4.6. Дамбы и регуляционные сооружения

На мостовых переходах регулирование пойменного потока осуществляется сплошными незатопляемыми криволинейными в плане струенаправляющими дамбами, которые состоят из верховой и низовой частей (или верховой и низовой дамб), плавно сопрягающихся в створе перехода.

Струенаправляющие дамбы следует предусматривать согласно СНиП 2.05.03-84 при пойменном расходе не менее 15% расчетного или при средней скорости потока под мостом до размыва свыше 1 м/с, за исключением случаев, когда необходимость в них вызывается ситуационными особенностями перехода (прижимные течения в сторону слабоработающей поймы, перекрытие проток и т.п.).

Струенаправляющие верховые дамбы устраивают для уменьшения неравномерности деформаций подмостового русла, созданий условий для судоходства и сплава, а также уменьшения возможного сосредоточенного размыва у вогнутого берега. Указанные цели достигаются плавным подведением пойменных вод к мостовому отверстию, устранением недопустимой косины.

Низовые дамбы сооружают с целью плавного вывода пойменного потока из отверстия.

Плановые размеры дамб рассчитывают на наибольшие значения гидравлических характеристик стесненного потока при расчетном расходе и возможном наиневыгоднейшем положении русла и наносных скоплений под мостом, которые определяют с учетом руслового процесса в районе перехода.

Расчетные значения требуемых гидравлических характеристик стесненного потока - предмостового подпора, скоростей и глубин потока в русле - определяют в процессе расчета общего размыва на пике расчетного паводка, проходящего в первый год эксплуатации моста.

Если расчет общего размыва производят без учета фактора времени, то гидравлические характеристики потока определяют для условий осуществления a_р=50% полного размыва при продолжительных паводках и не менее a_р=25% - при непродолжительных. В качестве непродолжительных можно принимать дождевые паводки, а продолжительных - снеговые.

Плавное обтекание верховых струенаправляющих дамб достигается при эллиптическом их очертании. Координатную ось ориентируют так, чтобы большая полуось эллипса была расположена вдоль речного потока при расчетном расходе.

Форма и размеры эллиптической струенаправляющей дамбы определяются большой и малой полуосями эллипса, которые принято называть соответственно длиной вылета l_В (или вылетом) и шириной разворота в (или разворотом) дамб.

Рис. 4.25. Форма и размеры в осях верховой и низовой струенаправляющих дамб

Длину вылета и ширину разворота верховой струенаправляющей дамбы, принимаемые по внешней бровке (со стороны русла) верха дамбы, вычисляют по формулам:

l_В=l²r_min                                                                   (4.42)

в=lr_min;                                                                     (4.43)

где l=l_В/в - отношение полуосей, определяемое согласно; r_min - радиус кривизны токов в голове дамбы, определяемый в зависимости от гидрологических условий.

Если в результате расчета получится l_В³L_м где L_м - отверстие моста, то принимают l_В=L_м и в=L_м/l.

Если по расчету получено, что длина вылета близка половине ширины насыпи на отметке УВВ, то вместо струенаправляющей дамбы устраивают только конус (т.е. l_В=в).

Для прикидочных расчетов ширину разворота дамбы можно определять по предложению А. М. Латышенкова:

в=АdВ_р,                                                                   (4.44)

где коэффициент А принимают в зависимости от коэффициента стеснения потока насыпью на i-ой (левой и правой) поймах d_i=Q_пi/Q (Q_пi - расход воды, проходивший в бытовом состоянии на части i-ой поймы, пересыпанной насыпью):

di	<0,3	0,3-0,4	>0,4
A	1,11	1,08	1,06

При определении координат внешней бровки (со стороны русла) верховых струенаправляющих дамб задают значение координаты х и находят координату у по формуле

                                                    (4.45)

Для быстрого определения безразмерной координаты у/в рекомендуется пользоваться графиком:

Рис. 4.26. Определение координат верховых струенаправляющих дамб: а - график y/в=f(x/l_в); б - ориентирование осей дамбы

К головной части верховой дамбы прибавляют криволинейную приставку с радиусом r=0,2в и углом разворота Q=90-120° (см.рис 4.26).

Низовые струенаправляющие дамбы проектируют в зависимости от размеров верховых дамб. Проекцию низовой дамбы на ось х принимают l_н=0,5l_в.

Низовую дамбу очерчивают по круговой кривой радиусом r_н=l²_в/в при угле разворота 7-8°, а затем по прямой, касательной к круговой кривой (см.рис 4.25). Безразмерные координаты точки С сопряжения касательной к кривой могут быть приняты равными х/l_в=-(0,12+0,14)l и y/в=1-0,01l², а точки D конца низовой дамбы - x/l_в=-0,5 и у/в=1-0,065l+0,007l².

В зависимости от ситуационных условий на мостовом переходе (наличия проток, расположения головы дамбы на относительно высоких отметках и т.п.) размеры дамбы можно корректировать только в сторону увеличения размеров по сравнению с расчетными.

При необходимости увеличения размеров дамб в сторону от створа перехода, т.е. вылета l_в требуется устраивать прямую вставку, сопрягающую расчетную длину вылета с низовой дамбой (рис. 4.27).

Увеличение размеров дамбы только за счет удлинения вылета l_в без прямой вставки не рекомендуется, так как это нарушит плавность обтекания дамбы. Увеличение размеров дамбы в сторону от русла должно достигаться увеличением ее разворота в, при этом отношение полуосей дамбы l=l_в/b уменьшают по сравнению с расчетным значением (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Увеличение размеров дамб по ситуационным условиям:а - в сторону от створа перехода; б - в сторону от русла; в - при косом пересечении речной долины; 1 - створ перехода; 2 - русло; 3 - размеры дамбы по расчету; 4 - то же по ситуационным условиям; 5 - горизонтали; 6 - включаемый участок протока; 7 - борт речной долины

В сложных случаях пересечения водотоков (при интенсивных русловых процессах, групповых отверстиях на переходе и т.д.) размеры и место положения дамб рекомендуется уточнять по результатам физического моделирования.

Обычно моделирование этих сооружений экономически оправдано при длине вылета одной из дамб свыше 200 м.

Струенаправляющие дамбы возводят из грунтов близлежащих карьеров с откосами обычно не круче 1:2. Ширина этих земляных сооружений поверху определяется с учетом организации строительных работ, но должна быть не менее 3 м. Независимо от продольного уклона водотока верх дамб на всем протяжении проектируют горизонтальной площадкой.

Отметку верха дамбы определяют по формулам:

H_min=РУВВ+Dh_max+Dh_наб+Dh_зат+Dh_set+Dh_run+D,                               (4.46)

H_min=УВЛ+DН₀+D                                                   (4.47)

При этом в первой формуле принимают технический запас равным D=0,25 м. Для верховых дамб максимальный подпор воды Dh_max принимают при ширине соответствующей поймы В_п£1,5в, а при В_п>1,5в - подмостовой подпор Dh_В. Для низовых дамб Dh_max=0.

При расчете верха дамб следует учитывать, что высота наката волны h_run на откосы дамбы со стороны русла может значительно отличаться от наката на откосы пойменного подхода из-за параметров волн, определяемых для разных длин разгона и особенно расчетных глубин воды.

Отношение полуосей дамбы l=l_в/в определяют по формуле

                                                   (4.48)

или по графику (рис.4.28).

Рис. 4.28. График для определения полуосей дамбы l=f(n_ДМ/n_Г)

Для прикидочных расчетов можно принимать в зависимости от коэффициента стеснения потока d_i (по Латышенкову):

d	<0,15	<0,16-0,25	0,26-0,35	>0,35
l	1,5	1,67	1,83	2,0

В вышеописанной формуле n_Г - скорость потока в голове дамбы; n_ДМ - расчетная скорость потока у подошвы струенаправляющей дамбы в створе моста, которую определяют по рекомендациям для вертикали с соответствующей расчетной глубиной потока h_дм. Последнюю принимают в зависимости от морфологических особенностей подмостового сечения и возможных плановых и глубинных деформаций:

В случае, когда отверстие моста не превышает ширину уширенного русла (LM»В_уш), глубину потока у подошвы струенаправляющей дамбы в створе моста hдм принимают наибольшей в русле при побочневом типе руслового процесса и русловой многорукавности. При меандрирующих руслах всех модификаций, включая пойменную многорукавность, в качестве h_дм принимают наибольшую глубину в русле только для дамбы со стороны вогнутого берега, а со стороны выпуклого - среднюю глубину потока в русле (с учетом общего размыва).

При наличии пойменной части отверстия, когда L_M>В_уш, глубину потока у подошвы струенаправляющих дамб в створе моста принимают наибольшей в русле только при криволинейных руслах для дамб со стороны вогнутого берега (если по прогнозу плановых деформаций в период эксплуатации перехода русло подойдет к одному из устоев); во всех остальных случаях в качестве h_дм принимают глубину потока на пойменной части моста с учетом глубинных деформаций.

В рассматриваемых случаях к расчету принимают глубину потока, равную

h_дм=h_дмб+a_р(Н_i-h_дмб),                                           (4.49)

где h_дмб, Н_i - глубины потока на вертикали у подошвы струенаправляющей дамбы в створе моста соответственно в бытовых условиях (с учетом естественного руслового процесса) и полученная после общего размыва; параметр a_р принимают в долях единицы.

Скорость потока в голове дамбы n_Г определяют в зависимости от числа пойм, на которых устраивают струенаправляющие дамбы:

При односторонней пойме

                                               (4.50)

где C_Г - коэффициент Шези, определяемый по коэффициенту шероховатости n русла  при глубине потока Н_Г у подошвы головы дамбы, которую в первом приближении принимают равной

Н_Г=h_б+Dh_в;                                                 (4.51)

h_б - глубина потока на той же вертикали в бытовых условиях; Dh_в - предмостовой подпор; i - продольный уклон водной поверхности в паводок; i_м - средний уклон свободной поверхности потока перед мостом.

При пересечении водотока с двумя поймами скорость потока в голове дамбы со стороны мощной (пропускающей больший расход воды) n_г(м) и слабой n_г(с) пойм соответственно равна:

                        (4.52)

                    (4.53)

где С_Г(М) - коэффициент Шези, определяемый с учетом фиктивной глубины потока Н_Г(М) у подошвы головы дамбы на мощной пойме

Н_Г(М)= Н_Гj_М+h_б(1-j_М);                                     (4.54)

j_М - коэффициент, характеризующий, какая часть предмостового подпора вызвана стеснением мощной поймы; для i-ой поймы

                                           (4.55)

i_м(i) - фиктивные средние уклоны свободной поверхности потока перед мостом со стороны i-ой поймы; b - показатель степени, определяемый по формуле

                                                     (4.56)

При b£0,2 следует принимать b=0,2.

Радиус кривизны токов в голове дамбы со стороны мощной и слабой поймы определяют соответственно по формуле

                                     (4.57)

                                            (4.58)

где Sd_i=d_м+d_с - коэффициент стеснения потока подходами со стороны мощной и слабой поймы.

При i_м(м)³0,0001 и i£0,0001 к расчету принимают i=0,0001; при i_м(м)£0,0001i=i_м(м).

Средний уклон свободной поверхности потока перед мостом определяют по формулам:

при нормальном пересечении водотока с одной поймой

i_м=i+Dh_B/X₀;                                                (4.59)

то же с двумя поймами

i_м(i)=i+j_iDh_B/X₀;                                             (4.60)

при косом пересечении поймы, когда проекция подхода на направление течения S_ов³X₀,

i_м=i+Dh_B/S_ов;                                                 (4.61)

то же, при наличии второй поймы (нормально пересекаемой подходом)

i_м(i)=i+j_iDh_B/S_ов                                               (4.62)

При косом пересечении русла оси дамб ориентируют относительно направления потока в реке в бытовых условиях. Если отклонение створа моста от вертикали к направлению потока в быту составляет a>10°, то при расположении устоя со стороны мощной поймы вверх по течению на струенаправляющей дамбе со стороны слабой поймы рекомендуется устраивать прямую вставку длиной Dl_B³L_мsin a. Если устой со стороны мощной поймы расположен вверх по течению при a>30°, размер дамб следует корректировать по результатам моделирования.

Глубину местного размыва в однородных несвязных и связных грунтах у обтекаемых потоком дамб, расположенных на пойме, определяют по формуле:

                                               (4.63)

где K_m - коэффициент, зависящий от коэффициента заложения откоса дамб m со стороны русла, определяемый по табл. 4.3:

Таблица 4.3

Откосы струенаправляющих дамб должны быть защищены от возможных течений вдоль сооружения, а также волновых и ледовых воздействий. Наиболее распространенными видами укреплений откосов дамб являются каменная наброска и плитные укрепления. Область их применения ограничивается гидрологическими условиями. Там же приведены расчеты определяющих воздействий и укреплений. При этом требуемую крупность однородного камня для защиты откосов дамб от продольных течений определяют по формуле:

                                               (4.64)

где m₀ - коэффициент заложения естественного откоса камня под водой; для практических расчетов принимают m₀=1,1-1,25, где большие значения соответствуют округлым, а меньшие - угловатым камням.

Для обеспечения устойчивости укрепления на откосе и защиты подошвы дамбы рекомендуется устраивать рисберму. Крупность камня в рисбермах назначается, как для откосов при воздействии продольных течений.

Кроме дамб к регуляционным сооружениям относятся траверсы, шпоры спрямление русле и водоотводы.

Поперечные регуляционные сооружения устраивают для отжима потока от насыпи при больших скоростях течения или вогнутого берега при интенсивном русловом процессе (рис. 4.29).

Незатопляемые поперечные сооружения, устраиваемые на пойменных участках, принято называть траверсами.

Рис. 4.29. Схема расположения траверсов (1) и шпор (2) для защиты насыпи подходов

Русловые сооружения (шпоры и полузапруды) устраивают обычно не выше бровки берега русла; при этом полузапруды частично или полностью затапливаются потоком, проходящим в бровках русла. Поперечные регуляционные сооружения рекомендуется примыкать к земляному полотну (или к берегу) под углом 90°.

Траверсы отжимают от подходной насыпи продольные течения на пойме, но не оказывают влияния на работу струенаправляющих дамб. Их не устраивают, если волновые или ледовые воздействия являются определяющими при назначении укреплений для подходов (т.е. требуются более мощные укрепления для защиты от волновых или ледовых воздействий, чем от продольных течений вдоль подходов).

Устройство шпор и полузапруд на судоходных и сплавных реках должно быть согласовано с организациями речного флота и лесосплава. На реках с интенсивным ледоходом, где возможно образование заторов льда, применять русловые сооружения не рекомендуется.

 Защитный фронт, образуемый незатопленными поперечными вооружениями, распространяется вверх от головы сооружения на длину его проекции на нормаль к направлению течения в и вниз - на длину z (рис. 4.29).

На прямых и криволинейных участках при угле разворота излучины или угле поворота трассы a_П£60° z определяют по формуле (согласно данным А. Н. Милитеева):

                                              (4.65)

где l- коэффициент гидравлического трения; С - коэффициент Шези.

Расчет по данной формуле производят при -1,2£lglb/H£0,1; при lglb/H<-1,2 z=7в и при lglb/H>0,1 z=в.

Для облегчения расчетов составлен график (рис. 4.31).

На криволинейных участках при a_И>60° фактическая длина водоворотных зон меньше рассчитанной поформуле, поскольку ее размеры ограничиваются с низовой стороны берегом или насыпью (рис.4.30).

 

Рис. 4.30. Размеры водоворотных зон у поперечных сооружений:1 - вогнутый берег; 2 - поперечное сооружение; 3 - граничная струя транзитного потока; 4 - водоворотная зона

Рис. 4.31. График для определения длины защитного фронта z, создаваемого поперечным сооружением расчетной длиной z на прямолинейных и слабокриволинейных участках

В первом приближении коэффициент уменьшения длины водоворотной зоны на криволинейном участке равен:

                                                  (4.66)

Для того, чтобы между соседними поперечными сооружениями был защищенный участок насыпи (берега), расстояние между ними должно быть не менее длины защитного фронта г верхнего сооружения. При компоновке поперечных сооружений ниже стоящее сооружение должно выступать из водоворотной зоны, образованной верхним сооружением (рис.4.30). Траектория граничной струи транзитного потока, фиксирующая водоворотную зону, описывается эллипсом с малой а_у=1,4в и большой а_x=0,5(z+b) полуосями. Ось абсцисс Х располагают на прямой, касательной к берегу в точке пересечения с продольной осью сооружения (рис. 4.30). Ось Y расположена в створе наибольшего удаления граничной струи транзитного потока от берега (или оси Х при криволинейном русле) на расстоянии от расчетного створа, равном

                                                        (4.67)

В любом створе, расположенном на расстоянии х от оси Y, граничная струя транзитного потока удалена от оси Х на отрезок у, равный

                                                   (4.68)

Расстояние между полузапрудами принимают не более двойной их длины.

У сплошных незатопляемых поперечных сооружений глубину местного размыва в однородных несвязных и связных грунтах определяют по формуле

                                          (4.69)

где n_Г - скорость потока в голове поперечного сооружения; k_n - коэффициент, характеризующий поступление наносов в воронку размыва и принимаемый равным: k_n=1 при расположении поперечных сооружений на пойме, размывах в связных грунтах или n£n₀; при n³1,35n₀ по формуле:

k_n=0,96                                                           (4.70)

при n₀<n<1,35n₀ - в диапазоне значений k_n, n₀ - неразмывающая скорость, определяемая с учетом глубины потока Н в голове поперечного сооружения.

Скорость потока в голове поперечного сооружения n_Г определяют в зависимости от угла a, образуемого осью сооружения с направлением течения:

при a³45:

n_Г=(в/H)^1/4n;                                                    (4.71)

при a<45:

n_Г=n+[(в/H)^1/4-1]( a/45)^1/3n;                                       (4.72)

При назначении поперечных сооружений необходимо иметь в виду, что укрепления их голов на воздействие продольных течений должны быть более мощные, чем укрепления защищаемых откосов насыпи или берега (без поперечных сооружений).

При укреплении поперечных сооружений каменной наброской крупность камня определяют (для самых неблагоприятных условий) по формулам:

при 90°³a³45°

                       (4.73)

где

                                               (4.74)

Ш - ширина поперечного сооружения;

при a<45°:

                                           (4.75)

где

                                       (4.76)

Толщину плитных укреплений рассчитывают на скорость n_Г в голове сооружения.

Спрямление русла производят только на равнинных меандрирующих реках с целью выключения излучины, угрожающей сооружениям мостового перехода, или создания нормального направления русла к оси перехода (рис. 4.32).

Рис. 4.32. Схема спрямлений излучин русла: а - спрямляемая излучина, угрожающая пойменной насыпи на несудоходной реке; б - расположение моста на спрямленном русле судоходной реки; 1 - спрямление; 2 - запруда; 3 - вариант укрепления берега; 4 - граница разлива при УВВ

Спрямление русла также производят для устранения систематических заторов льда в пересеченной мостовым переходом излучине.

Целесообразность спрямления русла должна быть доказана сравнением вариантов спрямления и выполнения других мероприятий, улучшающих работу перехода (рис.4.32, а). Спрямление русел судоходных и сплавных рек должно быть согласовано с соответствующими организациями, а несудоходных и несплавных - с местными организациями, интересы которых затрагивает проектируемое спрямление (с местными советами, колхозами, совхозами, лесхозами и др.).

Для заиления выключенной в результате спрямления излучины русла на уровне бровок русла устраивают массивную запруду в нижнем по течению участке петли; на судоходных и сплавных реках такую же запруду устраивают в начале спрямления, обеспечивая нормальные условия судовождения (рис.4.32, б).

Расчет спрямления русла производят для расхода воды Q_pб, проходящего в бровках русла.

Основные геометрические размеры канала должны удовлетворять следующим условиям:

ширина в бровках В_спр находится в пределах В_рб£В_спр£В_уш, где В_рб, В_уш - ширина соответственно бытового и уширенного русла;

отметки дна не ниже средних в спрямляемом русле;

уклон дна равен

i_спр=i_из(L_из/l_спр)(n_из/n_спр)².                                              (4.77)

где i_из - уклон потока в спрямляемой излучине; L_из, l_спр - длина излучины и спрямленного участка; n_из, n_спр - коэффициенты шероховатости русла в излучине и на спрямлении (в канале).

Искусственное и естественное русла сопрягают по круговым кривым радиуса не менее 3,5 В_спр на неэксплуатируемых и не менее 5В_спр на сплавных и судоходных реках.

Подходы к мостам, расположенным на поймах меандрирующих рек, обычно перекрывают староречья, протоки и ложбины между старыми прирусловыми валами. В образовавшихся замкнутых пространствах выше и ниже мостового перехода могут накапливаться талые и грунтовые воды, заболачивая пойменные земли.

В этих случаях в проекте мостового перехода должны быть предусмотрены водоотводы, а при необходимости - отверстия в пойменных насыпях.

Сооружения для отвода воды из замкнутых пойменных водоемов рассчитывают на расход, пропуск которого обеспечивает нормальную хозяйственную деятельность на пойме реки выше и ниже по течению от мостового перехода.

Необходимые размеры неукрепленных водоотводных канав на поймах подбирают такие, при которых скорость потока и в них меньше неразмывающей n₀.

Площадь w живого сечения, в м², и продольный уклон i канавы в несвязных грунтах могут быть определены по формулам:

                                                 (4.78)

                                                    (4.79)

где Q - расход воды в бровках, м³/сек; d - средний диаметр частиц несвязного грунта; R - гидравлический радиус живого сечения, м; n - коэффициент шероховатости, принимаемый равным 0,02-0,025.