4.5. Назначение отверстий больших мостов

Мостовой переход можно запроектировать в виде системы со­оружений, 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 вы­годно устраивать значительно меньшей длины, чем ширина разлива потока; часть ширины разлива закрывают незатопляемыми земля­ными насыпями, располагаемыми на самых мелких частях разли­ва-поймах. Между насыпями оставляют водопропускное отвер­стие, перекрываемое мостом, оно называется отверстием моста. Измеряют отверстие моста (между насыпями) на отметке расчетно­го 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 ав­томобилей или поездов. Насыпи заканчиваются конусами, полно­стью или частично закрывающи­ми крайние опоры моста — устои.

При стеснении потока под мо­стом развиваются размывы тем большие, чем сильнее сжат по­ток, т. е. чем меньше назначено отверстие моста. Размывы на мо­стовых переходах угрожают ус­тойчивости моста и насыпей под­ходов, особенно их конусов. Для обеспечения устойчивости фунда­менты опор закладывают на глу­бину большую, чем глубина раз­мыва, а земляные насыпи защи­щают от подмыва.

Установлено,что экономически наиболее выгодным оказывает­ся 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 про­летных строений, заменяемых более дешевой насыпью проходов, но и уменьшается число опор моста, хотя наименьшая допустимая глубина заложения их фундаментов несколько возрастает. Прин­ципиальный вид кривой суммарной строительной стоимости всех сооружений мостового перехода показан на рис. 4.23. Кривая может быть построена теоретическим путем. Разрывы функции соответст­вуют смене типов оснований и фундаментов опор моста. При сту­пенчатом очертании графика появляются зоны экономически невы­годных длин моста (заштрихованы), которые при вариантном про­ектировании не должны использоваться, так как это может при­вести к неверному определению минимума стоимости (см. рис. 4.23).

Длина моста не может быть меньше, чем Lmin, которая опреде­ляется техническими требованиями норм и правил проектирования мостов (ограничение степени стеснения из-за возможной неравно­мерности размыва, запрещение располагать конусы насыпи в рус­лах равнинных рек, ограничение скорости течения под мостами че­рез судоходные реки и т. д.). Если этой длине соответствует наи­меньшая стоимость перехода, т. е. значение Lmin не попадает в за­штрихованную зону (см. рис. 4.23), то величина Lmin должна быть принята в проекте (она окажется самой экономичной).

Рис. 4.23. Связь строительной стоимо­сти мостового перехода с длиной моста

Чтобы при конкретном проектировании оценить стоимость ва­риантов мостового перехода с различными величинами водопро­пускного отверстия, для каждого из них необходимо установить глу­бину заложения фундаментов и тип основания опор моста, а также высоту насыпей на поймах. Минимальная допустимая глубина за­ложения фундаментов определяется возможными размывами при сжатии реки и переформированиями русла. Наименьшая высота насыпей определяется уровнем воды при расчетном паводке и до­полнительным подъемом этого уровня у насыпей вследствие стесне­ния реки сооружениями мостового перехода.

Переформирования русел, свойственные рекам в свободном со­стоянии и не связанные с постройкой мостового перехода, назы­ваются природными русловыми деформациями; их вид соответст­вует 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 поверхно­сти поймы под мостом. Эти деформации русла и поймы носят на­звание общего размыва.

Поток, набегающий на опору моста как на препятствие, обтека­ет ее. При этом в потоке появляются нисходящие течения, размы­вающие дно на ограниченном пространстве непосредственно в мес­те набега водного потока на опору. Такие дополнительные размывы называются местными.

Понижение дна у опоры, вызываемое тремя различными причи­нами, называется суммарным размывом и определяется как ариф­метическая сумма трех составляющих размыва. Глубина после размыва у опоры равна

h = hб h + Δ h местн,                              (4.29)

где hб — наибольшая глубина, устанавливающаяся у опоры в про­цессе природных изменений русла (так называемая бытовая глубина);

h0б — приращение глубины (общий размыв), вызван­ное стеснением водотока подходами к мосту;

Δ h Местн — допол­нительное 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 соот­ветствует 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 боль­шого 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 боль­шого паводка фундамент опоры будет обнажаться незначительно. Наибольшая глубина после размыва будет наблюдаться в этом случае уже у другой опоры, в район которой переместилась наи­большая бытовая глубина.

В связи с тем, что чередование высот паводков случайно и год прохода расчетного паводка неизвестен, необходимо каждую из опор проектировать в предположении, что около нее к моменту прохода высокого паводка размещается та наибольшая бытовая глубина, которая может возникнуть у данной опоры соот­ветственно типу реки. Таким образом, во время прохода высокого паводка наибольшие возможные расчетные глубины потока, по ко­торым назначаются минимальные необходимые глубины заложе­ния фундаментов, будут наблюдаться не у всех опор моста одно­временно, а только у некоторых (или у одной) из них.

В некоторых случаях глубину заложения фундаментов опор принимают больше минимально допустимой в связи с неблагопри­ятными геологическими условиями. Обычно при этом всем вариан­там отверстия моста соответствует практически одинаковая глу­бина заложения фундаментов. Чаще всего это случаи, когда фун­даменты опор располагают на глубоко залегающих коренных поро­дах 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 сво­бодной поверхности потока, которая до постройки мостового пере­хода может быть представлена в виде наклонной плоскости, суще­ственно 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 (подпо­ром) уровня воды в этой зоне потока. Очевидно, что бровка незатопляемой пойменной насыпи даже минимальной высоты должна быть выше этого подпертого уровня воды.

В настоящее время отверстие моста получают по необходимой рабочей площади путем набора площади живого сечения под мостом, с учетом стеснения потока опорами, допускаемого размыва, величины предполагаемых срезок грунта на поймах реки, а также наличия, формы и размеров струенаправляющих дамб.

Поэтому для одного и того же места перехода возможны варианты моста с отверстиями различной величины. Окончательно величину отверстия моста назначают на основе технико-экономических соображений в соответствии с намеченной схемой сооружения. Расчет отверстия моста производится в следующей последовательности: определяют необходимую рабочую площадь под мостом;

устанавливают в зависимости от типа основания и геологического строения в месте перехода коэффициент размыва, а также величину и конфигурацию срезки;

набирают по данному створу рабочую площадь под мостом;

проверяют полученное подбором отверстие моста, принимая за искомую величину или среднюю скорость или коэффициент размыва; строят линию среднего размыва, а также линию возможных местных размывов для определения наивысшей возможной отметки заложения опор.

Различают следующие случаи расчета отверстий мостов на больших реках: через равнинные реки, через предгорные блуждающие реки и через горные реки.

В общем случае рабочая площадь под мостом:

;                                                            (4.30)

где Q - расчетный расход; υ - средняя бытовая скорость течения; ω - общий коэффициент сжатия.

По последним воззрениям мостовые отверстия пропускают единые русловые потоки жидкой фазы и наносов. Для равнинных рек, где активное русло перекрывают мостом полностью и где естественный русловой процесс выражен слабо, указанное обстоятельство вносит лишь небольшое уточнение по сравнению с прежними способами расчета отверстий. На реках блуждающего типа наносы значительно влияют на общий ход руслового потока и уточнение расчета в этом случае имеет существенное значение; главное же, такой расчет отражает существо происходящих в русле физических явлений.

Продольный профиль водной поверхности по оси потока (на прямолинейном участке) в естественном состоянии представляет собой наклонную линию. При наличии моста поток будет сжат подходами и очертание поверхности воды примет вид, показанный на рис. 4.24. Перед мостом возникает подпор и здесь могут отложиться наносы. Вследствие сжатия потока под мостом и непосредственно ниже его на этом участке может произойти значительный размыв дна.

Рис. 4.24. Очертание водной поверхности на прямолинейном участке в районе мостового перехода

Дальше, ниже моста, поток начинает растекаться, скорости уменьшаются и происходит выпадение наносов.

Деформации дна (образование наносов и размывов), скорости и уклоны на отдельных участках потока зависят от относительных размеров отверстия моста, способа подведения потока к мосту и отвода его вниз по течению.

Различают два расчетных случая определения отверстия моста:

1-й         случай - когда сжатое сечение совмещается с подмостовым сечением;

2-й         случай - когда сжатое сечение потока образуется ниже моста.

1-й случай (основной). Сжатое (расчетное) сечение совмещается с подмостовым сечением. Это бывает при наличии струенаправляющих дамб рациональной формы или же, если, несмотря на отсутствие дамб (или их нерациональное очертание), сжатое сечение потока за мостом (где нет быков) больше или равно подмостовому сечению (где есть быки). Тогда:

                           (4.31)

где ωс - сжатое сечение потока ниже продольной оси моста;

ωм - площадь подмостового сечения (между передними гранями устоев или конусами, включая площади вертикальных сечений быков), набираемая на продольном профиле перехода;

ε - коэффициент общего сжатия, зависящий от наличия и очертания в плане струенаправляющих дамб;

μ - коэффициент сжатия потока быками моста, зависящий от величины пролетов в свету (табл. 43);

β - коэффициент стеснения; можно принимать β= l/b

 -                                                 (4.32),

где l - ширина быка по фасаду моста, b - расстояние между осями быков;

ωоп- площадь поперечного сечения подмостового сечения, занятая речными опорами;

                                                (4.33)

где ωр – рабочая площадь подмостового сечения;

                                                                      (4.34)

где Q - расчетный расход;

υ - расчетная скорость; при большом количестве наносов эта скорость равна бытовой, при малом количестве наносов она равна допускаемой (неразмывающей).

Таблица 4.2. Значения коэффициента сжатия потока быками моста μ

Пролет моста в свету, м

Коэффициент сжатия μ

уровень ледохода равен расчетному горизонту

уровень ледохода не равен расчетному горизонту

10

0,85

0,9

20

0,93

0,95

30

0,95

0,97

50

0,96

0,97

80

0,97

0,98

100

0,98

0,99

150

0,99

0,99

200

1,00

1,00

 

Расчетная величина и (независимо от способа определения) должна соответствовать требованиям ТУ.

2-й случай. Сжатое расчетное сечение (меньшее по площади, чем подмостовое) образуется ниже моста по течению. Этот случай бывает при отсутствии струенаправляющих дамб или при их нерациональной форме, а также, если нет конусов. Тогда:

                         (4.35)

                                             (4.36)

                                                         (4.37)

где Qп - расход, проходивший в бытовом состоянии по частям пойм, закрываемым насыпями подходов; остальные обозначения прежние.

Если динамическая ось потока не перпендикулярна оси перехода то при определении живого сечения необходимо учитывать косину и вводить поправку, определяя рабочую площадь из выражения:

                                             (4.38)

где ω- расчетная площадь при нормальном сечении;

α - острый угол между осью перехода и прямой, перпендикулярной оси потока.

При многопролетном косом мосту следует учитывать дополнительное стеснение опорами. На судоходных реках надлежит проверять поверхностную скорость при расчетном судоходном горизонте:

                              (4.39)

где υ – средняя бытовая скорость при расчетном горизонте;

h – средняя глубина потока при том же горизонте.

                                                      (4.40)

L - отверстие моста;

i - уклон потока, который можно принимать равным уклону при расчетном высоком горизонте.

Поверхностная скорость в каждом судоходном пролете равна:

                                            (4.41)

где υср - средняя скорость под мостом при расчетном судоходном горизонте;

Нh - средняя глубина в расчетном судоходном пролете;

Нср - средняя глубина под мостом при расчетном судоходном горизонте.

При наличии, кроме русла, хорошо развитых работающих проток в виде исключения допускается устройство на них дополнительных отверстий, но с тем, чтобы в дополнительное отверстие пропускалось не менее 20 % общего расчетного расхода воды, чтобы отверстие было рассчитано без размыва на скорость, допускаемую по грунту, и регуляционные сооружения обеспечивали соответствующее распределение расхода между отверстиями.

Если на пойме или при долинном ходе необходимо устройство малых отверстий для пропуска расходов ручьев и т. п., то такие отверстия должны иметь шандорные затворы на время половодья во избежание увеличения расхода в сооружении и прорыва насыпи.

 

Сайт создан в системе uCoz