Основные сведения о проектировании переходов через большие водотоки

В комплекс сооружений мостового перехода обычно входят: мост, пересекающий собственно водоток; подходы к нему - пойменные земляные насыпи, периодически подтапливаемые в паводки; регуляционные и укрепительные сооружения, предохраняющие мост и подходы от вредного воздействия водного потока.

Все основные сооружения мостовых переходов (мосты, подходы к мостам, регуляционные и защитные сооружения) подвержены вредному воздействию водного потока. Им угрожают:

1. Подтопление водами реки при проходе паводков, особенно высоких.

2. Природные деформации русел.

3. Общие размывы, связанные со стеснением паводкового потока не переливаемыми подходами к мостам.

4. Местные размывы, развивающиеся у передних граней опор мостов и голов регуляционных сооружений.

5. Подпоры воды, разные в различных сечениях подлине мостового перехода, с разных сторон насыпей подходов и струенаправляющих дамб.

6. Продольные течения, наблюдающиеся с верховых сторон насыпей подходов и вдоль речных откосов струенаправляющих дамб.

7. Волновые воздействия на укрепленные откосы насыпей подходов и откосы струенаправляющих дамб.

8. Ледоход, непосредственно воздействующий на опоры мостов и укрепленные откосы струенаправляющих дамб и насыпей подходов.

9. Карчеход на реках, где имеет место это опасное природное явление.

При проектировании мостовых переходов возникает необходимость выполнения комплекса сложных и трудоемких гидрологических, морфометрических, гидравлических и русловых расчетов.

Гидрологические расчеты - это, прежде всего, определение расходов и соответствующих им уровней воды расчетной вероятности превышения (ВП). Величины ВП обычно нормируют в зависимости от типа искусственного сооружения, категории дороги и плотности дорожной сети в районе проектируемого объекта. Ежегодные колебания наибольших расходов и уровней воды, несмотря на их опосредованную связь с ходом Солнечной активности (5-6 - летними, 11 - летними, 22 - летними, 44 - летними, 88-89 - летними (вековыми) и т.д. гармониками хода Солнечной активности) все же подчиняются законам больших чисел, поэтому для вычисления расчетных расходов и соответствующих им уровней воды используют уравнения теории вероятностей, а саму вероятностную обработку непрерывных рядов наблюдений за максимальными годовыми расходами и уровнями воды осуществляют на компьютерах.

Для комплексного проектирования мостовых переходов, особенно в рамках систем автоматизированного проектирования автомобильных дорог и сооружений на них (САПР-АД), требуется знание не только наивысших годовых расходов и уровней заданной ВП, но и ход их во времени - расчетных гидрографов и водомерных графиков паводков. При детальных комплексных компьютерных расчетах мостовых переходов нередко используют всю совокупность паводков в наблюденной на водомерных постах последовательности с пропуском паводка расчетной ВП в наиболее напряженный период работы мостового перехода.

Морфометрическими расчетами определяют расходы, уровни и скорости течения с использованием уравнения равномерного течения жидкости по известным морфологическим и геометрическим характеристикам расчетного сечения долины реки (морфоствора).

Морфометрические расчеты необходимы для установления расчетного уровня воды по известному расчетному расходу (как правило в тех случаях, когда на водотоке отсутствуют систематические гидрометрические наблюдения за расходами и соответствующими им уровнями на водомерных постах), иногда для определения расхода воды по зафиксированному на местности уровню воды и, наконец, самое главное, для оценки распределения расчетного расхода между характерными элементами живого сечения долины реки (руслом и поймами). Величина распределения расчетного расхода - одна из самых важных гидравлических характеристик створа перехода, которая в конечном итоге во многом определяет генеральные размеры всех сооружений мостовых переходов. Учитывая возможность появления ощутимой погрешности и, следовательно, необходимость введения гарантийных запасов устойчивости сооружений, к морфометрическим расчетам прибегают лишь при невозможности проведения натурных гидрометрических наблюдений или их недостаточном объеме.

Всегда нужно стремиться производить гидрометрические наблюдения в створе мостового перехода, особенно при высоких уровнях воды, с последующим построением натурной кривой расходов Н = f (Q). Затраты на производство гидрометрических работ, как правило, с лихвой окупают себя на снижении строительной стоимости и последующих эксплуатационных расходах в связи с исключением бросовых затрат и повышением надежности проектируемых объектов.

Расчет отверстия моста - это назначение глубины фундирования опор по известной величине отверстия или (в редких случаях) определения величины отверстия при заданном размыве. Назначая величину отверстия или (что более правильно) определяя ее расчетом, нужно учитывать неизбежные природные деформации русел, которые наблюдаются на водотоках в бытовых условиях и часто еще усиливаются после строительства мостовых переходов.

Необходимо также прогнозировать закономерные боковые деформации русел (их уширения), связанные со стеснением паводкового потока подходами к мостам, т.е. с искусственным изменением величин руслоформирующих расходов на участках влияния мостовых переходов. При этом отверстие моста назначают обычно не меньше величины максимально возможного (без заиления в течение десятилетий) уширенного подмостового русла.

При назначении глубин фундирования опор мостов прогнозируют те наибольшие глубины общего размыва, которые могут развиться в один из наиболее напряженных периодов работы мостового перехода в течение расчетного срока его службы. Прогноз глубинных деформаций русел и фундирование опор осуществляют обязательно с учетом природных русловых деформаций, которые приводят к дополнительному углублению русла, а также боковых деформаций - естественных или искусственных (срезок пойменных берегов подмостовых русел), существенно ограничивающих развитие глубинных размывов.

Местные размывы, развивающиеся у передних граней опор мостов и голов регуляционных сооружений, являются следствием нарушения локальной гидравлической структуры потока этими элементами мостовых переходов и приводят к дополнительному увеличению глубин в русле и на поймах. Глубины местного размыва, вычисляемые обычно по эмпирическим или теоретико-эмпирическим зависимостям, обязательно учитывают при обосновании размеров сооружений мостовых переходов.

Таким образом, минимальные размеры отверстий мостов часто определяются возможными боковыми деформациями русел под мостами (естественными или искусственными уширениями русел), а глубины фундирования опор природными, общими (глубинными) и местными деформациями.

Расчет судоходного уровня (РСУ) - одна из наиболее ответственных задач, которую всегда приходится решать при проектировании мостовых переходов через судоходные реки. Этими расчетами, с одной стороны, определяется тот наивысший уровень, при котором еще возможны под мостом проходы судов с заданными высотными габаритами, и, с другой, устанавливаются абсолютные высоты низа конструкций пролетных строений, высоты опор и уровни проезда на мосту и подходах. Элементы расчета судоходных уровней, минимальные длины и количество судоходных пролетов, а также высоты подмостовых габаритов нормируются ГОСТ 26775-97, в зависимости от класса судоходной реки.

Проектирование продольного профиля подходов к мостам осуществляют с учетом тех минимальных высот бровок земляного полотна, при которых не будет переливов через насыпь даже в самые высокие паводки. Требование о недопущении переливов обычно предъявляют также и к струенаправляющим дамбам и траверсам. Минимальные высоты бровок земляного полотна подходов, струенаправляющих дамб и траверсов определяются прежде всего уровнем высокой воды в реке расчетной ВП, величиной подпора в данном месте насыпи, возможной высотой набега волны на откос и нормируемым конструктивным запасом, принимаемым большим для сооружений транспортного назначения (насыпей подходов) и меньшим для вспомогательных сооружений (струенаправляющих дамб и траверсов).

Высоту расчетного уровня воды заданной вероятности превышения РУВВ_{р %} определяют гидрологическими расчетами. Для определения величин подпоров в любом месте насыпи требуется построение кривых свободной поверхности потока с верховой и низовой сторон насыпей, а также со стороны речного откоса струенаправляющих дамб с использованием уравнения неравномерного течения жидкости.

Определение возможной высоты набега волны на откосы также поддается аналитическим расчетам.

Проектирование регуляционных и защитных сооружений - струенаправляющих дамб, траверсов, полузапруд спрямлений и уширений русел, укреплений сопровождается специальными расчетами. Ориентировочные размеры струенаправляющих дамб и траверсов рассчитывают аналитически. Эти размеры в дальнейшем корректируют в зависимости от конкретных особенностей места перехода, учитывают также опасные местные размывы, развивающиеся у голов струенаправляющих дамб, траверсов и полузапруд. Укрепления откосов и подошв насыпей рассчитывают на ледовые воздействия, волнобой, продольные течения и местные размывы.

Размеры спрямлений русел определяют из условия их наименьшей деформируемости во времени.

Размеры и плановые контуры искусственных уширений подмостовых русел - срезок устанавливают из условия их незаносимости в течение длительного периода времени, а также из условия плавного подвода воды и руслоформирующих наносов под мост и их отвода.

Решение специальных инженерных задач при проектировании мостовых переходов часто производят в связи с необходимостью учета их взаимодействия с другими гидротехническими сооружениями, расположенными в пределах зоны влияния (другими мостовыми переходами, плотинами, переходами коммуникаций, русловыми карьерами грунта и т.д.), а также с необходимостью оценки вредного воздействия мостовых переходов на другие стороны народнохозяйственной деятельности и объекты.

Наиболее часто оказываются необходимыми: расчеты взаимодействия мостовых переходов с другими гидротехническими сооружениями; прогноз изменения условий судоходства на участках русел рек у мостовых переходов; прогноз размывов переходов коммуникаций; оценка подтопления вышележащей местности и т.д.

При решении перечисленных выше задач рассматривают протекающие на мостовых переходах процессы на участках русел рек значительной протяженности и за многолетний период времени, охватывающий ряд десятилетий. Эти расчеты выполняют на компьютерах с использованием комплексных методологий и программ, представляющих собой математические модели мостовых переходов.

Дата добавления: 2015-06-04