, но и из
возможной высоты волн. К устройству одиночного и двойного мо-
щения следует прибегать только при незначительных площадях
укрепления.
Для активной защиты насыпей от продольных течений устраи-
вают поперечные незатопляемые сооружения — траверсы, отклоня-
ющие течение пойменных вод от откоса насыпи (рис. 5.10). Такие
поперечные сооружения подвергаются набегу пойменных струй и
Таблица 5.3
Тип укрепления Допускаемая скорость течения, м/с Допускаемая высота волны, м
Дерн «плашмя» Одиночное мощение Двойное » Бетонные плиты До 1,5 » 3,0 » 5,0 Более 5,0 0,25 0,50 0,70 В зависимости от раз- мера плит
143
подмыву их головных частей. Однако эти повреждения могут быть
устранены в периоды между паводками. Необходимое количество
пойменных траверсов обычно невелико. Для их устройства исполь-
зуют чаще всего грунт, дерн и небольшое количество камня, в свя-
зи с чем стоимость строительства траверсов меньше, чем укрепле-
ний откоса насыпи.
Траверсы можно применять только при отсутствии набега волн
на насыпь. В противном случае нужно обязательно укреплять от-
косы насыпи, так как траверсы не предохраняют насыпь от воздей-
ствия волн.
Укрепление и защита откосов пойменных насыпей от волнобоя
имеет особо важное значение для насыпей на водохранилищах.
Существенное внимание должно уделяться не только расчету са-
мого укрепления, но и обеспечению устойчивости основания этих
укреплений, т. е. самой насыпи.
Откосы насыпей при волнобое испытывают значительное дав-
ление, сменяющееся некоторым разрежением при откате волны;
в это время укрепление откосов насыпей испытывает гидростати-
ческое давление со стороны насыпи. Грунты, находящиеся в теле
земляного полотна, работают при этом в условиях периодического
нагружения. При неблагоприятном гранулометрическом составе
грунтов, подверженных тикстотропии — разжижению, может про-
исходить разрушение укрепления откосов.
Лучшим средством для предотвращения разрушения откосных
покрытий из-за потери основания является правильный подбор
грунтов для насыпи. Для мостовых переходов целесообразно ис-
пользовать гидромеханический способ сооружения насыпей. При-
меняя гидромеханизацию, существенное внимание следует уделить
выбору карьеров грунта, из которых будет намываться насыпь.
Грунты дна русла и достаточно глубоко залегающих под пой-
мой слоев аллювия обычно являются хорошим материалом для ус-
тройства насыпей. Они хорошо промыты водой, лишены, как пра-
вило, пылеватых частиц и образуют надежное основание для ук-
репления откосов. При использовании для намыва верхних пластов
пойменных грунтов в насыпи будет неизбежно наличие пылеватых
частиц. Это допустимо только для периодически подтапливаемых
насыпей.
Грунты, содержащие значительное количество пылеватых час-
тиц, под действием периодически повторяющихся ударов волн мо-
гут прийти в состояние плывуна и полностью потерять несущую
способность.
В этом случае расстраивается или разрушается даже прочное
плотное железобетонное укрепление откосов, обычно применяемое
на переходах через водохранилища.
Процесс разрушения укреплений протекает постепенно. Плиты
укрепления укладывают всегда на слоистом обратном фильтре из
специально подобранной гравийной или щебеночной смеси толщи-
ной 30—45 см, снимающей гидростатическое давление при откате
волн. Фильтр обычно имеет 40—45% пустот. При ударах волн
144
фильтр начинает проникать в те-
ло насыпи, перемешиваясь с плы-
вунным грунтом.
По мере просадки фильтра на-
чинают проседать плиты укреп-
ления, а через образовавшиеся
щели волны вымывают грунт и
материал фильтра.
При разрушении плитного по
крытия фильтр уже не снимает
гидростатического давления, так
как перемешанный с грунтом он
практически перестает быть во-
!. 5.11. Схема к расчету плитного
укрепления откоса
допроницаемым.
При неизбежности устройства насыпей из пылеватых грунтов
укрепление откосов должно быть настолько мощным, чтобы дина-
мическая нагрузка от удара волны гасилась в толще фильтра или
другой подготовке под плитным покрытием и не передавалась не-
посредственно на грунт. Для этого фильтр должен иметь толщину
не менее 80—60 см при тщательно подобранном его составе по
слоям.
Расчет плитного укрепления, работающего совместно с грунто-
вым основанием, разработан И. А. Ярославцевым. Этот расчет не-
обходим при проектировании укреплений откосов насыпей из мел-
козернистых и пылеватых песков.
Необходимую толщину плитных укреплений часто определяют
упрощенным расчетом. Прежде всего устанавливают возможную
высоту волны и высоту набега волн на откос. Набег волн на откос
определяет верхнюю границу крепления откоса плитами. Затем
рассчитывают необходимую толщину плиты ЛПл, пользуясь эмпи-
рической формулой (рис. 5.11):
0,11 ^нОлУв 1 /72“
(Y6~Yb)/^ т
(5.12)
где &пл — размер сторон плиты, м; т — крутизна откоса; Тв~
объемные веса бетона и воды.
Плита такой толщины не будет сброшена волной с откоса.
Для защиты пойменных насыпей от волн и облегчения укреп-
ления откосов в некоторых случаях можно использовать приемы
снижения высоты волн. Одним из таких приемов является устрой-
ство плавучих заграждений, так называемых бон, которые переме-
щаются вместе с волной по направлению к откосу насыпи, а затем,
останавливаясь при натяжении анкерных канатов, принимают на
себя часть волновой нагрузки, передавая ее анкерным закрепле-
ниям.
На мостовых переходах через свободные реки с периодически
затопляемыми поймами, кроме плавучих бон, можно устраивать
посадки кустарника и деревьев у верховых откосов насыпей. По-
145
лосы насаждений снижают высоту проходящей волны в результате
сил трения между водой и кронами насаждений. Обычно у мосто-
вых переходов удается снизить высоту волны на 30—50 см при
помощи плавучих бон и на 50—70 см при помощи посадок.
В зоне, примыкающей к верховым откосам насыпи, раститель-
ность развивается значительно хуже, чем с низовой стороны. Ро-
сту посадок в этом случае мешают большие скорости течения и
проход льдин. Поэтому с верховой стороны насыпи посадки следу-
ет располагать только на тиховодье и рассчитывать на их действие
лишь в том случае, если имеется полная уверенность, что они при-
живутся.
Необходимая ширина полосы посадок кустарника перед насы-
пью зависит от высоты волн на пойме и от того остаточного допу-
стимого значения высоты волны, которое может быть воспринято
откосами насыпи без существенных укреплений. Обычно считают,
что высота волны 0,20—0,25 м не опасна для дернового откосного
укрепления. При высоте волны 0,6—0,7 м ширину посадок назна-
чают 40—50 м, при высоте волн 1 м — около 100 м.
Глава 6
РЕГУЛЯЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
§ 6.1. ЗАДАЧИ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕК У МОСТОВ
Неблагоприятное развитие русловых деформаций на мостовом
переходе может привести к повреждениям сооружений. Чтобы сде-
лать неизбежные русловые деформации безопасными для основных
транспортных сооружений, в состав мостового перехода включают
регуляционные сооружения различной формы, конструкции и на-
значения. Форму и размеры сооружений устанавливают исходя из
конкретных задач регулирования.
Правильный подход к проектированию регуляционных соору-
жений возможен только на основе прогноза русловых деформаций
на длительный срок. Русловые деформации различны на реках
разных типов, поэтому регуляционные сооружения приобретают
специфическую форму в зависимости от типа реки.
На равнинных реках с поймами в большинстве случаев мостом
перекрывается не только русло, но и некоторая часть поймы. Рас-
пределение расхода реки между руслом и пойменной частью от-
верстия моста, а следовательно, и размывы на этих частях отвер-
стия зависят, в частности, от того, как пойменные воды подводят-
ся к мосту.
Чтобы разгрузить пойменный участок отверстия моста от из-
лишнего количества воды (см. § 4.7) и ликвидировать опасный
146
местный размыв у конуса насыпи (рис. 6.1, а), применяют поймен-
ные струенаправляющие незатопляемые сооружения (рис. 6.1, б).
Под их действием течение под мостом становится близким к пря-
молинейному и равномерному, местный размыв отодвигается
вверх против течения к голове струенаправляющего сооружения,
а в ряде случаев уменьшается.
Однако пойменные струенаправляющие сооружения выполня-
ют и другие, более важные функции. При отсутствии регуляцион-
ных сооружений размыв у моста происходит на ограниченной пло-
щади Дй (рис. 6.2, а), в связи с чем объем размыва невелик. Раз-
мыв в таких условиях происходит быстро и неравномерно; при
обнажении в процессе размыва пластов или линз грунтов, слабо
сопротивляющихся размыву, углубление будет развиваться прежде
всего в этих местах.
Если струенаправляющие сооружения будут иметь значитель-
ную длину, то площадь, на которой происходит размыв, существен-
но возрастет (рис. 6.2, б). Одновременно возрастет и объем грунта,
который должен быть вынесен вниз по течению до того, как раз-
мыв под мостом достигнет расчетной величины, в связи с чем умень-
шится скорость размыва и повысится его равномерность.
При наличии струенаправляющих пойменных сооружений раз-
мыв распространяется вниз по течению тем медленнее, чем длин-
нее эти сооружения, особенно если пойменным сооружениям при-
Рис. 6.1. Схема защиты конуса от размыва
Рис, 6.2. Зоны размыва перед мостом
147
дать такую форму в плане, чтобы вблизи моста ширина сжатого
потока почти не изменялась.
Пойменные струи, текущие к отверстию моста параллельно
пойменной насыпи, должны перед мостом изменить свое направ-
ление на перпендикулярное первоначальному. Для этого поймен-
ные струи должны быть сначала принудительно искривлены, а
затем выпрямлены. Поэтому очертание верховых дамб, вдоль ко-
торых будут протекать пойменные струи перед мостом, должно
иметь переменную кривизну. Вдали от моста их кривизна должна
быть значительной (на этом участке происходит искривление и
поворот струй), а непосредственно у моста — малой (на этом уча-
стке совершается выпрямление струй). Малая кривизна сооруже-
ний у моста обеспечивает и малую скорость размыва под мостом.
Чем большая кривизна будет придана стенкам потока — струе-
направляющим дамбам, расположенным выше моста по течению,
тем на меньшем протяжении может совершиться поворот поймен-
ных струй в отверстие моста. Однако кривизна дамб не должна
быть больше той, при которой обеспечивается безотрывное обте-
кание их водными струями.
Частицы жидкости движутся вдоль дамбы по криволинейной
траектории, не совпадающей с общим направлением течения. При
этом появляется поперечный уклон свободной поверхности, обес-
печивающий разность гидростатических давлений в двух смежных
точках поперечного сечения потока, необходимую для искривле-
ния траектории жидких частиц. Однако величина поперечного ук-
лона не может быть произвольно велика.
Центростремительное ускорение частиц реальных водных пото-
ков может быть создано только под действием веса жидких ча-
стиц. Другой движущей силы в открытых потоках нет.
Центростремительная сила, действующая на частицу жидкости
с массой т, может быть выражена через поперечный уклон потока
1п по формуле (рис. 6.3, а):
Ci=mgl„. (6.1)
Центростремительная сила вызывает появление равной по
величине реактивной центробежной силы С2:
Ь2-------,
Р
где v — поступательная скорость течения.
Из равенства активной и реактивной сил Ci = C2 следует, что
жидкая частица, обладающая скоростью v, может приобрести цент- ,
ростремительное ускорение gln и двигаться по траектории, харак-
теризуемой радиусом кривизны
и2
о =-------------------------------.
glu
Поток на участке мостового перехода движется с некоторым
уклоном свободной поверхности 10, отличающимся от бытового
(6.2)
(6.3) ;
148
Рис. 6 3. Схемы к расчету криволинейных струенаправляюших дамб
уклона /б. Величина уклона /0 определяет одновременно и величи-
ну движущей силы, приходящейся на каждую единицу веса жид-
кости.
Частицы жидкости, движущиеся вдоль криволинейной струе-
направляющей дамбы, испытывают центростремительное ускоре-
ние, создаваемое одной составляющей движущей силы, направлен-
ной нормально сооружению (рис. 6.3, б):
glu=glosma, (6.4)
где а — угол, образуемый направлением движения жидкой части-
цы в данной точке длины дамбы и общим направлением тече-
ния всего потока. Значение угла а меняется от 90° в голове
дамбы, где к ней подходят пойменные струи, текущие парал-
лельно пойменной насыпи, до 0° у корня дамбы, т- е. в мостовом
отверстии.
Используя выражение (6.4), получаем, что необходимый пере-
менный радиус кривизны обтекаемой дамбы
r glo sin а
где v — переменная скорость вдоль дамбы.1
Обозначим скорость в точке примыкания дамбы к мосту через
цм; очевидно, это — скорость на пойменном участке отверстия
1 Способ расчета струенаправляющих дамб разработан автором этой книги
в 1936—1939 гг.
149
моста. Тогда, введя скорость в числитель и знаменатель форму-
лы (6.5), получим
Здесь обозначено
2
const и f (а)=—-----------
v;sina
Проанализируем, как может меняться функция f(a), определя-
ющая собой кривизну струенаправляющей дамбы.
При помощи струенаправляющих сооружений поток постепен-
но сжимается, поэтому его скорость должна увеличиваться по мере
приближения к мосту. Как крайний случай, скорость пограничной
струи, непосредственно обтекающей дамбу, может быть постоян-
ной на всем протяжении. Рассмотрим этот первый частный случай.
Принимая, что v = = const, получим
7(a)- —------, Р = —— • (6.7)
sin а sin а
Кривая, очерченная по уравнению (6.7), называется бисинусои-
дой. Для разбивки очертания сооружения на местности удобнее
пользоваться системой прямоугольных координат. Уравнение би-
синусоиды при размещении начала координат в голове дамбы мо-
жет быть записано в виде параметрических уравнений:
х — —/?1п sin а у ~R^~---ар
$=—/?Intg-p (6.8)
или
у =— arcsin (6.9)
Полному выправлению пойменных струй соответствуют угол
а —0 и координаты х~оо и y~~R~.
Для удобства разбивки оси струенаправляющего сооружения
по бисинусоиде начало координат следует переместить в точку
примыкания дамбы к мосту, ограничить длину дамбы, принимая
минимальный угол не а —0, a czmm“50, и осуществить примыкание
дамбы к мосту по дуге круга (рис. 6.3, в).
Пойменные струи на протяжении верховых струенаправляющих
дамб фактически имеют ускорение. Для установления темпа уве-
личения скорости пограничной струи, обтекающей верховую струе-
направляющую дамбу, автором были проведены лабораторные ис-
следования обтекания бисинусоидальных дамб. Результаты опытов
150
представлены на рис. 6.4, а, где показано, как нарастает относи-
тельная скорость и : им вдоль дамбы.
Можно с достаточной точностью описать график изменения от.
носительной скорости эмпирическим уравнением
—j/cos а. (6.10}
При а = а = 0; при а = 0°, а = ом, т. е. на длине дамбы ско-
рость возрастает от нуля до расчетной для пойменного участка от-
верстия моста.
Этому второму частному случаю изменения скорости вдоль дам-
бы соответствует значение f (а) в уравнении (6.6)
/(“) = “Г
tga
и уравнение переменного радиуса кривизны верховой струенаправ-
ляющей дамбы
tga '
(6.U)
При переходе к системе прямоугольных координат получаем
х — — К (сое а -|- In tg
= — sin a);
s= — 7? In sin a.
/Рис. 6.4. Зависимость формы дамбы от ' ”.
- скорости пограничной струп - к
(6.12)
151
Рис. 6.6. Схема прямолинейных струе-
направляющих дамб
Рис. 6.5. Схема устройства срезки
В практике могут наблюдаться и некоторые промежуточные
между рассмотренными условия обтекания головной части дамбы,
где фактически скорость будет находиться в пределах от 0 до им.
Таким промежуточным значениям скорости в начальной точке дам-
бы будут соответствовать и некоторые промежуточные очертания
дамб, однако нет необходимости в такой детализации очертания
струенаправляющих сооружений. На рис. 6.4, б показаны очерта-
ния дамб по уравнениям (6.8) и (6.12) при vM — i dem. Расхождение
их невелико, и без особой погрешности можно принимать во всех
случаях очертание верховых струенаправляющих дамб по бисину-
соиде, обтекаемое даже при скорости в головной точке =
Если допустить объединение потока, вытекающего из мостового
отверстия, с водными массами на поймах непосредственно у моста,
то пойменные воды будут присоединяться к потоку, расход и ско-
рость его увеличится, а поток окажется сжатым. Чтобы предохра-
нить устой моста от подмыва, возможного в таких условиях, устра-
ивают, кроме верховых, низовые незатопляемые струенаправляю-
щие дамбы, расходящиеся под углом, свойственным начальному
участку растекающегося спокойного потока. Этот угол не превы-
шает 10—12°, поэтому отклонение низовых струенаправляющих
дамб от оси потока будет по 5—6°. Сопряжение прямолинейных
низовых струенаправляющих дамб с криволинейными верховыми
следует осуществлять по дуге круга. Длина низовой струенаправ-
ляющей дамбы достаточна, если она не меньше половины длины
верховой дамбы.
Криволинейные струенаправляющие пойменные сооружения
уменьшают нагрузку водой пойменных участков отверстий мостов.
Однако в некоторых случаях необходимо разгрузить русловую
часть отверстия, чтобы уменьшить русловые размывы. При этом
отказ от струенаправляющих сооружений не является эффектив-
ным средством, так как с этим связано появление глубоких местных
размывов у конусов моста.
Для увеличения водопропускной способности пойменного уча-
стка отверстия моста рекомендуется применять срезки на глубину
152
V
h2, меньшую чем в русле h (рис. 6.5), т. е. искусственно увеличи-
вать глубину на этой части отверстия, одновременно устраивая
пойменные струенаправляющие сооружения. Действие искусствен-
ной срезки идентично уширению русла и всегда уменьшает глуби-
ну русла после размыва.
Однако уширение русла на мостовом переходе будет эффектив-
ным только в том случае, если новая увеличенная ширина будет
всегда необходима реке и если не будет происходить процесса вос-
становления обычной ширины русла, свойственной данному участ-
ку речной долины.
Увеличенная ширина русла будет устойчива, если пойма затоп-
ляется часто и работает достаточно интенсивно. В этих условиях
практически ежегодно будет наблюдаться сброс в русло пойменных
вод, которому соответствует увеличенная ширина русла.
Криволинейные струенаправляющие сооружения не являются
единственным типом регуляционных сооружений, применяемых
для улучшения работы мостовых переходов через равнинные реки.
Ряд существующих мостов, построенных без учета возможных
русловых деформаций, страдает от подмывов в связи с недостаточ-
ным заглублением фундаментов опор. Чтобы мосту не угрожала
постоянная опасность разрушения, следует реконструировать опо-
ры моста или защитить эти опоры от подмыва различными мерами,
или, наконец, отодвинуть размыв от моста вверх против течения.
Последняя мера наиболее эффективна.
Чтобы отодвинуть размыв на некоторое расстояние от моста,
необходимо построить не криволинейные, а прямолинейные парал-
лельные струенаправляющие дамбы (рис. 6.6, а), при помощи ко-
торых сжатое сечение потока перемещается вверх против течения
к входу в пространство между дамбами, расположенному вдали
от моста. Размыв в этом сжатом сечении приводит к интенсивному
выносу наносов вниз по течению, т. е. под мост. В силу этого раз-
мыв под мостом уменьшается. Полное прекращение размыва воз-
можно в том случае, если зона размыва на входе в пространство
между сооружениями будет заиливаться в периоды между павод-
ками. Следовательно, такая мера защиты моста от подмыва осо-
бенно эффективна на тех реках, где движение наносов достаточно
интенсивно. Если река несет очень мало наносов, то размыв под
мостом хотя и замедляется после постройки прямолинейных дамб,
но не прекращается и развивается из года в год, пока размыв не
охватит всего пространства между дамбами, т. е. снова будет на-
блюдаться и под мостом.
В отдельных случаях необходимо применять струенаправляю-
щие сооружения комбинированного очертания, когда при помощи
прямолинейной вставки удлиняется криволинейная дамба (рис.
6.6, б).
Русловые деформации, угрожающие устойчивости моста и пой-
менных насыпей, необязательно связаны со стеснением водотока.
В ряде случаев опасными являются и природные русловые дефор-
мации.
6—2869
153
Меандрирующие реки отличаются изменчивостью положения
русла в плане. Если меандрирующая река судоходна, то изменение
положения русла с течением времени может привести к неблаго-
приятному расположению судового хода относительно опор моста.
Кроме того, перемещение берегов русла может угрожать устойчи-
вости струенаправляющих сооружений и насыпей подходов, распо-
ложенных на поймах. Известны случаи, когда прижим русла к от-
косу насыпи или к откосу струенаправляющей дамбы приводил к
существенным повреждениям. Поэтому на меандрирующих реках
часто приходится проводить работы по укреплению берегов.
В некоторых случаях перемещение русел меандрирующих рек
происходит настолько интенсивно, что петли отдельных излучин
сближаются и возможен их прорыв.
Перед таким прорывом излучина русла занимает, как правило,
весьма неблагоприятное положение по отношению к сооружениям
мостового перехода. В таких случаях целесообразно искусственно
спрямлять русло (рис. 6.7) и отторгать часть русловой излучины,
превращая ее в староречье.
Устройство искусственного спрямления приводит к местному
увеличению уклона и транспортирующей способности потока, т. е.
к интенсивному размыву в месте спрямления с выносом значитель-
ного количества наносов в русло вниз по течению. Деформация
русла после устройства спрямления распространяется вверх и
вниз по течению и сопровождается постепенным уменьшением укло-
на. Но этот процесс всегда сопряжен со значительными плановыми
деформациями русла, так как всякому уменьшенному уклону рус-
ла соответствует увеличенная извилистость. Поэтому спрямление
должно всегда сопровождаться берегоукрепительными работами,
имеющими целью закрепить плановые границы русла на участке
спрямления.
Регуляционные сооружения на мостовых переходах через блуж-
дающие реки существенно отличаются от сооружений на равнин-
ных реках, так как задачи регулирования меняются.
Переходы через блуждающие реки стесняют русло, и мосты на
таких реках не имеют пойменных участков отверстия. Поэтому
струенаправляющие дамбы в этом случае не являются необходи-
мыми. Реки, протекающие в зоне аккумуляции, имеют скорость,
которая превышает неразмывающую для берегов. Берега предгор-
ных рек на ряде участков размыты, и русло в их пределах имеет
излишне большую ширину. На таких участках движение наносов
происходит лишь на ширине активной зоны русла, меньшей, чем
вся его ширина. При этом активная зона может перемещаться по
ширине русла, приближаясь то к одному, то к другому берегу.
Отверстие моста имеет ширину, равную ширине активной зоны
реки Во, или ее назначают меньше этой ширины. Движение нано-
сов в реках происходит скоплениями — побочнями, отмелями. Есте-
ственно, что скопления наносов испытывают перед проходом через
створ моста значительные деформации в связи с уменьшением ши-
рины фронта переноса наносов.
154
Рис. 6.7. Пример спрямления русла
Рис. 6.8. Регуляционные
сооружения у мостов че-
рез блуждающие реки
Если нет плавного перехода от участков большой ширины рус-
ла к мостовому отверстию малой ширины, то неизбежна задержка
скоплений наносов. Поскольку в скоплениях переносится подавляю-
щая масса руслоформирующих наносов, то задержка скоплений
перед мостом означает дефицит наносов в подмостовом сечении.
Следовательно, под мостом будут происходить значительные раз-
мывы, вызванные недостачей наносов. Чтобы избежать этого раз-
мыва, который может оказаться катастрофическим для моста, сле-
дует плавно ограничивать ширину русла на участке перед мостом,
постепенно уменьшая ее от ширины, свойственной реке в свободном
состоянии, до ширины отверстия моста (рис. 6.8, а). Ширину огра-
ничивают при помощи валов, сходящихся к мосту, которые в этом
случае направляют не струи воды, а подвижные скопления наносов.
Береговые валы одновременно постепенно изменяют ширину и
глубину русла и защищают насыпи подходов к мосту и берега
русла. На всем протяжении береговых валов прежний берег русла
оказывается прикрытым береговым валом и непосредственному
воздействию потока не подвергается.
Очертание береговых валов в плане должно быть плавным, че-
му соответствует и плавное изменение глубин по длине регулируе-
мого участка реки. Непосредственно перед мостом полезно со-
здать участок почти неизменной ширины потока от створа к створу.
При этом скорость развития русловых деформаций под мостом су-
щественно снижается. Важно отметить также, что принудительные
углубления русла, связанные со сжатием потока, начинаются лишь
со створа, ширина которого равна ширине активной наносонесу-
щей зоны русла.
На блуждающих реках, где глубины увеличиваются не только
сильно, но и всегда быстро, что объясняется большим расходом
наносов, можно применять специальную форму очертаний берего-
вых валов в плане, которую называют индийской. Еще в XIX сто-
летии для защиты некоторых мостов на индийских реках англий-
ский инженер Джемс Белл применил сооружения, расходящиеся по
направлению к мосту. Перед мостом и в удалении от берегов ши-
рокого русла создавался очаг размыва, наносы из которого посту-
пали к мосту вместе с водой. Скорость воды падала вниз по тече-
нию в связи с расширением потока. Это приводило к тому, что под
мостом образовывался намыв вместо размыва. После паводка
очаг размыва замывался, и при проходе следующего паводка про-
цесс образования очага размыва с выносом наносов под мост
повторялся.
156
Отрицательными сторонами этой системы сооружений были не-
которые явления, сопутствующие образованию зоны размыва.
Скопления наносов, двигающиеся на излишне широком участке
русла, задерживались перед входом в пространство между расхо-
дящимися дамбами. Это приводило к резким деформациям берегов
русла против остановившихся скоплений наносов, к подмывам го-
лов дамб и даже к прижимам зоны больших глубин к насыпям
подходов. Было отмечено несколько случаев, когда одновременно
с намывом под мостом происходил прорыв насыпи подхода к мосту.
Используя идею создания очага размыва перед мостом, впервые
примененную при устройстве прямолинейных дамб у мостов через
равнинные реки еще задолго до работ Джемса Белла, можно за-
проектировать и построить сооружения, которые, с одной стороны,
обеспечат плавное подведение скоплений наносов к мостовому пе-
реходу, а с другой — обеспечат уменьшение глубины потока под
мостом за счет растекания потока после прохода через очаг раз-
мыва (рис. 6.8, б).
Для этого необходимо заводить верховые участки береговых
валов за пределы разлива, чтобы препятствовать дальнейшему
расширению русловой зоны на всем протяжении фронтов регули-
рования и предотвратить свал зоны больших глубин к насыпям
подхода к мосту.
При помощи регуляционных сооружений и мероприятий на
ростовых переходах устраняются причины неблагоприятного раз-
вития русловых деформаций. Однако активные регуляционные ме-
эы всегда применяются вместе с пассивными для непосредственной
защиты сооружений от размыва. Это касается как самих регуля-
ционных сооружений, строящихся обычно из грунта и защищенных
эт размыва укреплениями различного рода, так и берегов рек и
насыпей подходов.
§ 6.2. НАЗНАЧЕНИЕ РАЗМЕРОВ РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ
НА МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДАХ ЧЕРЕЗ РЕКИ РАЗНЫХ ТИПОВ
На мостовых переходах применяют (см. § 6.1) следующие ос-
новные регуляционные сооружения и мероприятия:
1) пойменные незатопляемые криволинейные струенаправляю-
щие сооружения;
2) пойменные незатопляемые прямолинейные струенаправляю-
дие сооружения;
3) валы, стесняющие и ограждающие русловую зону блуждаю-
щих рек;
4) струеотбойные поперечные сооружения;
5) укрепления берегов русел;
6) срезки подмостовых русел;
7) спрямление русел у мостов.
Рассмотрим правила назначения размеров и компоновки основ-
ных регуляционных сооружений на мостовых переходах.
157
Рис. 6.9. Шпоровидная
(а) и грушевидная (б)
струенаправляющие дам-
бы
Пойменные криволинейные струенаправляющие сооружения
можно устраивать шпоровидные и грушевидные (рис. 6.9). В боль-
шинстве случаев экономичны шпоровидные сооружения. Примене-
ние грушевидных дамб целесообразно только в том случае, если
пойменная насыпь, косо пересекающая разлив, является направ-
ляющей для потока пойменных вод.
Длина криволинейных пойменных струенаправляющих соору-
жений (дамб) должна быть тем больше, чем больше подмостовое
русло перегружается водой, т. е. чем больше часть пойменного
расхода, проходившая по участку поймы, перекрытому насыпью
подхода к мосту. Кроме того, длина дамб должна быть тем больше,
чем быстрее происходят русловые деформации на переходе, ско-
рость которых пропорциональна интенсивности влечения наносов
в русле. Наконец, для плавного сужения и постепенного выпрямле-
ния струй, притекающих к мосту с поймы, длина струенаправляю-
щих дамб должна соответствовать плановым размерам потока, т. е.
определяться величиной отверстия моста. Это не означает, конечно,
что с увеличением отверстия моста на одном и том же створе, т. е.
с уменьшением стеснения потока, размеры дамб должны увеличи-
ваться. Речь идет о том, что размеры дамб должны быть увязаны
с шириной разлива реки. В точном расчете необходимой длины
струенаправляющих дамб нет особой необходимости. Следует лишь
подходить к решению этих вопросов исходя из физической сущно-
сти рабочих функций этих сооружений.
В условиях нормального пересечения водного потока следует
применять криволинейные струенаправляющие дамбы (рис. 6.10,а),
очертание которых может быть построено по парным координатам,
Рис. 6.10. Схемы определения длин пойменных струенаправляющих сооружений
на реках с одной (а) и двумя (б) поймами; Qnu и Qnn — расходы левой и пра-
вой пойм
158
приведенным в табл. 6.1, составленной по уравнениям (6.8) и
(6.12). Координаты оси дамбы могут быть определены путем умно-
жения табличных величин на величину линейного параметра
/?== 1/3/ю где /в — необходимая длина верховой струенаправляю-
щей дамбы тем большая, чем больше ширина разлива реки пли за-
висящая от него величина отверстия моста.
Ориентировочные отношения /в L, где L — отверстие моста в
зависимости от отношения P = Q : QM6 для рек с одной поймой, при-
ведены в табл. 6.2. После вычисления длины дамбы по этой табли-
це следует откорректировать величину /в по местным условиям и,
в частности, назначить расположение струенаправляющего соору-
жения таким образом, чтобы его головная часть находилась на воз-
можно более высоких отметках.
Для мостовых переходов через .реки с двумя поймами по
табл. 6.2 определяют суммарную длину двух струенаправляющих
дамб и распределяют ее между двумя сооружениями пропорцио-
нально величинам расходов воды, притекающей к мосту с каждой
поймы (рис. 6.10, б).
Таблица 6.1
Коорцинагы оси сгруенанравляющей чамбы при
cos а
№ точек 5 /? .V /г У R Лз | и У R
1 0 2,321 1,435 0 2,084 0,875
2 0,2 2,300 1,237 0,2 2,033 0,686
3 0,4 2,243 1,036 0,4 1,860 0,545
4 0,6 2,151 0,870 0,6 1,713 0,424
5 0,8 2,027 0,710 0,8 1,543 0,324
6 1,0 1,886 0,570 1,0 1,354 0,243
7 1,2 1,732 0,453 1,2 0,168 0,177
8 1,4 1,556 0,348 1,4 0,972 0,121
9 1,6 1,375 0,254 1,6 0,773 0,077
10 1,8 1,186 0,193 1,8 0,575 0,042
11 2,0 1,000 0,134 2,0 0,381 0,018
12 2,2 0,805 0,087 2,2 0,178 0,004
13 2,4 0,610 0,050 2,38 0 0
14 2,6 0,410 0,023 2,6 —0,219 0,006
15 2,8 0,210 0,006 ’ 2,8 —0,421 0,022
16 3,01 0 0 3,0 —0,620 0,043
17 3,2 —0,192 0,005 3,2 —0,819 0,064
18 3,4 —0,393 0,020 3,4 — 1,018 0,085
19 3,6 —0,592 0,041 3,5 —1,117 0,095
20 3,8 —0,791 0,062
21 4,0 —0,990 0,082
22 4,2 —1,189 0,103
Примечания. 1 Точка с координатами х = 0 и y = Q
ния дамбы к мосту. *
2. s — длина дамбы от ее головы до данной точки.
соответствует
месту примыка-
159
Таблица 6.2
Q vm6
1,0—1,2 0
1,25 0,15
1,50 0,30
1,75 0,45
2,0 0,60
2,5 0,75
При исключительно слабо ра-
ботающей пойме, когда реально
притекание воды к голове дамбы 1
с малой скоростью (лишь с по- ’
следующим ее увеличением на =
длине сооружения), следует уст- <
раивать дамбы, менее сильно «за-
кинутые» на пойму, пользуясь
для этого правой половиной табл.
6.1. Во всех остальных случаях
рекомендуется пользоваться ле-
вой половиной этой таблицы.
При косых пересечениях рек
расположение и размеры криво-
линейных пойменных струенаправляющих сооружений назначаются
с учетом следующих соображений. При набеге потока на дамбу,
т. е. при прижиме к ней водных струй она оказывается обтекаемой
даже при значительной кривизне, а при отклонении струй кривиз-
на дамбы должна быть малой, так как иначе часть отверстия
моста, примыкающая к этой дамбе, будет работать слабо из-за
плохой ее обтекаемости. Поэтому на косых мостовых переходах
размеры пойменных криволинейных струенаправляющих сооруже-
ний следует назначать таким образом, чтобы кривизна струена-
правляющей дамбы, встречающей поток, была больше, чем кривиз-
на дамбы с той стороны отверстия, откуда приходит основная мас-
са воды. При этом длина короткой дамбы может быть назначена
такой же, как для обычных мостовых переходов. Длину и очертание
большей дамбы назначают по ситуационным соображениям.
При больших расходах, подводимых к мостовому отверстию с
пойм, надо располагать сооружения так, как показано на рис. 6.11,
а, т. е. ориентируясь на направление потока при высоких водах,
подходящего к мосту косо. Опоры моста также лучше располагать
косо. При небольших пойменных расходах, когда возникает необ-
ходимость резко изменить направление движения только незначи-
тельных масс воды, при малой косине моста относительно русла
сооружения следует располагать так, как показано на рис. 6.11, б,
т. е. подводя поток нормально к мостовому отверстию. В этом слу-
чае опоры моста могут быть прямыми. В случае косого пересечения
только русла, а не всего потока высоких вод следует применять
Рис. 6.11. Струенаправляюшие дамбы
на косых переходах, при мощном по-
токе пойменных вод (а) и при сла-
бом потоке (б)
160
одну из двух схем расположения
сооружений в зависимости от то-
го, как часто и интенсивно рабо-
тают поймы и какую долю обще-
го расхода реки составляют пой-
менные расходы.
Прямолинейные струенаправ-
ляющие сооружения, возводимые
для смещения размыва вверх от
моста или для отжима мощных
пойменных течений от конуса или
устоя моста, устраиваются доста-
точно длинными, так как иначе
вихревые зоны, неизбежно возни-
кающие у головных частей таких
сооружений, будут располагаться
слишком близок к мосту и угро-
Рис. 6.12. Регуляционные сооружения
на блуждающих реках
жать подмывами опор моста.
Обычно размеры верховых прямолинейных пойменных струенаправ-
ляющих сооружений назначают равными половине отверстия мо-
ста, а низовых дамб — четверти отверстия. Как и при устройстве
криволинейных сооружений, размеры прямолинейных дамб кор-
ректируются соответственно местным условиям.
Регуляционные сооружения на блуждающих реках представля-
ют собой укрепленные валы, постепенно сжимающие русловую зону
(см. §6.1).
Длина участка русла, на котором возводят новые искусствен-
ные границы, называемая длиной фронта регулирования (см. рис.
6.8), обычно достигает 2—4 длин отверстия моста. Такая большая
длина зарегулированного участка по сравнению с длиной регули-
руемых участков равнинных рек объясняется существенной разни-
цей ширины русла блуждающей реки в различных створах. Неред-
ко на коротком участке ширина русла блуждающей реки меняется
более чем в 3 раза. Чтобы плавно уменьшить ширину руслового
потока, необходимо сближать границы русла постепенно, а не рез-
ко; это и приводит к значительной длине фронта регулирования.
Береговой вал может быть защищен от подмыва соответствую-
щим укреплением его откоса (рис. 6.12, а), лучше всего гибким
покрытием, опускающимся в размыв по мере развития его, или
путем постройки хорошо защищенных струеотбойных поперечных
сооружений, примыкающих к почти неукрепленному береговому
валу. В последнем случае размывы могут развиваться только вда-
ли от берегового вала и не будут угрожать его устойчивости
(рис. 6.12, б).
Целесообразность последнего решения заключается в том, что
в этом случае защите подлежат только головные части поперечных
сооружений, т. е. объем укрепительных работ значительно снижа-
ется. Однако надо иметь в виду, что размывы у голов таких русло-
вых траверсов бывают большими, чем у гладкого берегового вала.
161
Очертание в плане береговых валов, укрепленных со стороны
реки и не укрепленных со стороны берега, может быть произволь-
ным, но плавным, с обязательной выпуклостью в сторону потока и
весьма малым углом схода береговых валов непосредственно перед
мостом (на длине, примерно равной ширине отверстия моста), что-
бы, во-первых, отодвинуть зону размыва вверх против течения и,
во-вторых, замедлить перемещение зоны размыва к мосту. Практи-
чески следует делать перед мостом коридор из двух параллельных
валов. При исключительно быстрых деформациях русла, что харак-
терно для блуждающих рек, протекающих в мелких грунтах, бе-
реговые валы следует очерчивать в плане таким образом, чтобы
перед мостом образовалось сжатое сечение, ширина которого со-
ставляла бы примерно 90—85% от ширины отверстия моста. Створ,
где рекомендуется располагать это наиболее сжатое сечение, сле-
дует отодвигать вверх от моста на ширину отверстия моста (см.
рис. 6.8).
Поперечные сооружения должны быть расположены так, чтобы
между каждыми двумя соседними струеотбойниками-траверсами
образовалось защищенное протяжение вала. С этой целью расстоя-
ние между траверсами назначается не более 6/т sin а, где /т — дли-
на вышележащего траверса, а — угол между осью траверса и на-
правлением течения (рис. 6.13, а).
Если поток будет косо направлен к очертанию фронта регули-
рования, то величина sin а может существенно отличаться от еди-
ницы, и расстояние между поперечными сооружениями окажется
весьма небольшим. В таких случаях рекомендуется устраивать
Г-образные траверсы. Длина той части траверса, которая парал-
лельна берегу, назначается не более половины длины траверса
(рис. 6.13, б). Число траверсов может быть выбрано произволь-
ным, но лучше делать меньшее число длинных траверсов, чем
большее число коротких. Это вызвано тем, что у головы каждого
траверса происходит местный размыв, в связи с чем головы тра-
версов должны быть хорошо защищены. Верховой откос траверса,
непосредственно подвергающийся набегу воды и течению ее вдоль
сооружения, должен основательно укрепляться, в то время как
противоположный откос может быть укреплен значительно слабее.
В плане траверсы рекомендуется наклонять вниз по течению на
15—20° (см. рис. 6.13).
Рис. 6.13. Схема размещения струеотбойников (а) и Г-образных траверсов (б)
162
Рис. 6.14. Расположение откосных укреплений по длине русла и по ширине от-
коса берега
В ряде случаев у мостов через блуждающие реки один из бе-
регов русла оказывается вогнутым, причем чаще всего на этом бе-
регу располагается и один из конусов моста. В этом случае один
из фронтов регулирования оказывается не выпуклым в сторону
реки, а вогнутым. При этом регуляционные сооружения и в этом
случае могут быть выполнены в виде продольного незатопляемого
укрепленного вала с подошвой, защищенной от подмыва, или в
виде поперечных сооружений — траверсов, размещаемых по длине
берега так, как описывалось выше, если ставится задача не только
защитить берег, но и отодвинуть береговую линию в сторону реки.
На равнинных реках защита берегов русла от размыва и сме-
щения существенно отлична. Над размываемым берегом русла при
наводках имеется слой воды, разливающейся на пойму. Поэтому
берег должен быть защищен плоскими укреплениями, располагае-
мыми на спланированном береговом откосе без устройства вала
над берегом, или поперечными сооружениями, но уже затопленны-
ми. В этом случае траверсы должны быть наклонены в плане не
по течению, а против него, чтобы направить на берег донные струи,
несущие наносы. Затопляемые траверсы работают не всегда удов-
летворительно, главным образом в связи с переменной глубиной
затопления; в отдельные маловодные годы эти траверсы остаются
даже незатопленными. Поэтому плоские откосные укрепления, за-
щищенные от подмыва, предпочтительнее, чем затопленные тра-
версы.
Размываемый берег русла равнинной реки должен быть защи-
щен на всей длине берега, подверженной деформациям. Плоские
откосные укрепления (рис. 6.14, а) заводятся и на неразмываемые
участки, чтобы нарастание глубин происходило на длине защищен-
ного, т. е. неразмываемого, берега. Ширина откосного укрепления
назначается такой, чтобы исключался подмыв основания укрепле-
ния.
163
Береговые укрепления относятся частью ко II, а частью к III
высотным подзонам. Поэтому укрепления, расположенные выше
межени, можно делать, используя конструкции, не допускающие
деформаций (мощение, плотные укрепления). Ниже межени сле-
дует применять тюфячные укрепления, т. е. гибкие защитные по-
крытия, деформирующиеся при углублении русла и опускающиеся
в размыв. Ширину тюфячных покрытий назначают с учетом ожи-
даемой наибольшей глубины в русле у берега (рис. 6.14, б).
При проектировании искусственных срезок под мостами нельзя
применять срезку русловых элементов, т. е. побочня или отмели в
русле, сложенных перемещающимися подвижными наносами. В те-
чение короткого промежутка времени срезанные русловые элемен-
ты восстанавливаются потоком, и никакого увеличения площади
сечения или уширения русла не получается. Срезка должна устраи-
ваться только на пойменном участке отверстия моста. Таким обра-
зом, применение срезки ограничивается мостовыми переходами
через равнинные реки.
Срезка представляет собой уширение русла. Необходимо, что-
бы переход от обычной ширины русла выше моста к уширенному
руслу под мостом происходил плавно, как и переход от широкого
русла под мостом к обычной ширине русла за мостом. Для этого
Рис. 6.15. Размеры и очертание
срезки в плане
срезка должна быть развита в
длину (рис. 6.15). Для плавного
приема пойменных вод срезка
должна начинаться пологим от-
косом. Заводить срезку на пой-
му, следуя за очертанием струе-
направляющего пойменного соо-
ружения, не следует, так как это
приводит к развитию сильных
местных размывов у струенап-
равляющих дамб. Заканчивается
срезка пологим откосом, по ко-
торому воды выходят на пойму.
Полная длина срезки зависит от
ее ширины, т. е. от ширины пой-
менного участка отверстия моста.
Длина в три-четыре ширины
срезки не должна считаться чрез-
мерной. Большую длину срезки
следует назначать только при ус-
ловии, что грунт из нее может
быть использован на постройку
пойменной насыпи.
Спрямление русел меандри-
рующих рек желательно выпол-
нять задолго до постройки моста
и подходов к нему, чтобы русло-
вые деформации, охватывающие
164
Рис. 6.16. Схема к расчету спрямле-
ния русла
УВв
значительное протяжение русла, успели развиться и затухнуть, не
угрожая целости регуляционных сооружений. Однако это не всегда
удается; более того, в ряде случаев к спрямлению русла приходит-
ся прибегать на действующих мостовых переходах с целью улуч-
шения их работы. Размеры спрямленного русла рассчитывают.
Искусственное русло, располагаемое на увеличенном уклоне,
должно одновременно удовлетворять двум условиям, при выполне-
нии которых оно будет наименее деформироваться. С одной сторо-
ны, это русло должно иметь ту же пропускную способность по во-
де, что и бытовое русло меньшего уклона. С другой стороны, это
русло должно характеризоваться той же транспортирующей спо-
собностью по наносам, что и река в бытовом состоянии. Бытовым
расходам воды и наносов Qpq и Gq и новому уклону 1С соответст-
вуют размеры искусственного русла Вс и Нс и скорость течения
vc, равные
//с=ярб(Ц<цз/2; Ос==г,рлТб_у/2Лб.13)
где Врб, //рб, /б, ^рб — бытовые характеристики русла реки, причем
Вс>Врб, НС<Н^} (рис. 6.16).
Часто русло делают более узким и глубоким, чем получается
по расчету, но в этом случае оно пропускает воду с большей ско-
ростью, обладает излишней транспортирующей способностью; по-
этому на таких спрямлениях происходят значительные глубинные
и плановые деформации русел.
Равенство пропускной и транспортирующей способности быто-
вого русла и искусственного спрямления возможно только при оп-
ределенном отношении глубин. Повышение уровня воды на одну и
ту же величину АЯ нарушает необходимое равновесие. При повы-
шении уровня воды транспортирующая и пропускная способность
искусственного спрямления возрастают значительно сильнее, чем
на бытовых участках русла, что приводит к неизбежным деформа-
циям русла на спрямлении и изменению уклона водной поверх-
ности.
Приведенный выше гидравлический расчет следует относить к
наиболее часто встречающимся паводкам. Такие часто встречаю-
щиеся руслоформирующие паводки примерно соответствуют уров-
ню воды при начале разлива на поймы. Следовательно, приведен-
ный выше расчет позволяет определить необходимую глубину
спрямления русла, отсчитываемую от его бровок.
165
§ 6.3. КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИИ
При выборе материалов и конструкций для регуляционных со-
оружений следует ориентироваться в основном на местные мате-
риалы. Только в тех случаях, когда они не могут обеспечить необ-
ходимую прочность защитных сооружений и укреплений, необходи-
мо применять привозные и искусственно приготовляемые материа-
лы. Тенденция к использованию местных ресурсов часто приводит
к использованию для постройки регуляционных сооружений таких
материалов, как грунт, дерн и камень. Эти материалы имеют пре-
дел применения.
Грунт может быть использован с достаточно высокой степенью
механизации работ. Поэтому следует стремиться как можно шире
применять грунт в качестве основы для сооружений. В большинст-
ве случаев это удается, особенно на равнинных реках. Исключение
составляют те случаи, когда грунт по своим физико-механическим
свойствам непригоден для возведения сооружений.
Грунт в сооружениях может быть использован только при усло-
вии надежного его укрепления. Использование в этих целях дерна
и камня характеризуется в противоположность грунту низкой сте-
пенью механизации строительных работ. Лишь каменная наброска
может быть механизирована, хотя и здесь затрачивается значи-
тельное количество ручного труда, так как без ручных отделочных
работ расход камня на укрепление получается необоснованно
большим. Невозможность механизации работ характеризует и при-
менение хвороста для создания укреплений берегов и откосов зем-
ляных сооружений.
Чтобы больше механизировать труд на укрепительных и регу-
ляционных работах, все чаще стремятся применять габионы (ка-
мень в металлических сетках), бетон и железобетон, а также дру-
гие материалы, позволяющие индустриализировать изготовление
элементов укреплений, производить элементы заблаговременно
вне места непосредственной укладки в сооружение и механизиро-
вать их укладку. В ряде случаев, где требуется особо надежная
защита, применение этих материалов диктуется и соображениями
прочности, например при защите насыпей и других сооружений от
волн на водохранилищах, при защите участков еще деформируе-
мого дна, при высоких скоростях течения и т. п.
Эти современные конструкции и материалы находят все боль-
шее применение и становятся основными в регуляционных и за-
щитных работах на мостовых переходах.
Земляным регуляционным сооружениям придается трапецеи-
дальное поперечное сечение с крутизной откосов, как правило,
1 : 2. Откосы, соприкасающиеся с текущей водой (II высотная под-
зона), укрепляют, причем тип укрепления назначают в зависимо-
сти от скорости потока, обтекающего эти сооружения или набега-
ющего на них.
Речные откосы регуляционных сооружений, непосредственно
соприкасающиеся с быстро текущей водой, приходится защищать
166
камнем или бетонными и железобетонными плитами. Дерн приго-
ден для этого только в редких случаях, так как паводочные ско-
рости даже на равнинных реках часто превышают 1,5—2,0 м/с, и
дерн разрушается. Дерновые укрепления обычно используются для
укрепления лишь полевых откосов регуляционных сооружений,
около которых вода почти неподвижна.
Ширина гребня сооружений должна обеспечивать проезд транс-
портных средств, доставляющих ремонтные материалы, а также
размещение этих материалов во время ремонта. В связи с этим
ширину гребня струенаправляющих сооружений не следует делать
меньше 2—3 м (рис. 6.17, а). В головной части сооружений ширина
гребня должна быть увеличена, так как именно здесь возникает
необходимость в срочных паводочных ремонтных работах (рис.
6.17, б).
У регуляционных сооружений на равнинных реках наиболее уяз-
вимой частью является верхняя по течению. У голов струенаправ-
ляющих дамб и пойменных траверсов развиваются местные размы-
вы, в связи с чем сооружениям угрожает не только опасность раз-
мыва поверхности откосов текущей водой, но и подмыв подошвы,
что может повести за собой сползание откоса, разрушение откос-
ного укрепления и т. д. Против этих опасных подмывов следует
принимать соответствующие меры.
Подошву головы струенаправляющей дамбы или траверса мож-
но укрепить гибкими защитными покрытиями (тюфяками) или
рисбермами (рис. 6.17, в, г). Рисбермы применимы только в слу-
чае неглубокого местного размыва у подошвы откоса.
Размеры тюфяка, обеспечивающего защиту от подмыва, назна-
чают на основании расчета ожидаемого местного размыва. Глуби-
на местного размыва может быть установлена по зависимостям,
Рис. 6 17. Конструкции струенаправляющих дамб:
1 — положение тюфяка до размыва; 2— положение тюфяка после размыва; 3 — откосное
укрепление; 4 — рисберма
167
получаемым из формул для расчета местного размыва у опор мо-
стов (см. § 4.6).
Голову струенаправляющей дамбы или траверса можно рас-
сматривать как очень широкую мостовую опору. В этом случае
все расчетные коэффициенты в формуле глубины местного размы-
ва оказываются определенными. Их произведение равно 23 при
условии нормального набегания потока на сооружение. Если угол
подхода потока к откосу сооружения а<90°, то давление набегаю-
щего на откос потока, а следовательно, и местный размыв умень-
шаются. Используя теорему количества движения, можно показать,
что снижение давления в этом случае может оцениваться введени-
ем множителя
, а
который превращается в единицу только при
нормальном набеге (а = 90°).
Существенным отличием откоса сооружения по сравнению с
опорой моста является его наклон к вертикали. Поэтому путь, на
котором расходуется энергия нисходящих струй, вызывающих ме-
стный размыв, увеличивается, а размыв соответственно уменьша-
ется.
Расчетной формулой для определения глубины местного размы-
ва у голов и откосов регуляционных сооружений является
23vgtg-^-
:
g /1 + m2
V2
6-^
&
(6.14)
где v0 — скорость набегающей струи; оНеР— размывающая скорость
для грунта, в котором происходит местный размыв; т — крутиз-
на откоса.
Для пойменных бисинусоидальных струенаправляющих соору-
жений, обтекаемых с постоянной скоростью, скорость набега пой-
менного потока на голову сооружения практически равна скорости
пойменного потока под мостом, т. е. Уо = ₽пПпб или По = Рр^рб. Для
аллювиальных грунтов равнинных рек, в которых заканчивается
местный размыв, неразмывающая скорость невелика. Поэтому,
считая набег потока на голову сооружения нормальным (а = 90°) и
пренебрегая сопротивляемостью грунта размыву, получим упрощен-
ную формулу
g + m2
Глубины местного размыва у регуляционных сооружений часто
достигают значительных размеров, а в отдельных случаях превы-
шают глубины в русле под мостом (например, на переходе р. Оки
в г. Муроме).
Длина тюфяка, достаточная для того, чтобы закрыть размы-
ваемый откос, может быть найдена по формуле (см. рис. 6.17, в).
S V 1 + /п2 •
(6.16)
168
Рис. 6.18. Тюфячное укрепление
из сочлененных бетонных эле-
ментов и тюфяк на бризоле
Тюфяк может опускаться в размыв и прикрывать разрушаемый
откос с очень большой крутизной. Обычные углы наклона тюфяков
60—70° к горизонту. Поэтому, как правило, mT<m.
В простейшем случае, когда =
йв=—-2-= 2,5^0, (6.17)
где v0, м/с, йв, м.
Если тюфяки строят до того, как местный размыв развился или
начался, их укладывают насухо. При защите уже работающих под-
мываемых регуляционных сооружений тюфяки укладывают в воду.
Тюфяки могут быть изготовлены из различных материалов.
В настоящее время освоена постройка тюфяков из бетонных сочле-
ненных массивов и осваиваются тюфяки из армированных асфаль-
товых полотнищ небольшой толщины. Долгое время применяли
каменно-хворостяные тюфяки, однако они страдают существенны-
ми недостатками: хворост, находящийся в условиях переменного
смачивания и высыхания, что неизбежно для пойменных сооруже-
ний, быстро сгнивает; устройство каменно-хворостяных тюфяков
возможно только ручным способом. Поэтому в настоящее время
наметился быстрый переход к новым конструкциям.
Если все же каменно-хворостяные тюфяки используются, то
размеры их необходимо определять расчетом. Длину тюфяка наз-
начают по формуле (6.16), исходя из необходимости пологого
очертания откоса, закрываемого тюфяком, так как тюфяк этой
конструкции практически не воспринимает разрывающих усилий
и должен удерживаться на откосе силами трения. В этих условиях
крутизна защищаемого откоса т0 должна вводиться в расчет рав-
ной тт.
Толщина хворостяного тюфяка назначается конструктивно,
обычно от 0,25 до 0,6 м, а толщина каменной его пригрузки — рав-
ной 60% толщины слоев хвороста. Крупность камня пригрузки
должна быть такова, чтобы он не был снесен текущей водой.
Допускаемые скорости для камней различных размеров могут
быть определены по табл. 4.2.
При этом необходимо учитывать, что камни на тюфяке будут
169
лежать на довольно крутом откосе, в связи с чем допускаемая ско-
рость для них должна быть снижена на 25—30%.
Тюфяки из сочлененных бетонных элементов (рис. 6.18) имеют
довольно большие зазоры между блоками, поэтому могут уклады-
ваться только на достаточно крупных грунтах (галька, гравий),
которые не вымываются через зазоры. При обычных землистых
грунтах, распространенных на равнинных реках, необходимо за-
крыть зазоры между блоками, чтобы исключить возможность вы-
мывания грунта. Это может быть осуществлено путем использова-
ния бризола — хорошо растягивающегося битумно-резинового изо-
ляционного материала, наклеиваемого горячим битумом на ниж-
нюю поверхность сочлененных бетонных блоков. При деформациях
покрытия бризол растягивается, но не разрывается. Изготавливать
элементы таких тюфяков можно индустриальным способом. Уклад-
ка тюфяков из сочлененных элементов должна производиться сек-
циями шириною по 10—15 м; иначе неизбежен разрыв сочленений
элементов.
Асфальтовые тюфяки могут быть изготовлены на асфальтобе-
тонном заводе, а смонтированы из отдельных полотнищ на месте
укладки. Обязательным условием применения этих тюфяков явля-
ется большой объем укрепительных работ, выполняемых с помо-
щью тюфяков, что делает рентабельным монтаж асфальтобетон-
ного завода, или наличие такого действующего завода вблизи ме-
ста перехода.
При использовании тюфячных покрытий необходимо иметь в
виду, что развитие растительности под тюфяком может привести
к повреждениям как асфальтовых тюфяков, так и бризольного
слоя бетонных тюфяков. Поэтому перед укладкой тюфяков следует
удалить из-под них растительную землю и протравить нижележа-
щий грунт.
Простыми и долговечными являются тюфяки из габионов, т. е.
из камня, заключенного в металлические сетки из оцинкованной
железной проволоки, которым приданы необходимые размеры в
плане и высота, равная толщине тюфяка.
Конструкции тюфяков должны быть проверены расчетом. В хо-
де размыва вымываемый грунт увлекает за собой тюфяк, в резуль-
тате чего продольное усилие, разрывающее тюфяк, оказывается
больше его веса и равно, как показал И. А. Ярославцев,
Л-азр-От/ЧГЛ (6-18)
где GT — вес тюфяка; f — коэффициент трения между грунтом и
тюфяком, равный 0,5.
Разрывающее усилие должно восприниматься арматурой тюфя-
ков и их анкерным закреплением.
В тех случаях, когда тюфяк все время будет находиться в воде,
следует учитывать уменьшение его веса от погружения в воду. Од-
новременно, следует учитывать, что опускание тюфяка происходит
рывками, и ввести поэтому в расчет двойную силу Рра3р.
170
Укрепления откосов сооружений, работающих во время по-
ловодий в условиях волнобоя и ледохода, должны быть соответст-
венным образом проверены на удар и давление льда и волн. Раз-
меры плитных укреплений, подверженных действию волн, можно
рассчитывать по формулам, приведенным в § 5.2.
Ледовое давление рассчитывают по формуле
Рл =^4,Зт7лВл} bl sin a sin3, (6.19)
где ил — скорость движения льдин, м/с; бл — толщина плывущих
льдин, принимаемая равной 80% от наибольшей наблюдавшей-
ся в период ледостава, м; b, I — ширина и длина льдины, м;
а, Р — углы наклона откоса к горизонту и подхода льдины к от-
косу сооружения.
Величина давления льда определяет необходимую суммарную
толшину защитного покрытия откоса и его основания. Эта толщи-
на должна быть равна
2>=1/—. (6.20)
где Одой — допускаемое давление на грунт.
Необходимо иметь в виду, что давление льдин, определяемое по
формуле (6.19), получа-ется в тоннах-силах, поэтому и допустимое
давление на грунт (уДОп должно быть взято в тс/м2.
Расчет на отрыв плит при подвижке льда обычно не произво-
дят. Укрепления сооружений соприкасаются с ледяным покровом
только на водохранилищах, где лед тает на месте.
Укрепления для защиты опор мостов от подмыва во многих
случаях применяют тех же конструктивных форм, что и описанные
выше, т. е. в виде различных тюфячных покрытий и каменных на-
бросок. В последнее время применяются в опытном порядке п
принципиально другие виды укреплений. К ним прежде всего сле-
дует отнести заполнение воронки размыва у опоры «тяжелой жид-
костью»— мастикой с объемной массой 3—4 т/м3 (Ю. А. Андриа-
нов), которая самотеком подается в воронку размыва. Этот способ
весьма технологичен и применим для повышения устойчивости
опор, у которых развился недопустимый местный размыв.
В КАДИ ( Д. И. Згорским) успешно ведутся как эксперимен-
тальные работы, так и производственное внедрение специальных
защитных «козырьков», располагаемых на уровне общего размыва,
при помощи которых удается местный размыв или устранить, или
существенно уменьшить. Эти разработки применялись как при по-
стройке фундаментов опор в открытых котлованах, так и для за-
щиты струенаправляющих дамб.
На блуждающих реках в качестве материалов для постройки
регуляционных сооружений до последнего времени применяли ка-
менно-хворостяную (таштугайную) кладку, т. е. послойную уклад-
ку хвороста и камня. Эта кладка, выполняемая только вручную,
171
может быть применена практически с вертикальными откосами и
допускает некоторую осадку сооружений.
При постройке таких сооружений в воде применяют сипайно-
таштугайную кладку (рис. 6.19, а), где деревянные пирамиды-си-
паи служат для поддержания кладки в сохранности даже при зна-
чительных деформациях подмываемого основания.
В условиях деформируемого дна для постройки сооружений
успешно применяют габионную кладку из элементов объемом 1—
2 м3, выполненных в виде проволочных сеток, наполненных камнем
и удерживающих его от расползания (рис. 6.19, б).
Применение тюфяков новых типов позволяет использовать грунт
для постройки регуляционных сооружений на блуждающих и гор-
ных реках. Земляной массив из гальки или другого грунта, закры-
тый сплошными неразмываемыми коврами, будет прочным даже
при значительных русловых деформациях, характерных для блуж-
дающих и горных рек. Работы по устройству таких сооружений
могут быть механизированы.
Следует иметь в виду, что излишне широкие участки русел
блуждающих рек характеризуются некоторой постоянной средней
глубиной, не зависящей от ширины русла, и максимальной глуби-
ной, которая, как правило, возрастает по мере увеличения ширины
(см. § 4.7). В связи с этим наибольшую угрозу подмыва, т. е. воз-
никновения большой глубины у сооружения и на блуждающих ре-
ках, испытывают головные, т. е. наиболее удаленные от моста, ча-
сти береговых валов, расположенные на участках русла большой
ширины. Непосредственно около моста, где поток сильно сжимает-
ся, глубина также может быть значительной, но не в силу излиш-
ней ширины русла, а в связи с уменьшением ширины фронта пере-
носа наносов.
Наименьшая глубина русла будет наблюдаться у средних ча-
стей сооружения, где ширина потока между валами равна ширине
активной зоны, по которой перемещаются наносы.
Вопрос о защите от подмыва головных частей фронтов регули-
рования при любой конструкции сооружений должен быть решен
Рис. 6.19. Конструкции регуляционных сооружений на блуждающих реках
172
особенно серьезно не только потому, что глубина в широких сече-
ниях реки велика, но и потому, что разрушение головной части
сооружений приводит к прорыву потока за береговой вал, к запол-
нению всего этого пространства водой, а затем к переливу через
береговой вал непосредственно около моста и к смыву этого вала.
Последнее происходит потому, что блуждающие реки характеризу-
ются значительными уклонами; следовательно, разница между от-
метками потока у головной части сооружения и у моста достаточно
велика. Даже небольшое количество воды, зашедшее за береговой
вал и немедленно в силу наличия уклона переместившееся вниз по
течению, приводит к значительному повышению уровня воды у на-
сыпи.
В целях предотвращения возможного прорыва водного потока
за береговые валы можно применить заполнение грунтом всего
пространства между старой границей русла, пойменной насыпью и
новой границей русла — береговым валом. Для снижения стоимо-
сти земляных работ целесообразно применить кольматаж, т. е. за-
иление этого пространства оседающими наносами реки. Кольматаж
осуществляется последовательными напусками речной воды, несу-
щей много взвеси, осветлением ее путем отстаивания и спуском
осветленной воды в реку. Для осуществления работ по кольматажу
необходимо устраивать надежно работающие входные и сбросные
сооружения для речной воды. В связи с большими уклонами блуж-
дающих рек кольматаж следует проводить ступенями, с возведени-
ем поперечных валов из осевшего грунта.
Продольные и поперечные регуляционные сооружения на блуж-
дающих реках надо строить сплошными, так как иначе они не бу-
дут отклонять поток от берега или берегового вала. В отдельных
случаях делались попытки применить в качестве поперечных со-
оружений не сплошные, а сквозные конструкции. Основная идея
применения таких сооружений заключалась в том, что сквозные
сооружения вызывают меньшее искажение режима течения водно-
го потока в связи с чем ожидаемый около поперечных сооружений
размыв должен быть меньшим. Это было бы правильным, если бы
у сооружений возникали только местные размывы. Но основную
опасность нарушения устойчивости берегового вала представляет
не глубина местного размыва, а глубина русла, которая развивает-
ся у подошвы вала в результате общего размыва и при закономер-
ном перемещении скоплений наносов в русле.
В частности, вдали от моста, до тех пор пока около берегового
вала размещается скопление наносов, ему не угрожает подмыв ос-
нования, несмотря на большие скорости течения. В этот момент у
поперечного сквозного сооружения действительно будут развивать-
ся только местные размывы, вызываемые набегами водного потока
на элементы конструкции. По мере передвижения скоплений нано-
сов вниз по течению малая глубина у берегового вала сменяется
на большую. В этом и заключается периодическое изменение форм
поперечного сечения, закономерно происходящее в реках с течени-
ем времени.
173
Сквозное сооружение не прекращает течения вдоль берегового
вала, следовательно, не прекращается и перенос наносов вдоль
этого вала, и большие глубины возникают непосредственно около
его подошвы. Сквозные сооружения не могут препятствовать пере-
мещению скоплений наносов. Поэтому устройство сквозного соору-
жения будет бесполезным, пока скопление находится у берегового
вала. После ухода скопления вниз по течению наличие сквозного
сооружения у берегового вала будет только вредным, так как ско-
рость течения внутри этого сооружения даже несколько больше,
чем она была бы в этом же месте при отсутствии сооружения.
В результате не удается ни защитить берег или береговой вал,
ни сохранить сквозное русловое сооружение, которое обычно гиб-
нет от сильных подмывов.
Русловые сквозные сооружения не оправдали себя в эксплуата-
ции, поэтому они не могут быть рекомендованы.
Для укрепления берегов у мостов через блуждающие горные
реки, характеризуемые сильными течениями, применяют мощные
бетонные сооружения. На рис. 6.20, а показана берегозащитная
фундаментная подпорная стена. Такие стены нередко подмывают-
ся, в связи с чем применяют различные способы защиты фунда-
ментов стен от действия размыва, в частности защитные устройства
в виде массивных коротких деформируемых шпор. На рис. 6.20, б, в
показана деформация таких шпор при подмыве. Вместо подпорной
стены, требующей защиты от подмыва, можно применять «сполза-
ющие массивы» (рис. 6.21), опускающиеся по специальным направ-
174
Рис. 6 21. Укрепление берега горной
реки сползающими массивами
ляющим по мере размыва у бере-
га. Чтобы эти массивы были под-
вижны, нельзя допускать их за-
клинки при опускании. С этой
целью они должны иметь между
собой некоторые зазоры, под ко-
торыми должен лежать грунт та-
кой крупности, чтобы вымывание
его через зазоры было невоз-
можно.
Бетон и железобетон находят
в последнее время применение и
для устройства струенаправляю-
щих дамб, взамен дамб из грун-
та, особенно, если вдоль сооруже-
ний ожидаются сильные местные размывы. Причиной этих размы-
вов является возникновение поперечной циркуляции у сооружений,
выпуклых в сторону реки, с донными течениями, уносящими про-
дукты размыва от подошвы дамбы. Применяя бетонные струена-
правляющие стенки, строители получают возможность управления
поперечной циркуляцией, делая для этой цели на вертикальной
поверхности стенки специальные жесткие косые направляющие
ребра. Как показали лабораторные исследования А. А. Бургано-
вича в КАДИ, при помощи этих ребер удается резко снизить интен-
сивность поперечной циркуляции. Наибольшее уменьшение размы-
ва (до двух раз) достигалось, при этом, при наклоне ребер под
углом 50—55° к плоскости дна потока.
Конструктивное выполнение железобетонных направляющих
ребер на бетонных струенаправляющих дамбах не вызывает ка-
ких-либо принципиальных трудностей.
Глава 7
ИЗЫСКАНИЯ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
§ 7.1. СОСТАВ ИЗЫСКАНИЙ
Проект мостового перехода составляют на основе результатов
геодезических, геологических, гидрологических и гидрометриче-
ских работ. Комплекс указанных работ носит название изыскания
мостового перехода. В отдельных сложных случаях материалы для
проектирования дополняются лабораторными исследованиями мо-
делей мостового перехода.
Перечень и объем сведений о месте перехода реки, которые не-
обходимо собрать во время изысканий, определяются содержанием
проекта мостового перехода. В проекте прежде всего должно быть
175
обосновано место перехода реки, т. е. показано, что выбранный
переход наилучшим образом удовлетворяет требованиям задания
на проектирование: наивыгоднейшее положение трассы с точки
зрения обслуживания хозяйственного района; минимальные строи-
тельно-эксплуатационные затраты на сооружения и транспортные
расходы на перевозки; безопасность движения, определяемая устой-
чивостью сооружений мостового перехода; выполнение требований
судоходных и сплавных органов. Вопросу выбора места перехода
реки в проекте должно быть уделено особое внимание, так как
мостовые переходы часто являются пунктами, определяющими про-
ложение на местности автомобильной дороги значительного протя-
жения.
В проекте должны быть установлены основные размеры всех
сооружений мостового перехода, достаточные для пропуска грузов
и обеспечения сопротивляемости сооружений разрушающему дей-
ствию водного потока, не ограничивающие нормального использо-
вания водотока в хозяйственных целях (для судоходства, сплава,
водоснабжения, энергоснабжения и т. д.) и одновременно требую-
щие минимальных затрат на переход реки.
В проекте должны содержаться конструктивные решения для
всех сооружений перехода, обоснованные необходимыми расчетами
на прочность и устойчивость.
Для обоснованного выбора места перехода реки должны быть
собраны или составлены на основе геодезических работ достаточ-
ные картографические материалы и получены общие сведения (гид-
рологические данные) о режиме водотока в местах, выбранных в
качестве вариантов перехода.
Для определения основных размеров сооружений необходимо
выполнить детальные гидравлические и русловые расчеты на ос-
нове точных количественных данных о характеристиках реки (глу-
бина и ширина живых сечений, скорости течения, показатели рус-
лового процесса, колебания уровней и расходов воды). Для полу-
чения таких данных необходимо провести гидрометрические ра-
боты.
Для конструктивных решений сооружений мостового перехода
необходимы сведения об основаниях, на которых эти сооружения
будут построены, о местных материалах, из которых могут быть
возведены сооружения (в частности, о грунтах для постройки на-
сыпей и регуляционных сооружений), и о конкретных условиях
работы того или иного сооружения в отдельности. Эти материалы
могут быть получены в основном путем инженерно-геологических
обследований на переходе водотока и частично при выполнении гео-
дезических и гидрометрических работ.
В соответствии с перечнем задач, решаемых при проектирова-
нии мостовых переходов, при изысканиях необходимо выполнить
следующие работы.
А. Геодезические съемки. Трассирование линии, съемка пла-
нов— ситуационных и в горизонталях, съемка профилей.
176
Б. Гидрологическое обследование. Сбор материалов, характе-
ризующих режим водотока; морфометрическое обследование реч-
ной долины.
В. Гидрометрические работы. Съемки плана речного дна, опре-
деление скоростей течения, расходов воды, характеристик руслово-
го процесса (а в отдельных случаях и измерения твердого стока).
Г. Инженерно-геологические исследования. Составление геоло-
гических разрезов, грунтовое обследование, гидрогеологическое
обследование, поиски местных строительных материалов.
Д. Прочие работы. Изучение взаимосвязи мостового перехода
с другими сооружениями на реке; установление условий судоход-
ства и сплава и пр.
Для выполнения перечисленных работ организуются изыска-
тельские партии, как правило, специализированные. Только в слу-
чаях изысканий мест перехода через незначительные водотоки
эти работы поручают партии, ведущей трассирование дороги, на
которой располагается мостовой переход. Основанием для созда-
ния отдельных партий для изысканий мостовых переходов являют-
ся большие объемы работ по изысканиям мостовых переходов, не-
обходимость включать в состав партии инженеров, специализиро-
вавшихся в области гидрологии и гидротехники, и необходимость
производить при изысканиях мест перехода сложные геологические
работы, включая глубокое бурение.
Проектирование мостовых переходов ведется последовательны-
ми стадиями (см. далее). Каждой стадии проектирования предше-
ствует определенный этап изысканий. Этапы изысканий различа-
ются объемом и составом работ.
При составлении общих предварительных соображений по со-
оружению мостового перехода должны быть получены ориентиро-
вочные данные о величине отверстия моста, схеме моста и ожидае-
мых объемах работ, а также примерные стоимости мостового пе-
рехода по различным вариантам места перехода реки. Эти данные
используются для составления сметно-финансового расчета на
постройку всей дороги и для предварительного выяснения целесо-
образных вариантов мест перехода, а также для выработки про-
граммы дальнейших изыскательских работ. На стадии составления
общих предварительных соображений по сооружению перехода
должен быть решен вопрос о типе перехода через водоток. Остано-
виться на мостовом переходе или принять какой-либо другой тип
перехода через водоток можно на основе технико-экономических
расчетов, учитывающих данные о размерах перевозок и, главное,
о перспективах их развития, а также строительно-эксплуатацион-
ную стоимость различных типов перехода через водоток. В соот-
ветствующих случаях такой выбор осуществляется по общегосу-
дарственным соображениям. Так как переход через водоток явля-
ется частью дороги, экономические изыскания отдельно для пере-
ходов не производят, за исключением автономных мостовых
переходов, например связывающих части города, расположенные на
разных берегах реки.
177
Общие предварительные соображения о постройке мостового
перехода разрабатываются на основе материалов первого этапа
изысканий, который носит название подготовительные работы или
камеральный период изысканий.
Для составления общих предварительных соображений дорогу
трассируют по картам, и только в случае отсутствия надежного
картографического материала для этой цели выполняются полевые
съемки в минимальном объеме.
Технико-экономическое обоснование необходимости строитель-
ства мостового перехода разрабатывается (в соответствии с сов-
ременными требованиями) в объеме, позволяющем установить
окончательное наивыгоднейшее положение (в плане и продольном
профиле) трассы дороги при пересечении реки, необходимую вели-
чину длины моста, размеры других сооружений мостового перехо-
да. В этом документе должны быть приведены рекомендуемые ре-
шения конструкций моста и других сооружений перехода, выбран
материал сооружений, подсчитаны (достаточно точно) объемы ра-
бот, установлены способ и стоимость постройки мостового перехо-
да по выбранному варианту трассы.
Технико-экономическое обоснование необходимости строитель-
ства мостового перехода требуется разрабатывать с учетом разви-
тия перевозок по дороге, для чего являются необходимыми соответ-
ствующие экономические обследования. Основным методом разра-
ботки технико-экономического обоснования является вариантное
проектирование. Окончательное решение о месте перехода реки и
основных размерах сооружений (моста и др.) принимается на
основании подробной разработки и сравнения возможных вариан-
тов проложения трассы дороги и конструкций сооружений.
Технико-экономическому обоснованию предшествуют подробные
технические изыскания мостового перехода, проводимые в полном
объеме, так как на этой стадии проектирования должна быть вы-
полнена главная часть проекта перехода — окончательное опреде-
ление генеральных размеров всех сооружений — моста, пойменных
насыпей и регуляционных сооружений.
Технический проект при трехстадийном проектировании или
техно-рабочий проект при двухстадийном проектировании разра-
батываются на основе утвержденного технико-экономического обо-
снования необходимости строительства мостового перехода. Требу-
ется, чтобы стоимость строительства перехода, определенная при
разработке технического проекта, отличалась не более чем на 10%
от стоимости, установленной при разработке технико-экономиче-
ского обоснования. В результате разработки технического проекта
должны быть получены окончательные данные о конструкциях
всех сооружений перехода, уточненные объемы работ, окончатель-
ная стоимость строительства и все данные по организации строи-
тельства.
При трехстадийном проектировании дополнительные изыска-
тельские работы производятся после разработки технического про-
екта, непосредственно перед постройкой мостового перехода, когда
178
исследуются некоторые детали, уточняющие рабочие чертежи про-
екта или схему организации производства работ. С этой целью
производятся дополнительные геодезические съемки и бурение, а
в редких случаях — гидрометрические работы.
В состав изыскательской партии, производящей изыскания мос-
тового перехода и возглавляемой начальником партии, обычно
входят; старший инженер, руководящий технической стороной ра-
бот; инженеры, возглавляющие отдельные виды работ; техники,
производящие инструментальные работы по указанию инженеров
и оформляющие материалы измерений; обслуживающий персонал
(рабочие, хозяйственники). Число сотрудников партии зависит от
объема работ.
Перед началом изысканий устанавливается конкретный пере-
чень работ, подлежащих выполнению, и план их проведения. Ка-
лендарный план изысканий составляется исходя из установленных
сроков производства работ, но с учетом того, что отдельные виды
работ должны производиться в строго определенный период года,
например, гидрометрические — во время прохода половодья, а гео-
дезические— при отсутствии снежного покрова.
Оборудование изыскательских партий состоит из геодезических
инструментов, как правило, обычной технической точности; гидро-
метрических приборов; оборудования для инженерно-геологических
и почвенно-грунтовых обследований; технического инвентаря для
вспомогательных и оформительских работ.
Оборудование для измерения твердого стока рек обычно не
входит в обязательный перечень, так как размывы под мостами
могут быть определены по бытовым гидрометрическим характери-
стикам реки, без введения в расчет величины расхода наносов.
На время гидрометрических работ партия должна иметь плаву-
чие средства — весельные или моторные лодки, а при работах на
особо больших реках — понтоны. В отдельных случаях (на узких
реках с сильным течением) гидрометрические работы лучше вести
с подвесной люльки.
Особенно важна комплектность оборудования изыскательской
партии, так как отсутствие какого-либо одного инструмента или
приспособления может лишить возможности выполнить целую се-
рию работ, в результате чего материалы изысканий будут значи-
тельно обесценены.
§ 7.2. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Изыскания начинаются с подготовительных работ (камераль-
ный период), во’время которых собирают и изучают гидрологиче-
ские материалы по предполагаемому району перехода водотока,
выбирают возможные целесообразные места перехода на основании
изучения картографических и геологических материалов, предва-
рительно трассируют переход по всем вариантам, устанавливают
объемы изыскательских работ в период полевых обследований,
179
подготавливают партию к выезду в поле на подробные технические
изыскания, комплектуют персонал и оборудование.
В случае отсутствия достаточного картографического материа-
ла или гидрологических данных, необходимых для составления об-
щих соображений и в первую очередь выбора возможных вариантов
перехода, выполняют полевые работы, заключающиеся в натурном
обследовании различных мест перехода с небольшими топографи-
ческими съемками и в установлении морфологических характери-
стик водотока (глубин потока, ширины русла и разлива реки, ше-
роховатости русла и пойм).
Предварительный сбор и анализ материалов, характеризующих
возможные варианты места перехода водотока, заключаются в изу-
чении литературных источников и всех имеющихся материалов по
гидрологии, топографии и геологии района перехода, в сборе и
обобщении данных о судоходстве, сплаве и других видах использо-
вания водотока, сведений о мостах на пересекаемой реке и т. д.
Основные гидрологические материалы могут быть найдены в
изданиях:
а) Сведения об уровнях воды на реках и озерах СССР за пери-
од с 1891 по 1935 г.;
б) Материалы по режиму рек СССР (данные по 1935 г.);
в) Гидрологические ежегодники (данные с 1936 г по настоящее
время);
г) Ресурсы поверхностных вод СССР, материалы водного када-
стра СССР:
Серия I — Гидрологическая изученность;
Серия II — Основные гидрологические характеристики (данные
по 1962 г),
Серия III — Ресурсы поверхностных вод (научные обобщения);
эти издания в дальнейшем будут пополняться;
д) Материалы по максимальному стоку талых вод рек СССР;
е) Каталог отметок наивысших уровней рек и озер СССР;
ж) Материалы по максимальному стоку дождевых паводков пек
СССР.
Дополнительные гидрологические материалы можно найти в ар-
хивах организаций, ведущих проектно-изыскательские работы на
реках (железнодорожные и автодорожные ГПИ, организации Мин-
речфлота, Минводхоза, Минэнерго).
Каждый пункт на реке может быть охарактеризован следующи-
ми сведениями: уровнями воды, ежедневными и максимальными
годовыми за ряд лет; кривой расхода H=f(Q) или данными для
ее построения; датой наступления фаз стока и отметками харак-
терных горизонтов — первой подвижки льда, высокого ледохода,
ледостава, меженного уровня и т. д.; кривой скоростей течения в
главном русле реки и на поймах или данными для их построения;
величинами уклона поверхности воды на подъеме и спаде павод-
ков; сведениями о характере ледохода, толщине льда, ледяных
заторах; сведениями о русловых деформациях; сведениями о вза-
имном влиянии сливающихся рек для выявления подпора; прочими
180
сведениями (данными о силе и направлении ветра, волнообразова-
нии и т. д.).
Топографические материалы в виде карт различных масштабов
могут быть получены в Главном управлении геодезии и картогра-
фии и Министерстве речного флота (лоцманские карты). Материа-
лы специальных съемок, проводившихся проектно-изыскательски-
ми органами, обычно находятся в архивах этих учреждений; полез-
ные топографические материалы могут быть извлечены из проек-
тов переходов через реку или устройств для использования реки.
Геологические сведения о месте перехода можно найти главным
образом в литературных источниках и проектных материалах
прошлых лет. При сборе этих сведений особое внимание следует
уделять выявлению возможных неблагоприятных условий для
расположения мостового перехода (карсты, оползни, мощные грун-
товые воды на берегах речной долины) и конкретной характеристи-
ке грунтов у места перехода реки.
Изучение опыта эксплуатации существующих мостовых перехо-
дов на исследуемом водотоке составляет одну из важных задач на
изысканиях. На эти работы обязательно должны быть предусмот-
рены соответствующие средства и отведено время в календарных
планах изыскательских работ. Данные о существующих мостах на
водотоке и сооружениях при них с основными их размерами и ха-
рактеристикой работы во время половодий могут быть получены
от местных органов железнодорожного и автодорожного транспор-
та, а в случае необходимости — путем непосредственного обследо-
вания сооружений на месте.
По вопросам судоходства должны быть затребованы официаль-
ные данные от Министерства речного флота или Управления по
освоению малых рек об отнесении конкретного участка реки к той
или иной судоходной категории и о специальных условиях, какие
могут быть выдвинуты органами судоходства для учета при проек-
тировании мостового перехода. Такие же официальные данные
необходимо получить от организаций, ведающих сплавом на реке.
Наконец, существенное влияние на выбор расчетных расходов
и расположение мостовых переходов могут оказать данные о ра-
ботающих и проектируемых гидротехнических сооружениях на реке.
Сведения о действующих сооружениях можно получить в местных
хозяйственных органах, а проектные данные по сооружениям, пред-
положенным к постройке, — в плановых органах и соответствующих
проектных организациях.
Характеристика русла реки и природных русловых деформаций
должна быть установлена путем сравнения планов реки, снятых в
разные годы, и анализа других материалов, которые могут быть
получены от различных организаций, эксплуатирующих водный
путь и инженерные сооружения на реке.
Сбор и тщательный анализ возможно большего количества ма-
териалов, характеризующих водоток, позволяют резко сократить
число вариантов мест перехода реки и обойтись при решении ряда
вопросов без трудоемких полевых работ. Общие соображения по
181
постройке мостового перехода получаются в этом случае подроб-
ные и хорошо обоснованные.
Трассирование вариантов дороги в местах возможного пересе-
чения реки выполняется на стадии составления общих предвари-
тельных соображений, как правило, по картам, исходя из общего
направления линии, с учетом следующих конкретных положений:
трасса должна проектироваться так, чтобы не стеснять судоходст-
ва и сплава; не нарушать работу существующих сооружений, нахо-
дящихся в пределах разлива реки; обеспечивать устойчивость со-
оружений мостового перехода и экономичность всего перехода в
целом как в отношении строительной стоимости и затрат по содер-
жанию сооружений, так и по транспортным расходам на пере-
возки.
Со стороны судоходства и сплава к вариантам места перехода
предъявляются требования, сведенные в НСП 103—52. В соответ-
ствии с этими требованиями русло реки в месте расположения мо-
ста должно быть устойчивым в отношении глубин и плановых
перемещений. Мосты должны располагаться на плёсах малой кри-
визны, на расстояниях не менее чем тройная длина каравана су-
дов от вышележащих перекатов и не менее чем полуторная длина
каравана от нижележащих перекатов. Отклонение направления
течения от направления граней опор судоходных пролетов нельзя
допускать, а общая косина пересечения потока мостом не должна
превышать 10°.
Для выполнения этих требований избегают переходов судоход-
ных и сплавных рек по перекатам, на которых обычно сильное
расхождение направления струй при высоких и низких уровнях,
и по плёсам большой кривизны, опасным в отношении навала су-
дов на мостовые опоры и размыва речного берега. Эти участки
неблагоприятны для расположения мостов и через несудоходные
реки, так как переход по перекату, как правило, связан с удлине-
нием подтопляемых подходов к мосту, а переход через узкое русло
большой кривизны — с увеличением отверстия моста или глубины
заложения фундаментов опор.
Для достижения устойчивости и минимальной стоимости соору-
жений перехода выбирают места перехода, обладающие следую-
щими желательными качествами: близость к основному направле-
нию дороги; минимальная ширина пойм; отсутствие в русле остро-
вов, вызывающих необходимость увеличения отверстия моста;
удобный выход за пределы речной долины; надлежащее удаление
от вышерасположенных плотин и шлюзов и мест возможных ледя-
ных заторов и бревенных заломов (на сплавных реках); благо-
приятное геологическое строение русла и пойм в районе перехода.
На поймах рек трасса подходов должна располагаться так, чтобы
направление ее было по возможности нормально течению высоких
вод, а пересечение озер и староречий отсутствовало. Не рекоменду-
ется делать на поймах повороты трассы. При трассировании пере-
ходов через меандирующие реки не следует допускать, чтобы зем-
ляные насыпи на поймах располагались близко от излучин русла,
182
так как это грозит разрушением подходов к мосту при дальнейшем
искривлении русла. Следует стремиться сокращать объем строи-
тельных работ по возведению подходов и с этой целью располагать
трассу на более высоких отметках поймы. При пересечениях гор-
ных рек чаще всего необходимо прокладывать трассу исходя из
условий возможности выхода за пределы речной долины, а на блуж-
дающих реках — исходя из желательности пересечения реки в ме-
сте наиболее узкой зоны блуждания речного русла.
Существенное влияние на выбор возможных мест перехода ока-
зывает геологическое строение отдельных участков реки, так как
глубина заложения и качество пород и грунтов, на которых могут
быть основаны опоры моста, определяют в сильной степени строи-
тельную стоимость мостового перехода. Следует иметь в виду, что
при пересечениях на перекатах коренные породы располагаются
ниже, чем при пересечении на плёсах, но залегание их в первом
случае более спокойное, чем во втором.
Рекомендуется назначать места переходов выше впадения при-
токов, так как при этом мостовой переход не попадает в зону вы-
носа донных наносов из устья притока, что обычно связано с появ-
лением островов в русле. Однако если такое пересечение реки
вызывает одновременно необходимость постройки и мостового пе-
рехода через этот приток по общему направлению трассы, то вопрос
о выборе места перехода (выше или ниже притока) следует решить
технико-экономическим расчетом.
Варианты места перехода, подлежащие обследованию и назна-
чаемые при составлении общих предварительных соображений о
постройке мостового перехода, не всегда характеризуются одновре-
менно всеми желательными качествами, перечисленными выше.
Кроме того, наилучший по техническим качествам вариант часто
не может быть принят, так как при этом значительно удлиняется
трасса дороги.
Окончательно место перехода должно быть выбрано путем де-
тального сравнения всех возможных целесообразных вариантов.
Такое сравнение должно быть сделано еще при разработке технико-
экономического обоснования на основании изучения материалов,
собранных во время подготовительных работ, необходимых техни-
ческих изысканий и сметных расчетов по отдельным вариантам.
Методика экономического сравнения вариантов изложена в § 1.3.
В тех случаях, когда варианты имеют одинаковую стоимость,
следует отдать предпочтение варианту с мостовым переходом, вно-
сящим меньшие изменения в режим водотока, или обладающему
каким-либо другим техническим преимуществом, особенно жела-
тельным в данных конкретных условиях.
Сравнивать варианты мест перехода следует для участка трассы
между неизменными, одинаковыми для всех вариантов граничными
пунктами с учетом стоимости дороги на этом протяжении. В связи
с этим и трассирование каждого варианта должно быть выполнено
между такими пунктами, а не только в пределах ширины речной
долины (рис. 7.1).
183
Рис. 7.1. Общие границы (А и
Б) для сравниваемых вариан-
тов трассы
Рис. 7.2. Схема выноса дороги высокой тех-
нической категории из населенного пункта
Большое влияние на выбор возможных и целесообразных мест
пересечения реки оказывает размер перевозок, т. е. интенсивность
движения по дороге. Чем больше объем перевозок, т. е. чем больше
эксплуатационные расходы на перевозки, учитываемые при срав-
нении вариантов, тем более выгодными оказываются короткие ва-
рианты трассы, даже с увеличенной стоимостью строительства со-
оружений.
В соответствии с этим целесообразные варианты мест перехо-
да реки автомобильной дорогой I или II категории стараются мало
отклонять от общего направления трассы.
Для дорог III категории отклонение места перехода по техни-
ческим причинам от общего направления трассы может быть ино-
гда весьма значительным.
Для дорог IV и V категорий дорогие мостовые переходы через
значительные водотоки являются определяющими точками, проход
через которые часто существенно меняет положение трассы дороги
в плане на значительном протяжении.
При проложении трассы дороги через населенные пункты А и Б
или вблизи их следует иметь в виду, что транзитное движение
большой интенсивности через город или большой поселок трудно
организовать с расчетной скоростью, поэтому мостовые переходы
на дорогах высоких категорий следует располагать вне населенных
пунктов (рис. 7.2).
Размер участка реки, на котором могут быть намечены целесо-
образные варианты мостового перехода, в большой степени зави-
сит от ширины разлива реки и расположения трассы дороги отно-
сительно пересекаемого водотока. Чем больше река и чем ближе
направление трассы к направлению речной долины, тем больше
184
зона целесообразных вариантов перехода. Так, например, при изы-
сканиях дороги Москва — Горький — Казань — Свердловск рас-
сматривались варианты пересечения р. Волги, расположенные на
участке реки длиной 80 км.
§ 7.3. ПОДРОБНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ
За камеральным периодом изысканий, составлением общих
предварительных соображений по постройке мостового перехода
для разработки технико-экономического обоснования следует пе-
риод подробных технических изысканий, включающий полевые гео-
дезические, геологические, гидрометрические, гидрологические и
другие работы, предшествующие также и техническому проекту мо-
стового перехода. Топографические съемки на изысканиях мостовых
переходов производят с целью получения материалов, необходи-
мых для подробного изображения рельефа и ситуационных особен-
ностей речной долины в объеме, достаточном для детального обо-
снования выбора варианта места перехода и для проектирования
сооружений. В состав топографических работ входят прежде всего
съемки двух планов: а) ситуационного, охватывающего зону всех
возможных вариантов положения трассы мостового перехода; б)
детального, в крупном масштабе и горизонталях, необходимого для
непосредственного проектирования сооружений перехода — подхо-
дов к мосту, регуляционных сооружений и т. п.
Ситуационный план снимают в тех случаях, когда картографи-
ческие материалы, собранные в период камеральных работ, недо-
статочны или устарели. Особенно осторожно следует подходить к
использованию для трассирования карт старых съемок при реках
с подвижным руслом, карт слишком мелких масштабов, особенно
в районах, хозяйственная деятельность которых сильно развилась
со времени прежних топографических съемок; в то же время эти
старые карты весьма полезны для характеристики подвижности
русла реки. Непосредственное использование топографических карт
в качестве ситуационного плана перехода допустимо при условии,
что масштаб их не мельче чем 1 : 25 000 или 1 : 50 000 для крупных
рек. Сопоставлять карты с натурой следует весьма тщательно, вно-
ся мелкие дополнения после полуинструментальных съемок новых
ситуационных объектов. Карты не могут быть использованы, если
исправлений слишком много или новые контуры русла сильно от-
личаются от старых. В этих случаях ситуационный план снимают
заново, охватывая все варианты трассы.
Ситуационный план по каждому варианту перехода снимают на
всю ширину разлива реки с запасом по 200 м в стороны за линии
урезов воды при расчетном горизонте для насыпи. Длина участка
съемок по речной долине принимается не менее 1,5 ширины разли-
ва вверх и вниз от предварительно намеченной по карте трассы
перехода. Если варианты трассы расположены близко один от дру-
гого, то снимают общий ситуационный план с запасом по длине не
7—2869
185
Рис. 7.3. Схема съемки плана перехо-
да реки:
1 — замкнутый полигон; 2 — диагональный
ход; 3 — висячий ход; 4 — микротриангуля-
ция
менее 1,5 ширины разлива
вверх от верхнего по течению
варианта и вниз от нижнего.
Указанные размеры плана яв-
ляются ориентировочными, ми-
нимальными и могут быть уве-
личены в тех случаях, когда
необходимо показать ситуа-
цию на местности, хотя и уда-
ленную от мостового перехода,
но могущую повлиять на рас-
четы в проекте и расположе-
ние сооружений. Например,
при широких поймах съемка-
ми должны быть целиком ох-
вачены протоки и рукава (от
их истока до устья), на которых могут быть расположены допол-
нительные пойменные мосты.
Масштабы ситуационных планов, как правило, принимаются
1 : 25 000 для крупных рек с шириной русла не менее 1000 м и
1 : 10 000 для прочих рек. Съемку ситуационных планов проводят
при помощи теодолитов-тахеометров (реже мензулы). Основой для
съемки и нанесения плана служит замкнутый полигон, располагае-
мый возможно ближе к границам съемки, стороны которого изме-
ряются двойным визированием (вперед и назад) по дальномеру
(рис. 7.3). Углы измеряют одноминутным теодолитом при двух
положениях трубы. Отметки вершин полигона определяют триго-
нометрическим нивелированием с двойным визированием. Высот-
ные отметки должны быть привязаны хотя бы в одной точке поли-
гона к общей системе точной нивелировки (ближайшей марке, ре-
перу). Точность работ по разбивке полигона определяется следу-
ющими нормами:
а) линейной невязкой при замыкании полигона 1 : 300;
б) угловой невязкой при замыкании полигона 15У/г мин, где
п — число вершин полигона; __
в) высотной невязкой О,8УЛ£) м, где L — общая длина полигона,
кгм; D — средняя длина одной прямой, км.
Внутри полигона прокладывают диагональные ходы, в том числе
обязательно по обоим берегам речного русла, и висячие ходы для
съемки ситуации в местах, которые не могут быть охвачены съем-
кой с основного полигона или диагональных ходов.
В связи с тем, что очертание русла должно быть изображено
на плане возможно более точно, а также потому, что при гидро-
метрических работах делаются многочисленные промеры русла,
привязываемые к береговой опорной сети, при съемке русла часто
применяют микротриангуляцию (см. рис. 7.3).
Базис триангуляции разбивается на ровном и открытом участке
местности. Длину базиса назначают не менее ширины речного рус-
186
ла. Базис измеряют стальной лентой дважды, с допустимым расхож-
дением не более 1 : 2000. Вершины треугольников располагают на
берегах в местах, удобных для визирования на реку при промерах
глубин, с таким расчетом, чтобы углы треугольников были не мень-
ше 30—40°. Все углы при вершинах измеряют одноминутным, а
лучше тридцатисекундным теодолитом. Перед нанесением сетки
триангуляции на план выполняют увязку углов треугольников.
Съемку ситуации и основных контуров рельефа производят тео-
долитом-тахеометром путем измерений расстояний по дальномеру
с фиксацией азимутов, а высотных отметок — с дополнительным
отсчетом вертикальных углов. Высотную съемку проводят только в
основных точках: возвышенности, резкие понижения на поймах,
бровки речного русла, отметки дна в характерных местах, уровни
воды, бровки и дно староречий и т. п. Ситуационные детали снима-
ют только по контурам в плане (границы леса, кустарника, болот,
урезы воды в пойменных озерах и т. п.).
На рис. 7.4 показан образец ситуационного плана с нанесенны-
ми на него положениями гидростворов и водомерных постов, а так-
^же границ разлива и намечаемых детальных съемок в горизонта-
лях участка поймы и русла.
Крупномасштабный план в горизонталях снимают по вариантам
перехода реки, подлежащим детальному сопоставлению, т. е. при-
мерно равноценным, или только по варианту перехода, выбранному
при составлении общих предварительных соображений, как бес-
спорный, наилучший.
Съемки детального крупномасштабного плана в горизонталях
выполняют чаще всего с опорной линии, которой служит трасса
дороги на переходе, разбитая и пронивелированная при оконча-
Рис. 7.4. Пример ситуационного плана места перехода реки
7*
187
\ тельном трассировании. Трасса
\ дороги на переходе привязывает-
ся ся обычным порядком к ближай-
> шим знакам государственной
тригонометрической сети. Ширину
детального плана принимают ту
4 же, что и для ситуационного, а
длину — достаточную для проек-
Рис. 7.5. Схема границ съемки плана тирования всего, комплекса со-
в горизонталях ор ужений мостовою перехода
(рис. 7.5).
Тахеометрическая съемка ведется одноминутным теодолитом-
тахеометром, причем дополнительные ходы применяются, как пра-
вило, только замкнутые, т. е. выходящие обоими концами на трассу
перехода. Точность разбивки дополнительных ходов должна быть
не ниже определяемой последующим формулам:
а) угловая невязка Зун мин;
б) линейная невязка 1 : 3000;
в) высотные отметки вершин углов дополнительных ходов опре-
деляются нивелированием с предельной невязкой 40yL + 4L мм,
где L — общая длина хода, км. В исключительных случаях допу-
скается определение высотных отметок на дополнительных ходах
при помощи тахеометра, но допускаемая невязка при этом устанав-
ливается вдвое меньшая, чем при съемке ситуационных планов,
т. е. 0,4]/Ш
Для нивелирования в районе съемки детального плана
устанавливают реперы, привязываемые двойной нивелировкой к
маркам или реперам точной нивелировки. Расхождение между ни-
велирными ходами при привязке допускается не более 30 УЛ мм.
Сечение рельефа крупномасштабных планов принимается, как
правило, через 1 м. Если горизонтали, проведенные через 1 м, не
дают достаточного представления о рельефе поверхности, проводят-
ся дополнительные горизонтали через 50 см по высоте. Масштабы
детальных планов принимают 1 : 5000 для больших и 1 : 2000—
1 : 1000 — для прочих рек.
Кроме съемки планов, в состав геодезических работ на мосто-
вых переходах входит разбивка вариантов трассы дороги на пере-
ходе, разбивка вспомогательных створов, необходимых для гидро-
логических и гидравлических расчетов, и створов, на которых будут
производиться гидрометрические наблюдения. Разбивка этих ство-
ров производится обычно до съемки детального плана. Профили
всех створов вычерчивают отдельно; положение сгворов обязатель-
но привязывают к полигону, служившему основой для съемки пла-
на, и наносят на план с показанием пикетажа, углов поворота ит.д.
Вешение створов ведут по теодолиту. Линии измеряют стальной
лентой двойным промером. Неприступные расстояния измеряют с
разбивкой треугольников и аналитическим вычислением длины сто-
188
рои по базису и трем измеренным углам при вершинах треуголь-
ника; можно применять и другие приемы.
Применять дальномер для определения неприступных расстоя-
ний можно лишь при наличии теодолитов высокой точности с пре-
цизионным дальномером. Для этой цели могут быть также исполь-
зованы светодальномеры, уже нашедшие применение в проектных
организациях.
Высотные отметки точек на створах определяют нивелировани-
ем. Точность работ по разбивке створов должна быть особенно вы-
сокой. Нивелировку выполняют с той же точностью, что и привязку
местных реперов к маркам точной нивелировки, т. е. с допустимой
невязкой 30 мм. Угловая невязка при смыкании нескольких ва-
риантов трассы перехода не должна превышать п мин, а линейная —
1:2000 для равнинной и холмистой местности и 1:1000 — для
гористой.
Разбивка всех створов (провешивание, пикетаж, нивелирование)
сопровождается съемкой ситуационного обычного плана не менее
чем по 100 м в стороны от створа. Этот план наносят на профиль
створа. На плане особенно точно должны быть отображены границы
растительных массивов, местных понижений и т. п., которые необ-
ходимо знать при использовании профилей для расчетов при про-
ектировании.
На переходах через блуждающие реки значительный объем гео-
дезических работ проводят при разбивке достаточно большого чис-
ла створов, необходимых для установления связи глубин русла с
его шириной h = f(B) и определения «нормальной» его ширины Bq
(см. рис. 4.31). Эти створы провешиваются, по ним разбивается
пикетаж, фиксируется положение меженного уровня воды и следов
прохода высоких половодий, выполняется нивелировка дна. Съемка
ситуационного плана (полосы) в этом случае не является необхо-
димой.
Особое внимание должно быть обращено на положение снимае-
мых створов. Прежде всего должны быть сняты створы, располо-
женные в узких местах речного русла (теснинах), по осям сооруже-
ний, стесняющих русло, и т. д. Некоторое их количество должно
быть снято на участках явного блуждания, где русло характеризу-
ется излишней шириной. Все снимаемые створы должны быть рас-
положены в зоне, где величины расходов воды и наносов одинако-
вы. Обычно длина такой зоны не превышает нескольких десятков
километров.
При трассировании дорог на мостовых переходах в пересеченной
неисследованной местности, для которой нет точных топографиче-
ских карт и выбор общего направления трассы сильно затруднен,
удобно применять аэрофотосъемку. Использование аэрофотосъем-
ки может быть двояким. Прежде всего, осматривая местность с
самолета и применяя выборочную фотосъемку характерных мест,
устанавливают возможные положения трассы и удобные места пе-
рехода через водоток, так как основные размеры и очертание
реки в плане, а также наиболее показательные элементы речной
189
долины выяснить при таких рекогносцировочных полетах нетрудно
(этот прием носит название аэровидуальных изысканий). Затем
аэрофотосъемка может быть применена маршрутная или на значи-
тельных площадях для составления фотопланов и топографических
карт, обосновывающих принятое решение по трассированию линии
и дающих возможность уточнять положение трассы на отдельных
участках. В сильно пересеченной местности, где для проложения
трассы необходимо знать характерные отметки рельефа (речных
долин, горных перевалов и т. д.), применяют радионивелирование,
а также может быть использован прием приблизительного опреде-
ления отметок по альтиметру. Последний прием носит название
воздушного нивелирования на бреющем полете. Снимок участка
речной долины приведен на рис. 7.6. Конкретные приемы аэрофото-
съемки, обработки снимков и их дешифрирование излагаются в
специальных руководствах. Аэрофотосъемка полезна и для состав-
ления общей геологической характеристики местности.
Уровни, скорости течения и расходы потока измеряют во время
подробных технических изысканий, предшествующих проекту в тех
случаях, когда на стадии подготовительных работ не собраны ма-
териалы, достаточные для количественной оценки режима водотока
в месте перехода.
В результате гидрометрических работ должны быть получены:
кривые расхода и средних скоростей для всего русла и характерных
его частей, необходимые для расчета отверстия моста и размеров
регуляционных сооружений; многолетний ряд наивысших годовых
уровней, обычно составляемый по кривой связи створа реки в мес-
те перехода со створом ближайшего водомерного поста, где велись
длительные наблюдения; данные о геометрических характеристиках
потока (площадь и ширина сечения, глубина, уклон). В соответст-
вии с этими задачами гидрометрические работы разбиваются на
следующие:
а) водомерные наблюдения (измерение уровней);
б) промеры глубин;
в) измерение скоростей;
г) вычисление расходов.
Величина твердого стока (расход наносов) измеряется далеко
не всегда, так как в проектных
Рис. 7.6. Перспективный фотоснимок
реки с самолета
организациях размывы под моста-
ми определяют часто по условию
восстановления бытового транс-
портирования наносов, а не по
величине их расхода.
Скорость русловых деформа-
ций определяется именно разме-
рами твердого стока, и для об-
щей характеристики интенсивно-
сти руслового процесса, а также
для оценки быстроты размывов
необходимо знать расход нано-
сов. Однако, учитывая, что расход
190
руслоформирующих наносов однозначно связан с гидравлическими
параметрами водного потока, обычно ограничиваются подсчетом
его по формулам, подобным (2.7), после измерения скоростей тече-
ния воды. К непосредственным измерениям твердого стока, учиты-
вая их трудность, прибегают только тогда, когда расчет развития
размывов во времени оказывается решающим для назначения раз-
меров сооружений (в частности, глубины заложения фундаментов
опор моста). В таких случаях точность определения расхода нано-
сов должна быть возможно большей. С этой целью постоянная А
формулы (2.7) уточняется по измерениям расходов наносов непо-
средственно на реке, через которую проектируется мостовой пере-
ход.
Уровни воды в реках измеряют на водомерных постах свайного
или реечного типа, располагаемых в месте перехода в количестве,
достаточном не только для измерения уровней воды, но и для опре-
деления уклонов. Как правило, устраивают три поста, один из
которых располагают по намечаемой оси перехода реки, и два —
на расстоянии от 0,5 до 3 км от него вверх и вниз по течению. Рас-
стояние между постами зависит от приблизительной величины укло-
на реки (0,5 км при падении реки около 100 см на 1 км и 3 км
при падении около 3 см на 1 км). Водомерные посты при уклонах
не менее 0,0005 связываются между собой нивелировкой обычной
точности. При меньших уклонах применяется прецезионное нивели-
рование. В этом случае нивелируют точно из середины расстояния
между рейками, с отсчетами по трем нитям. У каждого водомерно-
го поста устанавливают высотный репер. Наблюдения на водомер-
ных постах ведут 3 раза в день, а в период измерения скоростей
потока при высоких горизонтах значительно чаще, в зависимости
от потребности, но не реже 1 раза в час. Водомерные посты следует
располагать в защищенных от ледохода местах с обеспеченным
подходом к посту для измерений при любых уровнях воды. Кроме
свайных и реечных постов, полезно устанавливать в характерных
местах максимальные водомерные рейки, фиксирующие положение
наивысшего уровня очередного паводка.
Уклон водной поверхности, величину которого необходимо знать
для расчета подпора, величины (Зр и коэффициентов шероховатости
русла и пойм, измеряют особенно тщательно. Уровни воды для этой
цели измеряют одновременно на нескольких постах по условному
сигналу (выстрелу) или пользуясь сверенными точными часами.
В результате наблюдений на водомерных постах строят водо-
мерный график H = кривую связи уровней (7/бп) , кри-
вую уклонов I = Пользуясь кривой связи места перехода с
постоянным водомерным постом, составляют многолетний ряд наи-
высших годовых уровней в месте перехода.
Измерение глубин речного русла дает возможность построить
план дна реки в горизонталях или изобатах (линиях равных глу-
бин). При наличии плана пойм в горизонталях и плана дна можно
составить поперечное сечение реки по любому интересующему про-
ектировщиков створу, что удобно для окончательного назначения
191
Рис. 7 7. Схема промеров глубин рек
створа моста. В тех случаях, когда необходимые для расчетов и
проектирования створы (варианты трассы на переходе, вспомога-
тельные створы и т. д.) назначены до полевых работ и закреплены
постоянными знаками на берегах, измерение глубин может быть
ограничено промерами по поперечникам в этих створах.
Промеры глубин, как правило, проводят с весельной лодки на-
меткой или лотом. Существуют три способа съемки: по поперечни-
кам (при ограничении промеров определенными створами и при
очень малых скоростях течения), косыми галсами (при средних
скоростях течения и необходимости снять план дна реки) и про-
дольными галсами (при больших скоростях и глубинах реки).
Первые два способа применяют при небольшой ширине водного
зеркала, когда можно установить лодку в определенных створах.
Расстояния между промерами глубин не должны быть больше 1/10
ширины русла. Во многих случаях удается фиксировать значитель-
но большее число точек.
Промеры по поперечникам (рис. 7.7, а) выполняют с засечкой
положения лодки теодолитом (крест нитей наводят на трос лота
или наметку) с постоянного засечного пункта на берегу, положение
которого выбирают так, чтобы угол между створом и направлением
от лодки на теодолит составлял не менее 30—40°. Лодку устанав-
ливают в створе по береговым вехам. Наблюдатель в лодке цвет-
ными флагами подает сигналы о промерах наблюдателю у теодо-
лита. При съемке плана дна расстояние между поперечниками при-
нимают не более половины ширины русла. На узких реках часто
ведут промеры, передвигая лодку по натянутому поперек реки тро-
су, без засечек.
Промеры глубин по косым галсам выполняют после расстанов-
ки специальных поворотных и створных вех, позволяющих вести
лодку почти по прямым линиям, ориентируясь по вехам. Промеры
ведут при этом непрерывно, в большом количестве, но теодолитом
положение лодки фиксируется только через девять промеров на
десятый (рис. 7.7, б), а остальные промеры считаются распреде-
ленными на равных расстояниях один от другого в промежутке
между зафиксированными точками.
192
При широком водном зеркале, в частности при промерах во
время паводков, когда ориентация лодки по створным вехам невоз-
можна, передвижение лодки допускается продольными галсами
(как правило, лодка при этом не управляется и передвигается толь-
ко силой течения воды). Фиксирование положения лодки засечками
требует в этом случае наличия на берегах двух теодолитов (рис.
7.7, в). Каждое измерение глубин, особенно при высоких водах,
должно быть отнесено к уровню, точно определенному в это время
по водомерному посту в створе мостового перехода, так как отмет-
ки дна могут меняться в зависимости от уровня воды в реке.
Поданным о промерах глубин составляют профили,нормальные
или косые по отношению к оси потока (в зависимости от способа
измерений), и определяют положения точек равных глубин или рав-
ных отметок. Эти точки переносят на план речного русла с прове-
дением по ним изобат или горизонталей.
В качестве промерного инструмента можно применять эхолоты.
Этот современный инструмент действует по принципу измерения
времени, необходимого для прохождения ультразвукового импульса
от аппарата до дна реки и обратно. Точность измерений глубин с
помощью эхолота понижается с уменьшением глубины.
К настоящему времени работы с эхолотами на реках хорошо
освоены Гипроречтрансом и Гидропроектом; на изысканиях мосто-
вых переходов они применяются Гипротрансмостом и Союздор-
проектом.
Для измерения скоростей течения выбирается и оборудуется
специальный гидрометрический створ, причем для точного расчета
величин р и рр необходимо, чтобы он обязательно совпадал с осью
мостового перехода. Как правило, трудоемкие работы по измерению
скоростей производят только в одном створе. Однако при всякой
возможности эти измерения следует делать в нескольких створах.
Проведение работ существенно упрощается и точность их повыша-
ется, если гидрометрический створ будет располагаться на участке
реки, где русло имеет малую кривизну, острова и отмели отсутст-
вуют, глубины по длине реки изменяются незначительно. Поймы
реки на участке, наилучшем для работ, должны быть по возможно-
сти открытые, без значительных протоков и озер. Желательно убе-
диться по рельефу местности, расположению зарослей на поймах
и т. п. в малой косоегруйности течения. Гидрометрический створ
может быть ломаным в плане, если течения в главном русле и на
поймах не параллельны. Расположение частей створа, нормальное
к направлению струй, освобождает от измерения углов отклонений
струй от нормали к створу; последнее хотя и возможно, но с невы-
сокой точностью и некоторыми затруднениями.
Гидрометрический створ разбивается на всю ширину разлива
с выходом на незатопляемые берега речной долины. Створ нивели-
руют по разбитому пикетажу на поймах; глубины русла измеряют
способами, указанными выше, при всех горизонтах, при которых
определяют скорости. Ширину русла определяют как неприступное
расстояние. В гидрометрическом створе располагают и основной
193
Таблица 7.1
Ширина
русла, mi
Число вертикалей
До 100
100—300
300—600
600—1000
Более 1000
5
7
9
И
13 (но не реже, чем
через 200 м).
водомерный пост, связываемый
(нивелировкой с другими водомер-
ными постами на переходе. Не-
медленно после первоначальных
съемок при низких уровнях воды
составляют профиль створа, по
которому намечают положение
рабочих вертикалей для измере-
ния -скоростей. Вертикали распо-
лагают по возможности равно-
мерно и назначают в местах ма-
лых изменений глубин по длине русла или поймы. Число рабочих
вертикалей устанавливается: в русле реки от 5 до 13 в зависимости
от его ширины (табл. 7.1), а на поймах не реже чем через 200 м. На
мощных пойменных протоках вертикали располагают на таких же
расстояниях одна от другой, как и в главном речном русле. Ука-
занное число вертикалей является минимальным, дальнейшее
уменьшение их числа повлечет за собой отклонение величины рас-
хода по сравнению с измеренной при большем числе вертикалей,
т. е. приведет к снижению точности.
Скорости при каждом рабочем уровне измеряются, как прави-
ло, на одних и тех же заранее установленных вертикалях. Однако
при медленном изменении уровня воды лодки, с которых ведутся
измерения скоростей, могут устанавливаться и не на строго опре-
деленных вертикалях.
При измерении скоростей на поймах рекомендуется закреплять
положение вертикалей плавающими вехами (рис. 7.8, а). С целью
закрепления определенных вертикалей в речном русле устраивают
систему двух створов для каждой вертикали, заранее разбиваемую
на местности (рис. 7.8, б). Лодка устанавливается одновременно в
двух створах — нормальном и косом. Не закрепляя определенных
вертикалей, можно устанавливать лодку в створе по береговым ве-
хам, а расстояние от лодки до берега фиксировать засечкой тео-
долитом.
Особое значение закрепление постоянных вертикалей для изме-
рения скоростей приобретает в тех случаях, когда уровнень воды
меняется быстро и ширина реки велика. Для измерения скоростей
в этом случае удобно такое положение гидрометрического створа,
при котором имеется возможность установки береговых вех для
нормального и косых створов, т. е. расположение створа на одно-
пойменном участке реки.
Скорости на вертикалях измеряют вертушками (рис. 7.9). Изме-
рения ведут по шеститочечному или пятиточечному способу; точки
измерений скоростей располагают близко к поверхности — на
0,2—0,4—0,6—0,8 глубины и возможно близко ко дну (при пятито-
чечном способе точка 0,4 исключается). При незначительных глу-
бинах потока число точек на вертикали уменьшается: при глубине
1—3 м — до трех (поверхность, дно, 0,6 глубины); при глубине не
более 1м — до одной (0,6 глубины). Вертушку чаще всего опуска-
194
ют на тросе при помощи небольшой гидрометрической лебедки,
устанавливаемой в лодке. Трос натягивается грузом, который дол-
жен иметь обтекаемую форму во избежание искажения скоростей
течения. Работа с вертушкой на штанге допускается при наиболь-
шей глубине до 3 м и отнимает значительно больше времени, чем
работа с подвесной вертушкой.
Гидрометрические работы можно вести с весельных и моторных
лодок. Удобны специальные гидрометрические лодки, например
разборная металлическая моторная лодка ЦНИИС, оборудован-
ная небольшим полноповоротным краном, позволяющим опускать
вертушку или другие гидрометрические приборы с любой стороны
лодки. Для повышения устойчивости лодки при больших скоростях
течения к ней жестко присоединяется небольшой понтон.
Скорость в каждой точке измеряют столько времени, чтобы ло-
пасть вертушки сделала не менее 200—300 оборотов, а по проме-
жуточным отсчетам времени и числа оборотов можно было бы су-
дить об однотипности интервалов времени между сигналами вер-
тушки. Нормальная продолжительность времени измерения скоро-
сти в каждой точке вертикали колеблется от 2 мин на поверхности
до 5 мин у дна.
Чтобы более точно построить кривую расхода всего потока, сле-
дует измерять скорости через малые интервалы изменения уровня
воды во времени, не превышающие 0,25—0,50 м. С этой целью
должно быть выбрано достаточное количество бригад, одновремен-
но работающих по измерению скоростей. Необходимо также стре-
миться заканчивать измерения на всех вертикалях створа в течение
одного рабочего дня; это становится обязательным, если имеется
возможность считать уровни воды примерно равными при работе
на различных вертикалях.
По результатам измерения скоростей составляют эпюры скоро-
стей по вертикалям; площадь такой эпюры дает элементарный рас-
ход. Вид эпюры скоростей может меняться в зависимости от мест-
ных условий (рис. 7.10). При резком отклонении очертания эпюры
от нормального надо установить причину такого отклонения, так
как в некоторых случаях может оказаться неисправной вертушка.
а) чвв
Рис. 7.8. Схема закрепления постоян-
ных вертикалей для измерения скоро-
стей течения
Рис. 7.9. Типы гидрометрических вер-
тушек:
а — штанговая; б — подвесная (тросовая)
195
Рис. 7.10. Возможные эпюры скоростей течения на вертикалях:
а — нормальная; б—при встречном ветре; в — при попутном ветре; г — у дерева на пойме;
д — у местного донного препятствия
Рис. 7.11. Эпюры средних скоростей и элементарных расходов по ширине русла
(а) и кривые элементарных расходов воды на вертикалях при их фиксации (б).
Жирными линиями показаны измеренные расходы
По измеренным скоростям вычисляют средние скорости на
вертикалях, как частное от деления площади эпюры скоростей на
глубину вертикали, и строят эпюры средних скоростей и элементар-
ных расходов по всей ширине гидрометрического створа (рис.
7.11, а).
Для уточнения очертания эпюры элементарных расходов допол-
нительно вычисляют элементарные расходы для вертикалей в
местах резких подъемов дна и больших глубин, если на этих верти-
калях скорости непосредственно не измерялись. Элементарный рас-
ход вычисляется как произведение фактической глубины h на ско-
рость, взятую с эпюры средних скоростей на вертикалях (q = hv^).
Планиметрированием эпюры элементарных расходов определя-
ют величину расхода при данном уровне воды. Нанося на график
точки, соответствующие расходам, измеренным при нескольких ра-
бочих уровнях воды, получают кривую расхода.
Скорости и элементарные расходы, измеренные на различных
вертикалях, можно отнести к одному и тому же уровню воды толь-
ко в том случае, если уровень почти не изменялся во время работы.
Изменение уровня можно установить, фиксируя отметки уровня
воды на водомерном посту гидрометрического створа, при измере-
ниях скоростей на каждой вертикали. В случае быстрого изменения
уровня воды во время измерений результаты измерений обрабаты-
196
вают несколько иначе, а скорости измеряют обязательно на за-
крепленных вертикалях. Лучшим способом обработки в этом случае
является построение для каждой вертикали своей кривой элемен-
тарных расходов q = f(H) по результатам измерений при строго
зафиксированных рабочих уровнях воды, отметки которых отлича-
ются на различных вертикалях. По этим кривым (рис. 7.11, б)
графической интерполяцией могут быть найдены величины элемен-
тарных расходов при уровнях, одинаковых для всех вертикалей, а
по ним построены эпюры элементарных расходов и определены
планиметрированием расходы воды по всему сечению водотока.
Скорости следует измерять точно выверенными тарированными
вертушками. Так как вертушки могут быть повреждены при рабо-
те, то их проверяют периодически и в полевых условиях, а после
окончания работ вновь тарируют в лаборатории. В полевых усло-
виях вертушки можно тарировать контролем отсчетов оборотов при
передвижении с определенными скоростями лодки с вертушкой,
опущенной в неподвижную воду. В этом случае лодку передвигают
обычно два человека, идущие по берегам водоема (пруда) по раз-
графленным дорожкам, число шагов в минуту регулируется по
секундомеру лицом, дающим команду к передвижению (рис.
7.12, а). Лодку можно передвигать также лебедкой, вращаемой с
различной скоростью (рис. 7.12, б). Лодка перемещается каждый
раз на постоянное расстояние между двумя створами. Удобно та-
рировать вертушки в кольцевом канале, легко устраиваемом на пой-
менных берегах реки. В этом случае рычаг с укрепленной на нем
вертушкой вращает один человек (рис. 7.12, в).
Кроме вертушек, для измерения скоростей течения употребляют
поверхностные поплавки, наблюдая за которыми можно не только
определить величины скоростей, но и составить план направления
течения поверхностных струй. При небольшой ширине водного зер-
кала поплавковые измерения можно вести по створам (рис. 7.13, а),
относя поверхностную скорость, полученную на некотором протя-
жении речного русла, к точке, где поплавок пересек главный створ,
и фиксируя эту точку засечкой теодолитом по сигналу наблюдателя
в створе. Средняя скорость на вертикали может быть определена
введением поправочного коэффициента к поверхностной скорости,
колеблющегося в небольших пределах и обычно принимаемого рав-
ным 0,85.
Если путем измерения вертушкой можно определить величину
этого коэффициента в конкретных условиях, то в расчет вводят
его уточненное значение. В остальном операции по вычислению
расхода не отличаются от применяемых при вертушечных изме-
рениях скоростей.
При значительной ширине реки, например при высоких уров-
нях воды, измерять скорости поплавками по створам практи-
чески невозможно. В этом случае следует применять одноточечный
способ измерения скоростей движения поплавка, предложенный
Н. М. Усовым. Способ заключается в построении траектории дви-
жения поплавка с определением его последовательных положений
197
Рис. 7.12. Схемы полевой тарировки
вертушек:
а — продольное перемещение лодки идущими
людьми; б — продольное перемещение лодки
лебедкой; в — тарировка в кольцевом канале
Рис. 7.13. Схемы поплавковых измерений скоростей при работе:
а — по поперечникам; б — одноточечным методом
через равные промежутки време-
ни путем измерения двух углов
(горизонтального и вертикально-
го) по лимбам теодолита, уста-
новленного высоко над водой на
специальной вышке или на высо-
ком берегу (рис. 7.13, б). Доста-
точно удовлетворительные ре-
зультаты получаются при работе
с одноминутным теодолитом при
расстоянии до поправка, в 40—
50 раз больших, чем высота инст-
румента над водой. Расстояние
от теодолита до поплавка опреде-
ляется по формуле
1=—— , (7.11
tg а
Рис. 7.14. Эпюра элементарных рас-
ходов руслоформирующих наносов
где а — вертикальный угол; Н—высота инструмента над уровнем
воды.
Направление на поплавок от теодолита, положение которого на
плане известно, определяется по ориентированному горизонтально-
му лимбу. При равных промежутках времени между отсчетами
(обычно 100 с) расстояние между точками положений поплавка на
плане дает скорость в некотором масштабе.
Этот прием удобно применять также для определения скорости
движения судов и плотов по реке и построения траекторий их дви-
жения, что важно знать для правильного назначения положения
мостов на судоходных и сплавных реках.
Расходы руслоформирующих наносов измеряют специальным
прибором — донным батометром, который опускают с лодки при
помощи стрелы. Расходы наносов определяют на отдельных верти-
калях и сопровождают измерением донных скоростей при помощи
вертушки, укрепляемой над батометром. После измерения расхода
наносов на отдельных вертикалях и приведения их к единице ши-
рины (так как батометр улавливает наносы на ширине прибора)
строят кривую элементарных расходов наносов (рис. 7.14) и, пла-
ниметрируя ее, определяют расход руслоформирующих наносов на
всей ширине русла.
Наилучшим для измерения расходов руслоформирующих нано-
сов является батометр лаборатории речных сооружений ЦНИИС
(рис. 7.15).
Для расчетов времени развития русловых деформаций на мосто-
вом переходе определяют числовое значение параметра А формулы
элементарного расхода наносов:
g"=Ad-^-(\— ^Д = Ас1(7.2)
\ 01 г 0I*5
199
Рис. 7.15. Донный батометр для из-
мерения расходов донных наносов
Рис. 7.16. Схема определения пара-
метров формулы расхода наносов
Для этого на чертеж наносят точки по координатам g” и
— (рис. 7.16). Тангенс угла наклона прямой, проведенной по
г'нер
точкам, равен А.
Величину среднего диаметра частиц наносов определяют сито-
вым анализом или анализом на фракциометре, основанном на из-
мерении гидравлической крупности частиц наносов. Неразмываю-
щую скорость для этих частиц устанавливают по табл. 4.2.
При значительном числе измерений элементарных расходов на-
носов, позволяющем вычислить расходы наносов по всему руслу
(см. рис. 7.14), можно определить для данного водотока не только
параметр А формулы (2.7), но и параметр А формулы (4.23):
_ДнеР \
\ VP /
Для этого необходимо построить график, аналогичный рис. 7.16,
но по расходам наносов G и по средней скорости течения для всего
русла ур.
При малом числе лет наблюдений на водомерном посту многие
высокие уровни воды могут оказаться незафиксированными. В этом
случае существенно уточнить гидрологическую характеристику во-
дотока можно, определив отметки высоких уровней воды путем
осмотра следов прохода половодья на местности с последующей
нивелировкой или опросом жителей приречных населенных пунк-
тов, в па1Мяти которых сохранились данные о последствиях ката-
строфического половодья на реке. Во многих случаях на зданиях,
сооружениях и т. п. также могут быть найдены отметки прохода
высокого половодья.
Признаками высокого подъема уровня воды являются прежде
всего отложения на берегах пойменных участков реки различных
предметов (сучьев, стволов и т. п.), принесенных водой при подъ-
еме уровня л оставшихся на берегу при спаде его. Достоверными
такие следы можно считать лишь в том случае, если эти предметы
обнаружены в большом количестве на значительном протяжении, а
200
отметки местности, где эти предметы находятся, оказываются устой-
чивыми. Такие следы сохраняются относительно малое количество
лет. Значительно лучше сохраняются следы, оставляемые водой на
размываемых берегах или на каменистых прибрежных скалах. На
размываемых берегах ясно видны подмывы грунта, а на скалах
смачиваемая часть отличается по цвету от верхней, несмачиваемой.
Наконец, иногда можно судить о высоких половодьях по общей
конфигурации разлива реки. Б этом случае ситуационные особен-
ности отдельных участков речной долины могут показать, до како-
го уровня покрывалась водой прибрежная территория.
Опрашивая старожилов о сохранившихся в их памяти случаях
исключительно высокого половодья, следует проверять достовер-
ность сообщаемых сведений обязательным сопоставлением отдель-
ных указаний, с увязкой показанных следов половодья нивелиров-
кой и тщательным осмотром строений и сооружений, к которым
обычно приурочены показания. Такой осмотр проводят, чтобы уста-
новить отсутствие просадок фундаментов домов или других их по-
вреждений, которые могу! сильно исказить сведения о половодьях.
Все показания старожилов следует актировать, особенно в тех
случаях, когда ряд высоких уровней вообще нельзя составить и мо-
стовой переход необходимо рассчитывать по единственному, непо-
средственно зафиксированному высокому уровню воды.
Для проектирования элементов сооружений мостового перехода
необходимо знать не только наивысшие годовые уровни, но и дру-
гие характеристики водотока. При отсутствии данных длительных
наблюдений в месте перехода такие характеристики следует уста-
новить сравнением материалов наблюдений водомерных постов
ниже и выше места перехода реки (если такие посты имеются) или
опросом местных работников и жителей, а некоторые данные со-
брать во время работы водомерных постов, установленных во вре-
мя подготовки к изысканиям мостового перехода. К таким сведе-
ниям относятся данные об интенсивности и продолжительности ле-
дохода, размерах льдин и толщине ледяного покрова реки, а также
данные о характерных горизонтах воды. Желательно собрать так-
же данные о самых ранних, поздних и средних датах наступления
отдельных фаз режима реки.
Геологические работы проводят: для определения типа и необ-
ходимой глубины заложения мостовых опор; характеристики устой-
чивости насыпей подходов и регуляционных сооружений, что осо-
бенно важно для сооружений, построенных в пониженных местах
пойм; для установления возможности размыва русла при стесне-
нии потока; определения пригодности пойменных грунтов в каче-
стве строительного материала для сооружения подходов к мосту;
выявления ближайших и наиболее рентабельных карьеров естест-
венных строительных материалов (песка, гравия, камня).
Во время подробных технических изысканий необходимо преж-
де всего получить общую геологическую характеристику вариантов
мест пересечения водотока, необходимую для установления воз-
можности строительства сооружений мостового перехода. Такие
201
общие данные могут быть частично получены путем анализа инже-
нерно-геологических карт, справочных данных, материалов изыска-
ний прошлых лет и т. д. Недостающие сведения должны быть полу-
чены непосредственным обследованием с закладкой разведочных
выработок (шурфов, буровых скважин).
Для выяснения геологического строения подмостового русла за-
кладывают по каждому варианту не менее чем три скважины. До-
полнительные скважины закладывают в пониженных местах пойм/
пересекаемых насыпями подходов. Скважины должны быть зало-
жены на всю толщу аллювиальных отложений и заглублены в ко-
ренные породы настолько, чтобы было возможно выяснить их одно-
родность. При очень мощных аллювиальных отложениях глубину
скважин не доводят до коренных пород, если свойства аллювиаль-
ных отложений допускают устройство в их толще основания опор.
По результатам бурения составляют инженерно-геологические
профили с указанием в приложении относительной сопротивляемо-
сти грунтов и пород проходке. К профилям должны быть приложе-
ны также инженерно-геологические заключения о возможности ис-
пользования отдельных слоев в качестве оснований сооружений
или о необходимости устройства искусственных оснований того или
иного типа. Для быстрой оценки геологических условий по различ-
ным вариантам мест перехода широкое применение может найти
электроразведка, позволяющая в короткие сроки почти без трудо-
емкого бурения получить общую геологическую и гидрогеологиче-
скую характеристику района перехода с составлением схематиче-
ских геологических профилей. Особенно полезна электроразведка
для выявления карстовых пустот, оползней, грунтовых вод и других
особенностей мест переходов в сложных геологических условиях.
Электроразведка основана на измерении средней проводимости
тока толщей грунта. Измеряя проводимость на все больших тол-
щах грунта от поверхности (что достигается увеличением разноса
электродов), можно составить представление о проводимости по-
следовательно присоединяемых пластов грунта (рис. 7.17).
Полевые измерения при электроразведке очень просты. Наи-
большую трудность составляет интерпретация полученных резуль-
татов, т. е. переход от электрических показателей к характеристи-
кам грунта или горных пород.
При инженерно-геологических обследованиях вариантов, кото-
рые уже в процессе изысканий могут быть оценены как основные,
Рис. 7.17. Схема измерения электрической проводимости пластов грунта разной
мощности
202
подлежащие сравнению для выбора из них наилучшего, объем гео-
логических работ значительно увеличивается. По этим вариантам
составляют подробные описания микрорельефа и естественных об-
нажений и описание форм движения речных наносов и бытовых де-
формаций, о чем судят по русловым наслоениям наносов, новооб-
разовавшимся протокам, разрушениям берегов, появившимся ста-
роречьям, возраст которых следует установить путем сличения
картографических материалов различных лет. К описанию микро-
рельефа прилагают характеристику общих грунтовых условий на
переходе, составляемую на основе анализа грунтов из обнажений,
расчисток обнажений и специальных шурфов. Затем закладывают
буровые скважины в русле и шурфы на поймах для детальной гео-
логической разведки и проводят зондирование заболоченных участ-
ков пойм. На основании этих работ составляют подробные геологи-
ческие профили и планы, служащие непосредственной документа-
цией для проектирования сооружений мостового перехода при
составлении проектного задания, а затем и технического проекта.
Для возможности суждения о пригодности того или иного слоя
грунта или горной породы в качестве основания сооружения долж-
ны быть установлены их наименования, механический состав, струк-
тура, трещиноватость (для скальных пород), мощность слоев, их
простирание и падение, водоносность и т. д. Подробно должны быть
охарактеризованы возможные геологические процессы в месте пе-
рехода (карстовые явления, оползни, усиленная суффозия почв
и т. д.), если признаки этих процессов обнаружены тем или иным
путем.
Отсутствие таких процессов должно устанавливаться специаль-
ным обследованием и отражаться в материалах, характеризующих
переход с геологической стороны.
Буровые скважины, предназначенные для составления геологи-
ческого разреза подмостового русла, располагаются обязательно
по всей длине мостового отверстия против мест предполагаемого
возведения опор моста, если таковые уже определены хотя бы ори-
ентировочно во время изысканий. Скважины закладывают выше
и ниже створа перехода по течению реки в шахматном порядке,
чтобы установить продольное падение и выклинивание отдельных
слоев грунта или горных пород. В обычных условиях около каждой
опоры бурят по одной скважине; в сложных геологических усло-
виях (большое падение пластов, выклинивание их и т. д.) число
скважин на каждую опору может возрастать до трех-четырех.
Скважины закладывают ниже возможного положения подошвы
фундамента опоры или низа свай и назначают их глубину не мень-
ше, чем указано в табл. 7.2. Указанные в таблице глубины отсчи-
тывают от линии размыва в подмостовом русле.
При буровых работах перед постройкой мостового перехода,
когда точно известно положение каждой опоры в плане, скважины
располагают обязательно вне периметра подошвы опоры, хотя и
близко к нему, во избежание появления артезианских вод в котло-
ване при постройке опоры.
203
Грунты
Скальные
Галечные
Песчаные
Глинистые
Слабые илистые
Таблица 7.2
Глубина скважины, м
Не менее J
» » 15
» » 20
» » 30
Не менее 15 ни-
же кровли несу-
щих нижних слоев
При небольшом объеме буро-
вые работы выполняют ручным
ударно-вращательным бурением
в обсадных трубах. Как прави-
ло, этим способом удается про-
буривать скважины до 30 м глу-
биной.
При больших объемах буро-
вых работ и значительной глубине
скважин рекомендуется перехо-
дить на механическое вращатель-
ное бурение (коронками).
В последнее время на изысканиях мостовых переходов приме-
няют самоходные и прицепные буровые установки УКБ-12/25 на
автомобиле ЗИЛ-150; УГБ-50М на автомобиле ГАЗ-66; вибробуро-
вые установки АВБ-2М на автомобиле ГАЗ-66. При бурении в ме-
женном русле реки автомобиль с установкой должен располагать-
ся на специальном понтоне. Особенно удобно работать на самоход-
ных установках вне пределов межени.
Скважины в местных понижениях пойм, пересекаемых насыпями
подходов и регуляционными сооружениями, назначаются глубиной
не менее 4—6 м. В этих местах должно быть установлено наличие
или отсутствие торфа и глубина заложения минеральных несущих
грунтов.
Грунтовое обследование на поймах проводят по оси трассы путем
закладки одного-двух шурфов глубиной 2—3 м на каждый километр
дороги. В местах возведения высоких насыпей шурфы закладывают
и по поперечникам. Такое же обследование производят в районе
расположения струенаправляющих сооружений.
Все скважины и шурфы должны быть привязаны в плановом и
высотном отношении к трассе дороги и указаны на ситуационном и
детальном планах мостового перехода.
Анализы грунтов и испытания пород, образцы которых взяты
в шурфах и буровых скважинах, делают по возможности в полевой
лаборатории. Только сложные исследования производят не в пери-
од изысканий; образцы для таких исследований доставляют в ста-
ционарные лаборатории в тщательно упакованном виде с этикет-
кой, содержащей необходимые сведения о месте и условиях получе-
ния образца.
Одновременно с работами по геологической характеристике мес-
та перехода ведут поиски строительных материалов с определением
их качеств, запасов, мощности напластований и глубины вскрыши.
Все материалы инженерно-геологических работ, проведенных
при подробных изысканиях, сводятся в следующие документы:
а) инженерно-геологический профиль по оси мостового перехо-
да с таблицей основных характеристик горных пород и грунтов
(рис. 7.18);
б) поперечные профили (продольные по реке) с указанием па-
дения пластов и их выклинивания;
204
в) инженерно-геологическая схематическая карта всего района
перехода;
г) заключение об условиях возведения сооружений мостового
перехода с точки зрения обеспечения устойчивости их оснований;
д) записка о строительных материалах, разведанных вблизи
мостового перехода.
В разделе прочих работ на изысканиях приходится выполнять
обследование существующих мостовых переходов на водотоке, а
также устанавливать траектории судов и плотов, если река исполь-
зуется для перевозок грузов и сплава.
Обследование существующих мостовых переходов позволяет
представить будущие условия эксплуатации проектируемого мосто-
вого перехода. Особая ценность этих обследований заключается в
том, что удается получить реальные данные о скоростях течения у
сооружений во время высоких половодий, о развитии волн у пой-
менных насыпей, о развитии местных размывов, об эффективности
уширения русла и т. д. В ряде случаев удается путем анализа ве-
личин общих размывов, уже развившихся под существующими
мостами, составить без гидрометрических работ ясное представле-
ние о распределении расхода между руслом и поймами. Конечно,
использование всех этих данных для проектирования нового мосто-
вого перехода должно сопровождаться анализом отличия условий
работы обследованных мостовых переходов от проектируемого.
Чаще всего только русловые условия довольно однообразны на
значительном протяжении реки. Что же касается залегания и соста-
ва коренных пород, амплитуды колебания уровня воды и ширины
речной долины (т. е. ширины пойм), то эти характеристики реки
могут меняться даже на участке долины небольшой длины.
Траектории речных судов и плотов устанавливают одноточеч-
ным методом с единственного пункта, высоко поднятого над уров-
Рис. 7.18. Пример геологического разреза речной долины:
Г— напластования связных грунтов (наилок поймы); 2 — современный аллювий; 3 — древ-
ний аллювий; 4 — коренные породы
205
нем воды. Следует иметь в виду, что для правильного нанесения
траекторий на план необходимо наводить крест нитей на уровень
воды непосредственно у плывущего предмета. Техника работ от-
ноточечным методом описана в разделе гидрометрических работ.
§ 7.4. ИЗЫСКАНИЯ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Состав изыскательских работ, выполняемых при реконструкции
мостовых переходов, зависит от целей реконструкции.
Во многих случаях реконструкция мостового перехода вызыва-
ется увеличением интенсивности движения по дороге. Как правило,
это связано с уширением проезжей части и выполняется в виде
уширения земляного полотна, постройки опор моста и дополнитель-
ной установки пролетных строений (например, пролетных строений
второго пути на железных дорогах).
В этих условиях изыскания сводятся к обследованию и съемкам
поперечников земляного полотна, чтобы установить объемы и тех-
нологию присыпки его откосов при уширении и к инженерно-геоло-
гическим обследованиям мест постройки новых мостовых опор.
В рассмотренном случае мостовой переход как система гидротехни-
ческих сооружений не подвергается реконструкции, условия работы
сооружений не меняются и гидрологические и гидрометрические
работы не требуются.
В некоторых случаях необходимо увеличить высоту подмосто-
вых габаритов в связи с развитием судоходства и сплава или в
связи с подъемом уровня воды в реке вследствие постройки плотины
ГЭС. В этом случае работы по реконструкции заключаются в подъ-
емке пролетных строений, наращивании опор по высоте, а иногда
и увеличении высоты пойменных насыпей непосредственно у моста.
Эти работы также не связаны с изменением условий работы мосто-
вого перехода как системы гидротехнических сооружений.
Однако нередко встречается необходимость исправления мосто-
вого перехода в связи с явно неблагополучными условиями работы
его сооружений. К числу мостовых переходов, нуждающихся в ре-
конструкции, относятся: переходы, где обнаружена недостаточная
высота насыпей подходов, в связи с чем они затапливаются во вре-
мя высоких паводков; переходы, насыпям которых угрожает подмыв
от приблизившихся излучин меандрирующего русла; переходы, на
которых природные русловые деформации привели к неудовлетво-
рительному расположению судового хода на участке у моста; пере-
ходы, на которых развились недопустимые размывы, угрожающие
целости дополнительных пойменных мостов, основного моста или
регуляционных сооружений и т. д. Во всех этих случаях реконст-
рукция связана с обеспечением устойчивости сооружений, работаю-
щих как гидротехнические, и в состав изыскательских работ обяза-
тельно должны включаться гидрологические и гидрометрические
обследования, а также сбор сведений об условиях работы ранее
существовавших сооружений.
206
Состав изыскательских работ, устанавливаемый каждый раз от-
дельно, тесно связан с задачами реконструкции. Так, при подъеме
пойменных насыпей должен быть решен вопрос о величине допол-
нительного размыва под мостом, для чего проводят оценку количе-
ства воды, переливавшейся через насыпь. Работы по измерению не-
которых частных расходов должны выполняться и в том случае,,
если при реконструкции предполагается закрытие дополнительных
мостов на поймах с направлением воды под основной мост.
При подмывах насыпей и регуляционных сооружений состав
изыскательских работ связывается с возможными приемами работ
по реконструкции перехода. На меандрирующих реках возможно
спрямление русел с выключением извилины, угрожающей сооруже-
ниям. В этих случаях должны быть проведены геодезические ра-
боты, достаточные для проектирования спрямляющего русла. На
немеандрирующих и блуждающих реках, а также на тех меандри-
рующих реках, где спрямление невозможно, необходимы широкие
промерные работы для проектирования защитных гибких покрытий
или поперечных сооружений — струеотбойников.
В ряде случаев возникает необходимость изменения размеров и
формы регуляционных сооружений с целью устранения неправиль-
ности течений и размывов вблизи от моста.
Поскольку процесс изменения русла меняет со временем свою
интенсивность, а иногда и направление, необходимо тщательно
проанализировать весь комплекс сведений о работе реконструируе-
мого мостового перехода, чтобы получить данные о степени угрозы
сооружениям и срочности работ по реконструкции.
Следует отметить, что часто закономерное изменение русла пе-
риодически требует изменения системы регулирования, поэтому воз-
никновение этой необходимости нельзя всегда относить к ошибкам
проекта перехода.
Наконец, в отдельных случаях наблюдаются подмывы опор мос-
тов из-за неверного прогноза развития глубин около них. В таких
случаях должна быть обследована возможность увеличения устой-
чивости существующих опор или принято решение об их перестрой-
ке, для чего необходимо выполнить детальное геологическое обсле-
дование и прогноз русловых деформаций, как для вновь проекти-
руемого мостового перехода.
§ 7.5. СОСТАВ ПРОЕКТА МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА
Проектно-изыскательские материалы по мостовому переходу
оформляются в виде общей пояснительной записки с соответствую-
щими приложениями. Расположение материалов в записке должно
быть четким, без повторений, с точными ссылками на приложения,
обеспечивать удобство изучения проекта и пользования им.
Рекомендуется следующий примерный перечень глав пояснитель-
ной записки технического проекта: введение — цель проектирова-
ния; глава I — описание режима реки; глава II — выбор места и
207
описание трассы перехода; глава III — описание проведенных изы-
скательских работ; глава IV — инженерно-геологическая характе-
ристика перехода; глава V — расчетные гидрологические данные;
глава VI — основные размеры сооружений мостового перехода; гла-
ва VII — конструкции моста; глава VIII — конструкции регуляци-
онных сооружений; глава IX — конструкции подходов к мосту; гла-
ва X — соображения по производству работ; глава XI — смета на
возведение сооружений мостового перехода.
Каждая глава должна содержать в тексте или в приложениях
подробные расчеты и все исходные документы, послужившие осно-
ванием для проектирования.
Во введении описываются история изысканий и проектирования
мостового перехода, решения, принятые на стадиях составления
общих предварительных соображений по проекту и технико-эко-
номического обоснования; излагаются основные отклонения от ут-
вержденного ТЭО, сделанные в техническом проекте, с указанием
причин.
В главе I содержится анализ режима реки на основе подробно-
го описания характеристик водотока как топографических и метео-
рологических, так и гидрологических. Результаты этого анализа
должны послужить основой для разработки глав V и VI.
В главе II приводится характеристика плана водотока на зна-
чительном протяжении вверх и вниз от выбранного места перехода,
описание рельефа речной долины, характеристики судоходства и
сплава и т. п. Эти материалы служат для подтверждения правиль-
ности принятого решения по выбору места перехода. В главе срав-
ниваются варианты перехода с конкретной характеристикой каж-
дого из них.
В главе III подробно описываются все работы, проведенные при
камеральных и полевых изысканиях, методика выполнения отдель-
ных работ и дается перечень материалов, полученных в результате
изысканий. Результаты инженерно-геологических работ, как имею-
щих первостепенное значение для выбора схемы сооружений пере-
хода, выделяются в отдельную главу IV.
Материалы, содержащиеся в главе V, должны быть достаточ-
ными для всех гидравлических и русловых расчетов по проектиро-
ванию мостового перехода, которые сводятся в главу VI. В главе
VI определяются основные размеры всех сооружений мостового пе-
рехода, включая и регуляционные.
В главе VII описываются как варианты, так и рекомендуемое
решение по конструкциям пролетных строений и опор моста, с при-
ведением данных, обосновывающих выбор наилучших вариантов
сооружений.
Главы VIII и IX содержат подробную разработку и детальные
чертежи конструкций регуляционных сооружений и подходов к мос-
ту с использованием плана в горизонталях, данных инженерно-
геологических изысканий и т. п.
Глава X посвящается соображениям по производству работ с
описанием местных условий, расположения строительной площад-
208
ки; приводятся подробные данные о местных строительных мате-
риалах, дальности их возки и т. д.
Заключительная XI глава содержит сметные расчеты.
Приложения к проекту рекомендуется объединить в один том,
а при очень большом количестве приложений — в ряд томов, обыч-
но по числу глав пояснительной записки.
Состав технико-экономического обоснования принимается по та-
кой же схеме, что и для технического проекта, но с необходимым
изменением отдельных глав в соответствии с объемом проектных
материалов, представляемых на этой стадии.
В некоторых случаях объем проектных материалов по конст-
рукциям опор и пролетных строений моста оказывается очень боль-
шим. Обычно это связано с отказом от применения типовых конст-
рукций и с переходом к индивидуальному проектированию. Чаще
всего это характерно для очень больших мостов. В этих случаях
следует выделить проект моста в самостоятельный том, а не главу.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Андреев О. В., Журавлев М. М., Рассказов О. А. Вопросы
мостовой гидравлики и гидрологии. М., Транспорт, 1967. 200 с.
Андреев О. В., Федотов Г. А. Проектирование мостовых перехо-
дов с применением ЭЦВМ (учебное пособие). Ч. I. М., 1976, 128 с. (МАДИ).
Андреев О. В., Федотов Г. А. Проектирование мостовых перехо-
дов с применением ЭЦВМ (учебное пособие). Ч. II. М, 1976. 120 с. (МАДИ).
Андреев О. В. Расчеты русел при проектировании мостовых перехо-
дов.— В кн.: Труды первой всесоюзной конференции по гидравлике водопро-
пускных сооружений. М., Высшая школа, 1969, с. 200—206.
Андреев О. В., Глаголева Т. Н., Федотов Г. А. Методика и
некоторые результаты исследования переформирования речных русел под влия-
нием сооружений, не прерывающих транспорта наносов. — В кн.: Динамика и
термика рек, М., 1973, с. 239—249.
Андреев О. В., Федотов Г. А., Гринич В. Ф. Расчет подпора
на мостовых переходах. — Автомобильные дороги, 1973, № 1, с. 25—28.
Андреев О. В., Федотов Г. А., Гринич В. Ф. Упрощенные
формулы для расчета подпора.—Автомобильные дороги. 1974, № 6, с. 16—18.
Андреев О. В., Федотов Г. А., Пустова Л. А. Методика рас-
чета подпора на мостовых переходах. — Автомобильные дороги, 1979, № 1,
с. 23—25.
Бабков В. Ф., Андреев О. В. Проектирование автомобильных до-
рог. Ч. I, М., Транспорт, 1979. 367 с.
Бабков В. Ф., Андреев О. В. Проектирование автомобильных до-
рог. Ч. П. М., Транспорт, 1979. 407 с.
Глаголева Т. Н. Условия применения искусственного уширения рус-
ла. — В кн.: Труды второй всесоюзной конференции по гидравлике водопропуск-
ных сооружений. Киев, изд-во КГУ, с. 69—72.
Гончаров В. Н. Динамика русловых потоков. Л., Гидрометеоиздат,
1962. 374 с.
Гришанин К. В. Теория руслового процесса. М., Транспорт, 1972.
216 с.
Гришанин К. В. Устойчивость русел рек и каналов. Л., Гидрометео-
издат, 1974. 144 с.
Журавлев М. М. Новый метод расчета местного размыва у опор мо-
стов и его обоснование. — Тр. Союздорнии, 1978, вып. 109, с. 4—51.
Комплексный расчет основных процессов, развивающихся на мостовых пе-
реходах/О. В. Андреев, Т. Н. Глаголева, Г. А. Федотов и др. — В кн.: Труды
IV всесоюзного гидрологического съезда. Л., Гидрометеоиздат, 1976, с. 342—349.
Леви И. И. Инженерная гидрология. М., Высшая школа, 1968. 238 с.
Лукашук Л. В. Общий размыв русел на мостовых переходах. М.,
Транспорт, 1976. 120 с.
Мостовые переходы на автомобильных дорогах/Под ред. О. В. Андреева.
М., 1975. 122 с. (Труды МАДИ; Вып. 83).
Нгуен Суан Трук. Упрощенный способ расчета верхнего предела об-
щего размыва под мостами. — Автомобильные дороги, 1973, № 3, с. 24.
Нгуен Суан Трук. Упрощенный расчет общего размыва за расчетный
период. — Автомобильные дороги, 1973, № 10, с. 22—23.
Основы расчета мостовых переходов/О. В. Андреев, Т. Н. Глаголева,
Г. А. Федотов, Ю. В. Абрамов. М., Высшая школа, 1971. 146 с.
210
Попов И. В. Деформации речных русел и гидротехническое строитель-
ство. Л., Гидрометеоиздат, 1969. 363 с.
Программы расчета мостовых переходов Гидрам-3 и Рур-1. М, 1976. 137 с,
(Гипротрансмост).
Проектирование автомобильных дорог (вопросы проектирования мостовых
переходов)/Под ред. О. В. Андреева. М., 1973. 112 с. (Труды МАДИ; Вып. 51).
Расчет величины деформаций русел и определение отметок свободной по-
верхности потока при проектировании мостовых переходов/О. В. Андреев,
Т. Н. Глаголева, Г. А. Федотов и др. — В кп.: Труды третьей всесоюзной кон-
ференции по гидравлике водопропускных сооружений. Гомель, с. 32—3S
(БелИИЖТ).
Розовский И. Л., Еременко Е. В., Базилевич В. А. Пеуста-
повившееся движение водного потока ниже гидроэлектростанций и его влияние
на русло Киев, Наукова думка, 1967. 276 с.
Русловые пропессы/Под ред. И. А. Кузьмина. М., 1973. 204 с. (Труды Гид-
ропроекта; Сб. № 30).
Справочник инженера-дорожника: Изыскания и проектирование автомо-
бильных дорог/О. В. Андреев, В. Ф. Бабков, А. К. Бируля и др.; Под ред.
О. В, Андреева. — 3-е изд., перераб и доп. М., Транспорт, 1977. 559 с.
Указания по определению расчетных гидрологических характеристик
СН.435-72, Л., Гидрометеоиздат, 1972. 20 с.
Указания по технико-экономическому обоснованию необходимости строитель-
ства и сравнению вариантов мостовых переходов и путепроводов. ВСН 34-67/Мин-
автошосдор РСФСР. М., Транспорт, 1968. 96 с.
Федотов Г. А. Методика расчета размывов под мостами. — Автомобиль-
ные дороги, 1968, № 1, с. 28- 30.
Федотов Г. А. Результаты применения ЭЦВМ для расчета хода размы-
вов под мостами. — В кн.: Труды второй всесоюзной конференции по гидравлике
водопропускных сооружений. Изд-во КГУ, 1969, с. 173—177.
Федотов Г. А. Определение расчетного судоходного горизонта. — Ав-
томобильные дороги, 1971, № 12, с. 16—17.
Федотов Г. А, Пустова Л. А. Методика проектирования мостовых
переходов с пойменными отверстиями. — Автомобильные дороги, 1977, № 1,
с. 23—25.
Федотов Г. А. Расчеты мостовых переходов с применением ЭЦВМ. М.,
Транспорт, 1977. 208 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
В
Вероятность превышения паводка:
— определение 45
— расчетная 46
— эмпирическая 47
Водомерные графики 29
Волны:
«—высота 133, 134
— набег 134
— ограничение длины 133
Г
Габариты подмостовые 136, 138
Геологические разрезы речных долин
25, 27, 205
Гидрографы 29, 30
Гидрологические расчеты:
— задачи 43
— аналитический метод 48
— биноминальная кривая вероятности
49
— графо-аналитический метод 60
— длительность наблюдений 54
— кривые С. Н. Крицкого и М. Ф.
Менкеля 51
— морфометрический 67
— погрешность 53
— расчетные таблицы 51
— удлинение ряда наблюдений 56
График глубин блуждающей реки
118
Гидрометрические кривые:
— расхода воды 62
— скорости 32, 65
— экстраполяция 63
— эпюры элементарных расходов 196
Глубины:
— 'Верхний и нижний пределы общего
размыва в русле 92
— гипотетический размыв 97
— допустимые глубины общего раз-
мыва в русле 108
— местного размыва 104
— общего размыва на пойменных
участках 101
—ограничения по величине 110
— ограничения по геологическим ус-
ловиям 102
— общего размыва в руслах 96
— соответствующие типам оснований
и фундаментов 108
212
И
Изыскания мостовых переходов:
— выбор места перехода 184
— гидрологические обследования 191
— гидрометрические работы 192
- глубины бурения 204
— донный батометр 200
—измерение расхода наносов 194
—измерение скоростей течения 195
— инженерно-геологические исследо-
вания 202
— обход населенных пунктов 184
—оборудование 195, 204
— подготовительные работы 179
— полевая тарировка вертушек 198
— поплавковые наблюдения 197
— промеры глубин 192
— съемка плана 187
— топографические работы 186
— эхолот 193
К
Клетчатки вероятностей 57
Коэффициенты:
— асимметрии 50
— вариации 50
— увеличения скоростей течения при
стеснении потока 85
М
Мосты:
— временные 6
— высоководные 6, 111
— затопляемые 7
— малые, средние, большие 8
— наплавные 6
— низководные 6
— перерывы в работе наплавных мо-
стов 7
— постоянные 6
— пойменные 6, 120
— русловые 6
— трансбордеры 8
Местный размыв:
— у опор мостов 106
— у регуляционных сооружений 168
Морфометрический расчет
— коэффициенты шероховатости 70
— распределение расхода между рус-
лом и поймами 69
н
Наносы:
— баланс наносов 87
— взвешенные 34
— донные 34
— донные гряды 40
— нерусловые 34
— осередкн 40
— побочны 40
— предельный баланс 94
— расход 35, 91
— руслоформирующие 34
— скопления 40
— эпюры элементарных расходов 47
Насыпи на поймах:
— затопляемые 7
— защита от течений 141
• —защита от волн 144
— минимальная высота 136
— продольный профиль 136
— поперечные сечения 140
— укрепления плитные 145
— у мостов 139
— условия работы 131
Нормы размывающих скоростей:
— для несвязных грунтов 91
— для связных грунтов 100
О
Ограничения размывов по геологиче-
ским условиям:
— гоафо-аналитический расчет ЮЗ,
116
— самоуширение русла 99
— отмостка 100
Основные положения проектирования
переходов через водотоки 11
П
Паромы:
— перерывы в работе 8
— самоходные и несамоходные 8
Переходы через водотоки:
— виды 5
— основные положения проектирова-
ния 11
— состав 5
Подводные тоннели:
— поперечное сечение 9
— продольный профиль 8
Подпор:
— перед мостом 128
— у насыпи 130
Показатель формы русла 77
Поперечная циркуляция в потоке 39
Постулат Н. А. Белелюбского 20
Природные деформации русел рек:
— блуждающих 81
— бытовые 83
— каньонов 81
— меандрирующих 77
— немеандрирующих 80
— примеры 79, 82
Пролеты:
— судоходные 9, 138
— экономичные 8
Р
Развитие размывов во времени:
— примеры 93
— программы для расчета на ЭЦВМ
92
— расчет 90
— уравнение 88
Расчет отверстий мостов:
— в подпоре 123
— на блуждающих реках 119
— наименьшей длины 111
— ограничение длин мостов через
блуждающие реки 118
— пойменных 120
— с пойменным участком 114
— с уширенным руслом 112
Расходы:
— воды 31, 47
— предельного паводка 46
— руслоформирующих наносов 35,
91
Регулирование рек у мостов:
— грушевидные сооружения 158
— защитные конструкции 168, 172
— защита от льда 171
—косые пересечения рек 160
— пойменные траверсы 143
— расчет и очертание сооружений
148, 160
— спрямление русел 155, 165
— струенаправляющие сооружения
147 ’
— струсотбойники 161, 162
— таблицы координат для разбивки
сооружений 159
— тюфячные укрепления 170
— укрепления берегов 163
— уширение русла 152
— фронты регулирования 154, 155
— шпоровидные сооружения 158
Режим стока:
— волна паводка (половодья) 31
— ледоход 30
— межень 26
— паводки (половодья) 29
— последовательность характерных
максимумов 33
— шугоход 30
Реки:
— дождевого питания 29
— ледникового питания 29
— питания талыми водами 29
— смешанного питания 29
213
Речные долины:
— коренные породы 25
— образование 25
— наилок поймы 27
— поймы 26
— поперечные разрезы 25
— продольный профиль 26
• — русло 26
— современный и древний аллювий
25
Речные системы 24
Русла рек:
— блуждающие 76, 81
— бытовые изменения 83
— завершенное и незавершенное ме-
андрирование 77
— каньоны 77
— классификация 77
— конусы выноса 81
— меандрпрующпе 76, 78
— немеандрирующие 76, 81
— природные изменения 77—83
— форма русла 97
— элементы русел 39
С
Скорости течения воды:
— бытовые в русле 95
— в русле 65, 69
— в русле под мостом после размы-
ва 96
— допускаемые для укреплений 143
— на поймах 69
— размывающие 91, 100
— смыва гряд наносов 38
— эпюры на вертикалях 196
— эпюры по сечению 41, 96
Состав проекта перехода через водо-
ток 201
Сравнение вариантов:
— инженерных решений 18
— створа перехода 184
Строительная стоимость мостового
перехода 71
Т
Таблицы:
— допускаемых скоростей течения
143
— координат клетчаток вероятностей
— коэффициентов шероховатости 70
— ординат кривых вероятностей 49,
— подмостовых габаритов 138
— размывающих скоростей 91, 100
— судоходных пролетов 138
— типов русел 77
У
Уравнение баланса наносов:
- в конечных разностях 88
— дифференциальное 88
— предельного баланса 95
Уровни воды:
— кривые связи 63
— расчетный для перехода 62
— расчетный судоходный 139
Уширение русел под мостами:
— ограничения уширения 113
— очертание в плане 112, 164
— расчет глубины уширенного русла
112
—частота затопления пойм 113
Э
Экономическое обоснование необхо-
димости строительства мостовых
переходов 19
Экономический эффект от строитель-
ства или реконструкции мостового
перехода 16
Экономическое обоснование степени
стеснения реки мостовым перехо-
дом 71
ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора............................................................. 3
Глава 1. Общие сведения о переходах через водотоки.................... 5
§ 1.1. Виды переходов через водотоки.............................. 5
§ 1.2. Основные положения проектирования мостовых переходов ... 11
§ 1.3. Методика экономического сравнения вариантов мостовых пере-
ходов .......................................................... 15
§ 1.4. Очерк развития методов проектирования мостовых переходов . 19
Глава 2. Краткие сведения о реках.....................................24
§ 2.1. Речные долины и русла рек..................................24
§ 2.2. Питание рек и режим максимального стока....................28
§ 2.3. Движение наносов и скоростное поле речного потока..........33
Глава 3. Гидрологические расчеты при проектировании мостовых пере-
ходов ................................................................43
§ 3.1. Задачи гидрологических расчетов........................... 43
§ 3.2. Методика прогноза максимальных расходов воды в реках . . 47
§ 3.3. Определение уровней воды и скоростей течения, соответствую-
щих максимальным расходам........................................62
§ 3.4. Приближенные гидрологические расчеты.......................66
Глава 4. Расчет отверстий больших и средних мостов................... 70
§ 4.1. Принципы расчета отверстий мостов..........................70
§ 4.2. Учет природных деформаций русел рек при проектировании мо-
стовых переходов.................................................73
§ 4.3. Основы расчета общего размыва под мостами..................84
§ 4.4. Расчет размывов в руслах под мостами...................... 88
§ 4.5. Расчет размывов на пойменных участках отверстий мостов . . 101
§ 4.6. Расчет местного размыва у опор мостов.....................104
§ 4.7. Расчет отверстий больших и средних мостов.................108
§ 4.8. Расчет подпора перед мостами..............................127
Глава 5. Проектирование подходов к мостам............................131
§ 5.1. Условия работы пойменных насыпей..........................131
§ 5.2. Проектирование пойменных насыпей..........................135
Глава 6. Регуляционные сооружения мостовых переходов.................146
§ 6.1. Задачи регулирования рек у мостов.........................146
§ 6.2. Назначение размеров регуляционных сооружений на мостовых
переходах через реки разных типов...............................157
§ 6.3. Конструкции регуляционных сооружений......................166
Глава 7. Изыскания мостовых переходов................................175
§ 7.1. Состав изысканий..........................................175
§ 7.2. Подготовительные работы...................................179
§ 7.3. Подробные технические изыскания...........................185
§ 7.4. Изыскания при реконструкции мостовых переходов............206
§ 7.5. Состав проекта мостового перехода.........................207
Рекомендуемая литература............................................* 210
Предметный указатель.................................................212
215