Расчет общего размыва

Расчет общего размыва подмостовых русел является одной из важнейших частей проектов мостовых переходов, поскольку во многом определяет глубину фундирования опор мостов и их конструкцию.

Расчет общего размыва на мостовых переходах наиболее точно выполняют по длительной серии паводков, пропускаемых в натурной (наблюденной) последовательности, с использованием компьютерной комплексной методики гидравлических и русловых расчетов и программы «Рома», основанной на детальном решении дифференциального уравнения баланса наносов в конечных разностях (см. главу 32).

На практике нередко требуется выполнять быструю оценку возможного общего размыва у опор мостов (особенно на ранних стадиях проектирования), не прибегая к многодельному, хотя и более точному компьютерному расчету. Нередки случаи, когда проектные организации не имеют соответствующих специалистов, которые могли бы профессионально такие расчеты выполнить. При производстве же изысканий использование упрошенных расчетов является единственно возможным.

На основе анализа и обобщения результатов математического моделирования с использованием комплексной методики гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и программы «Гидрам-3» (программа «Рома» появилась позже) были исследованы свойства характерных пределов общего размыва и разработан метод упрощенного расчета общего размыва подмостовых русел (Г.А. Федотов. Методология комплексного расчета мостовых переходов: Автореф. дис. д-ра техн. наук / МАДИ, 1979). Установлено наличие на мостовых переходах трех характерных пределов общего размыва: нижнего, гипотетического и верхнего. При этом расчетный для опор моста общий размыв всегда занимает вполне определенное положение относительно этих пределов.

Нижним пределом общего размыва называют наибольший общий размыв, который может возникнуть при длительном воздействии на подмостовое русло расчетного паводка постоянной высоты.

Глубина нижнего предела размыва оказывается тем больше, чем больше степень стеснения потока подходами к мосту b и чем меньше степень уширения подмостового русла

Основное свойство нижнего предела размыва заключается в том, что расчетный для опор моста размыв ни при каких обстоятельствах не может быть больше нижнего предела размыва (если, конечно, паводок не превысит расчетный). В отдельных случаях нижний предел общего размыва может быть достигнут в ходе реального (имеющего подъем, спад и ограниченную длительность) паводка в момент восстановления продольного баланса наносов при уровнях близких к его пику.

Нижний предел размыва может быть определен двумя способами:

непосредственным компьютерным расчетом с использование программы «Рома» (см. главу 32) по длительному паводку постоянной высоты, равной пику расчетного паводка;

по теоретической формуле предельного баланса проф. О.В. Андреева, представляемой для практических расчетов в следующем виде:

где (16.6)

h_рб, h_рн - глубина в русле под мостом до и после предельного размыва, м;

В_рб, В_рм - бытовая ширина русла и ширина русла под мостом с учетом срезки, определяемая по формуле (16.3), м;

- относительная ширина русловой опоры

(где b_on - средняя ширина русловой опоры по фасаду моста; l_nр - длина пролета);

b - степень стеснения потока подходами:

где (16.7)

Q, Q_рб - соответственно общий и русловой бытовой расходы при расчетном уровне воды, м³/с;

q_пб - бытовой погонный расход на пойме, м³/с/м:

L_м - отверстие моста, м;

В ₀ - ширина разлива реки в паводки, м.

Время, потребное для достижения нижнего предела размыва t_н, является важной характеристикой мостового перехода и зависит от многих факторов: бытовой глубины потока, длины зоны сжатия потока перед мостом, длины верховых струенаправляющих дамб, бытовой скорости течения в русле, крупности размываемого аллювия. Время стабилизации нижнего предела размыва (сут) определяется по теоретико-эмпирической формуле, полученной на основе анализа и обобщения материалов математических экспериментов:

где (16.8)

h_рб - средняя бытовая глубина потока в русле, считая от РУВВ, м;

К_ф - коэффициент формы ямы размыва перед мостом:

l_мп, l_бп - ширина малой и большой пойм, соответственно;

- относительная длина верховых струенаправляющих дамб (зоны, охватываемой верховыми струенаправляющими дамбами);

l_сж - длина зоны сжатия потока перед мостом, определяемая одним из следующих способов: по формуле, полученной на основе данных М.В. Михайлова:

(16.9)

по формуле Н.И. Чиркиной:

(16.10)

L_бп - длина большего подхода, м;

g_б - погонный бытовой расход руслоформирующих наносов при РУВВ, м³/с/м:

А_д, А_в - функции свойств аллювия принимают:

для расчета донных наносов

для расчета взвешенных наносов

r - порозность наносов, т.е. отношение объема пор к объему беспустотной среды (обычно r» 0,65);

g - ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²);

d - средняя крупность наносов, м;

g - плотность материала наносов (обычно g» 2650 кг/м³);

W - гидравлическая крупность наносов (частиц), т.е. скорость выпадения частиц в стоячей воде;

V_рб - средняя русловая бытовая скорость течения, м/с;

- неразмывающая средняя скорость течения, м/с.

Гидравлическую крупность наносов W определяют по шкале В.Б. Архангельского:

d, мм	........0,01	0,05	0,10	0,15	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40
W, м/с	....0,0001	0,0018	0,0069	0,0156	0,0216	0,027	0,0324	0,0378	0,0432
d, мм	........0,45	0,50	0,60	0,70	0,80	0,90	1,00	1,50	2,00
W, м/с	...0,0468	0,054	0,065	0,073	0,081	0,088	0,094	0,126	0,153
d, мм	......2,50	3,00	3,50	4,00	4,50	5,00
W, м/с	....0,177	0,19	0,209	0,223	0,237	0,249

Значения определяют по табл. 16.5, составленной проф. О.В. Андреевым:

Функции свойств грунта А_д и А_в могут быть также ориентировочно определены по графику (рис. 16.10).

Гипотетическим пределом общего размыва называют размыв, вызываемый воздействием на подмостовое русло многих реальных (имеющих подъем, спад и конкретную продолжительность), проходящих один за другим одинаковых расчетных паводков.

Глубина гипотетического предела общего размыва оказывается тем больше, чем больше степень стеснения потока подходами к мосту b, чем меньше степень уширения подмостового русла g и чем больше полнота расчетного паводка П (см. рис. 16.7). Обычно полнота расчетного паводка лежит в довольно узких пределах - П = 0,5-0,6.

Таблица 16.5.

Донные неразмывающие скорости

Грунт	d, мм	Донная неразмывающая скорость, м/с
Песок:
мелкий	0,05-0,25	0,20	0,55-0,60
средний	0,25-1,0	0,20	0,60-0,65
крупный	1,0-2,5	0,20-0,25	0,65-0,70
Гравий:
мелкий	2,5-5,0	0,25-0,35	0,70-0,85
средний	5,0-10	0,35-0,50	0,85-1,10
крупный	10-15	0,50-0,60	1,10-1,20
Галька:
мелкая	15-25	0,60-0,80	1,20-1,50
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	2,10-2,35
средний	100-150	1,60-1,95	2,35-2,60
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

Примечание. V_нд - донная неразмывающая скорость для грунта данной крупности, м/с; d_ср - средняя крупность грунта, мм.

Рис. 16.10. Графики для определения коэффициентов А_д и А_в при наносах:
а - мелких; б - средних; в - крупных;
1 - взвешенные наносы (А_в); 2 - донные наносы (А_д)

Основное свойство гипотетического предела общего размыва заключается в том, что расчетный для опор моста размыв не может быть больше гипотетического предела (если конечно паводок не превышает расчетный). Гипотетический предел общего размыва достигается в момент восстановления продольного баланса наносов на спаде очередного расчетного паводка.

Гипотетический предел общего размыва может быть определен одним из двух способов:

непосредственным компьютерным расчетом по программе «Рома» (см. главу 32) по серии следующих один за другим одинаковых расчетных паводков;

по теоретико-эмпирической формуле, полученной на основе анализа и обобщения данных математического моделирования:

где (16.11)

b - степень стеснения потока при РУВВ_{р %}, определяемая по формуле (16.9);

П - полнота расчетного паводка. Для неизученных в гидрологическом отношении водотоков можно ориентировочно принимать П = 0,55;

В_рб и В_рм - бытовая ширина русла и ширина его под мостом с учетом срезки;

l - относительная ширина русловой опоры.

Верхним пределом общего размыва называют общий размыв, вызываемый проходом единичного расчетного паводка первым по предварительно не размытому дну.

Глубина верхнего предела размыва зависит от всей совокупности факторов, действующих на мостовых переходах, и оказывается тем больше, чем больше стеснен поток подходами b, чем меньше коэффициент уширения подмостового русла g, чем меньше длина зоны сжатия потока перед мостом l_сж, чем меньше крупность размываемого грунта d и чем больше длительность t_nв и полнота П расчетного паводка.

Основное свойство верхнего предела размыва заключается в том, что расчетный для опор моста общий размыв может быть равен ему, но не может быть меньше. Верхний предел общего размыва достигается в момент восстановления продольного баланса наносов на спаде расчетного паводка, однако при уровне более низком, чем гипотетический предел.

Верхний предел общего размыва может быть определен двумя способами:

непосредственным компьютерным расчетом с использованием программы «Рома» (см. главу 32) по единственному расчетному паводку, пропускаемому первым по предварительно не размытому дну;

по теоретико-эмпирической формуле, полученной на основе анализа и обобщения материалов математического моделирования:

где (16.12)

К_t - коэффициент, учитывающий влияние времени размыва, определяемый по теоретико-эмпирическим формулам, полученным по материалам математического моделирования:

при К_t < 0,80;

при К_t ³ 0,80; где

t_н - время стабилизации нижнего предела общего размыва, сут, определяемое по формуле (16.8).

При потенциальной размывающей способности расчетного паводка, равной минимально необходимой для реализации гипотетического предела, последний достигается сразу же после прохода первого расчетного паводка, т.е. оказывается равным верхнему пределу (рис. 16.11). При этом, если потенциальная размывающая способность паводка оказывается больше необходимой для реализации гипотетического размыва, происходит закономерное нарушение независимости размера гипотетического предела от длины зоны сжатия потока перед мостом, длительности расчетного паводка над поймой и крупности размываемого грунта, т.е. гипотетический предел, равный верхнему, подобно ему уже оказывается зависящим от всей совокупности факторов, влияющих на общий размыв вообще. Гипотетический размыв в этом случае уже не может быть определяем по формуле (16.11), а устанавливается по формуле (16.12).

Рис. 16.11. Взаимное положение характерных пределов общего размыва при различной потенциальной размывающей способности расчетного паводка:
1 - дно до размыва; 2 - верхний предел; 3 - гипотетический предел; 4 - нижний предел; 5 - расчетный для опор общий размыв; Н_р - отметки размытого дна верхнего (Н_рв), гипотетического (Н_рг), нижнего (Н_рн) пределов; Н_д - отметки дна до размыва

В зависимости от потенциальной размывающей способности паводка, определяемой соотношением , расчетный для опор моста размыв может совпадать с некоторыми характерными пределами, но в общем случае занимает промежуточное положение между верхним и гипотетическим размывами (см. рис. 16.11).

Как показывает анализ графика, изображенного на рис. 16.11, по способу определения расчетного для опор моста общего размыва все мостовые переходы могут быть разделены на четыре группы.

Первая группа мостовых переходов характеризуется потенциальной размывающей способностью расчетного паводка большей, чем требуется для достижения нижнего предела. Расчетный для опор моста общий размыв, равный нижнему пределу, определяется по формуле предельного баланса проф. О.В. Андреева (16.6).

Вторая группа мостовых переходов характеризуется потенциальной размывающей способностью расчетного паводка большей, чем требуется для реализации гипотетического размыва, но меньшей, чем минимально необходимая для реализации нижнего. Расчетный для опор моста размыв, равный верхнему пределу, определяется по формуле (16.12).

Третья группа мостовых переходов характеризуется потенциальной размывающей способностью расчетного паводка, близкой к требуемой для реализации гипотетического предела. Расчетный для опор моста общий размыв, равный гипотетическому пределу, принимается по формуле (16.11). На практике мостовых переходов третьей группы встречается наибольшее количество (порядка 70-75 % от общего их числа).

Четвертая группа мостовых переходов характеризуется тем, что потенциальная размывающая способность расчетного паводка слишком мала для реализации гипотетического предела. На мостовых переходах четвертой группы все характерные пределы размыва сильно разнятся между собой, а расчетный для опор общий размыв занимает промежуточное положение между верхним и гипотетическим (см. рис. 16.11). Расчетный общий размыв в этом случае определяется компьютерным расчетом по программе «Рома» по длительной натурной серии паводков с пропуском расчетного в конце одного из многоводных периодов, определившего наиболее опасную направленность русловых деформаций. На ранних стадиях проектирования в качестве расчетного (с некоторым запасом) может быть принят гипотетический размыв, определяемый по формуле (16.11).

Признаки, по которым можно сразу же отнести тот или иной мостовой переход к соответствующей группе, представлены в таблице 16.6:

Таблица 16.6

Группы мостовых переходов по способу расчета общего размыва

Группа мостового перехода	Признаки	Способ расчета
I	hрв ³ hрн;	По формуле (16.6)
II	hрн > hрв ³ hрг;	По формуле (16.12)
III	hрн ³ 0,85 hрг > hрв;	По формуле (16.11)
IV	hрв < 0,85 hрг;	По программе «Рома» или по формуле (16.11)

Дата добавления: 2015-06-04