Схема потока, стесненного сооружениями мостового перехода

Сжатие потока, пропускаемого через от­верстие моста, и последующее его расширение являются сложным процессом и характеризуются широким разнооб­разием условий. Схематизация этих условий имеет целью четче представить физику процесса и выявить основные его закономерности (рис. 4.1.2.1).

Рис. 4.1.2.1. Расчетная схема моста

Долина реки и коренное русло принимаются прямолиней­ными и постоянной ширины, соответственно В_о и В_рб (рис. 4.1.2.1, а). Рельеф дна русла и пойм принимается плос­ким.

Далее, неустановившееся движение в русле представля­ют установившимся, т. е. значения уровня и расхода счи­тают неизменными во времени, соответствующими, напри­мер, пику расчетного паводка. Ось мостового перехода ори­ентируется нормально к направлению течения схематизи­рованного потока.

Стеснение речного потока сооружениями мостового пе­рехода представляет собой местное сопротивление. Оно вызывает увеличение отметок свободной поверхности - под­пор перед мостом. Подпор распространяется вверх по те­чению на значительное расстояние. Если принять створ 1-1 на рис. 4.1.2.1 за границу, выше которой влияние моста уже не сказывается, т. е. бытовые условия мостом не нару­шены, то в пределах участка от створа /-/ до створа //-// устанавливается кривая подпора типа а₁ так как русло принято призматически. В сечении //-// (в конце кривой подпора а₁) превышение уровня над его поло­жением в бытовом состоянии (рис. 4.1.2.1, б) достигает почти максимальной величины на всем протяжении предмостового участка и называется пол­ным подпором. При очень сильном стеснении пото­ка и при размыве под мостом наибольший подпор Δz рас­полагается ближе к мосту по сравнению с сечением //-//.

Непосредственно перед мостом свободная поверхность имеет сложную форму в виде воронки. Криволинейное сече­ние П — П (рис. 4.1.2.1, а) соответствует верхней границе во­ронки. Подпор для централь­ной струйки в сечениях //-// и П-П может считаться оди­наковым. Уменьшение ширины потока в пределах воронки приводит к увеличению скоростей течения. В обычных усло­виях при устройстве струенаправляющих дамб скорости достигают наибольших значений в подмостовом сечении III-III.

От створа /-/ вниз по течению скорости крайних струй уменьшаются, а глубины увеличиваются почти до самой на­сыпи подхода. Вдоль насыпи наблюдается увеличение ско­ростей вначале небольшое, ниже сечения П-П - более значительное и на коротком участке у голов струенаправ­ляющих дамб скорости крайней струи резко возрастают. Сво­бодная поверхность перед границей водной воронки (се­чение П-П) близка к горизонтальной. У верхового откоса насыпи на некотором удалении от моста устанавливается наибольший по абсолютной величине подпор у на­сыпи Δz_н (рис. 4.1.2.1, б).

В створе ///-/// наибольшего сжатия потока, который при правильно устроенных струенаправляющих дамбах рас­полагается в отверстии моста, струи параллельны между со­бой. Уровень воды в этом сечении близок к бытовому, но в зависимости от условий растекания может быть как больше, так и меньше бытового, т. е. значение подмостового подпора может быть и положительным и отрица­тельным (Δz_M>0 и Δz_M<0).

За мостом на участке между сечениями ///-/// и IV- IV поток расширяется (растекается) и скорости потока уменьшаются. За границей крайних струй образуются об­ширные водоворотные области (рис. 4.1.2.1, а). За сечением IV-IV происходит восстановление бытовых условий водо­тока.

При усложнении схемы применительно к неустановивше­муся движению следует рассматривать процесс за короткий отрезок времени, в пределах которого расход можно счи­тать неизменным. Следует иметь в виду, что картина те­чения в разные интервалы времени будет различной. Это будет выражаться в изменениях положения указанных ство­ров, значений подпоров, скоростей, размеров воронки перед мостом, очертанием крайних струй в зонах сжатия и расте­кания потока, обусловленных изменением расхода (уровня).

Стеснение потока мостовым переходом при данном уровне может быть, интеграль­но оценено отношением β общего расхода воды к части рас­хода, проходящей при отсутствии стеснения в пределах от­верстия моста, которое называется коэффициентом общего стеснения или коэффициентом увеличения расхода:

Величина Q_M определяется как сумма расходов, проходящих в бытовых условиях по руслу (Q_РБ) и по участкам пойм в пределах отверстия моста (Q_ПМБ), значения которых могут быть определены по эпюре элементарных расходов, пост­роенной для створа перехода при рассматриваемом уровне (рис. 4.1.2.2). При рассмотрении неустановившегося движения коэффициент стеснения β также изменяется во времени и достигает наибольшего значения на пике расчетного па­водка.

Рис. 4.1.2.2. Расчетная схема мостового перехода

На водотоке в бытовых условиях можно выделить две характерных области: русло, по которому вмес­те с водой движутся наносы, и поймы, на которых движения руслоформирующих наносов нет, и не происходит смыва час­тиц грунта, т. е. бытовые скорости течения на пойме меньше неразмывающих (V_пб<V_нр) для грунтов верхнего слоя (пойменного наилка). Стеснение потока приводит к его пе­реформированию и возникновению размывов.

Размыв в русле связан с повышением транспортирующей' способности потока из-за увеличения скоростей и, следовательно, выноса наносов из-под моста по сравнению с их пос­туплением с верховых участков русла. На пойменных участ­ках размывы происходят, если возросшие скорости течения превысят неразмывающие, т. е. (V_пб>V_нр).

Размыв в виде равномерного понижения дна в отверстии моста и на некотором протяжении русла вверх и вниз по течению называют общим. В местах концентрации по­тока, возникающих, если струенаправляющие дамбы не обеспечивают равномерного распределения скоростей по ширине отверстия или по другим причинам, развивается сосредоточенный размыв.

У опор моста и голов струенаправляющих дамб возника­ют также местные размывы. Причиной местного раз­мыва у промежуточных опор моста является локальное на­рушение кинематической структуры потока, характеризую­щееся вихреобразованием и возрастанием скоростей тече­ния. Местный размыв у голов струенаправляющих дамб обусловлен двумя причинами: во-первых, образованием вальца, увеличивающего донные скорости, в месте набега­ния потока на дамбу; во-вторых, резким увеличением ско­рости течения вдоль дамбы вследствие значительного пе­репада уровней на небольшом по протяжению участке у голов дамб.

По общему и местному (у опор) размывам определяют глубину заложения и конструкцию фундаментов опор, а местный размыв у дамб влияет на выбор конструкции и размеров укреплений. По значениям подпоров устанавлива­ют отметки (высотное положение) бровки насыпи подходов и конструкций пролетного строения. Сосредоточенные раз­мывы вообще не должны допускаться.

Таким образом, основными задачами гидравлического расчета мостовых переходов являются: расчет общего раз­мыва, определение глубины местного размыва у промежу­точных опор моста, назначение размеров и очертания струе­направляющих дамб, обеспечивающих безотрывное обте­кание их потоком и равномерное распределение расхода по ширине отверстия моста, расчет глубины местного раз­мыва у голов дамб, определение значений подпоров.

Важность гидравлических расчетов при проектирова­нии мостовых переходов обусловлена необходимостью тех­нико-экономического сопоставления вариантов и выбора оптимальных параметров сооружений перехода, обеспечи­вающих надежную работу мостового перехода при наимень­ших затратах на строительство и эксплуатацию сооружений и минимуме ущерба окружающей среде.

Уменьшение, например, отверстия моста на равнинных реках ведет в целом к снижению стоимости сооружений мос­тового перехода, поскольку стоимость единицы длины под­ходов к мосту, как известно, ниже стоимости единицы длины моста. Однако при этом увеличиваются размывы подмостового русла, усложняется конструкция фундаментов опор, возрастает подпор перед мостом, усложняется эксплуатация перехода, увеличиваются площади затоплений, в большей мере заболачиваются поймы, ухудшаются условия для их использования в сельском хозяйстве и т. д.