Расчет местного размыва у опор мостов

Местные размывы являются результатом локального нарушения гидравлической структуры набегающего на препятствия (опоры, струенаправляющие дамбы, траверсы и т.д.) потока. Местный размыв наиболее опасен для опор мостов. Развиваясь у передних граней опор, он может привести к потере их устойчивости (по этой причине подмытая опора всегда падает вверх по течению). При значительных местных размывах локальными понижениями могут охватываться площади у всей опоры, а не только у передней ее грани.

Поток, набегающий с некоторой скоростью на опору, тормозится, при этом кинетическая энергия его уменьшается, а потенциальная, выражающаяся в местном поднятии уровня перед опорой, возрастает. Потенциальная энергия, в свою очередь, реализуется в кинетическую энергию нисходящих струй (рис. 16.15), которые, достигая дна, способны размывать его, вызывая появление воронкообразного углубления. Другой причиной общего размыва является местное сжатие струй, обтекающих препятствие. Для препятствий относительно широких эта причина является основной (например, обтекание голов регуляционных сооружений).

Рис. 16.15. Схема обтекания опоры моста потоком:
1 - дно до размыва (пунктир); 2 - откос воронки; 3 - нисходящие струи; 4 - донные вихревые вальцы; 5 - струи, обтекающие опору

Как показывают многочисленные наблюдения, скорость обтекания опоры потоком примерно в 2 раза превосходит скорость его набегания. Поэтому местные размывы у сооружения развиваются даже в тех случаях, когда собственная скорость потока меньше, чем непередвигающая для частиц грунта, слагающих его дно.

Ожидаемая глубина воронки местного размыва определяется гидравлическими параметрами потока - скоростью набегания и глубиной, а также формой, размерами препятствия и свойствами размываемого грунта. На размер воронки местного размыва огромное влияние оказывает количество наносов, поступающих в воронку. При этом местный размыв достигает особенно больших значений, когда руслоформирующие наносы в воронку по каким-либо причинам не поступают.

В русловом потоке всегда имеются такие придонные области, где влечение наносов практически отсутствует, несмотря на то, что средние по вертикали скорости течения существенно превосходят неразмывающие для грунтов, из которых сложено размываемое дно. Такими областями (с минимальными расходами наносов) являются подвалья гряд, занимающих достаточно большую площадь в русле. Учитывая, что плановые размеры гряд соизмеримы с плановыми габаритами опор, при проектировании мостов можно ориентироваться на наиболее невыгодную, но реальную русловую ситуацию, когда опора располагается в подвалье гряды, где приток руслоформирующих наносов в воронку местного размыва ничтожен и последняя будет иметь наибольшую глубину.

Одна из схем ноль-балансового расчета местного размыва была разработана И.А. Ярославцевым в 1953 году. На основе многочисленных лабораторных экспериментов с моделями мостовых опор им была получена теоретико-эмпирическая формула для расчета местного размыва у мостовых опор. Преобразованная к виду, удобному для выполнения практических расчетов, она имеет вид:

для расчета местного размыва в несвязных грунтах

(16.14)

для расчета местного размыва в связных грунтах

где (16.15)

К - коэффициент, зависящий от относительной глубины потока и принимаемый по таблице 16.7;

Таблица 16.7.

Коэффициенты относительной глубины потока К

Относительная глубина	Значения коэффициента К
для русла	для пойм
	0,38 0,44 0,73	0,62 0,68 0,97

К_x - коэффициент формы опоры, принимаемый для прямоугольных опор равным 12,4, для цилиндрических - 10,0 и для обтекаемых 8,5. Коэффициент К_x для каждой конкретной конструкции опоры может быть более точно определен по рис. 16.16;

V_оп - скорость набегания потока на опору на наиболее глубокой вертикали, м/с;

b_оп - средняя ширина опоры по фасаду моста, м;

d - крупность несвязного аллювия, м;

V_нер - неразмывающая средняя скорость течения для связных грунтов, м/с.

Рис. 16.16. Формы мостовых опор и коэффициенты их обтекаемости К_x

Скорость набегания потока на русловую опору определяют с учетом общего размыва на наиболее глубокой вертикали:

где

V_рм - средняя скорость после общего размыва, м/с.

По данным исследований Г.С. Пичугова определяющее влияние на местный размыв оказывает слой придонного потока толщиной 0,4 h_рм от дна. Поэтому, для опор мостов с переменной шириной по глубине среднюю ширину опоры следует определять только на этой части набегающего потока (рис. 16.17).

Рис. 16.17. Схема к определению средней ширины опоры по данным Г.С. Пичугова

Скорость набегания потока на пойменную опору (при невозможности смещения русла под нее в ходе естественного руслового процесса) принимают равной скорости течения на пойме после общего размыва, т.е. V_оп = V_пм.

При расчетах местного размыва в резко разнозернистых грунтах нужно учитывать возможность отмостки дна воронки крупными фракциями и при расчете по формуле (16.14) в расчет вводить размер наиболее крупных фракций, содержащихся в размываемом грунте в количестве 15-20 %. Формула И.А. Ярославцева применима для скоростей течения, при которых еще не происходит разрушения структурных скоплений наносов - гряд. Практически ее применяют при скоростях течения до 4 м/с.

В практике проектирования в последние годы получил распространение также метод расчета местного размыва Союздорнии (д-р.техн.наук М.М. Журавлев) (М.М. Журавлев. Местный размыв у опор мостов. - М.: Транспорт, 1984. - 113 с). Основной особенностью и несомненным достоинством метода является то, что лежащие в его основе зависимости были получены путем обработки натурных и полунатурных данных о местных размывах как в несвязных, так и в связных грунтах у натурных мостовых опор (в количестве 280 точек).

Глубина воронки местного размыва:

при поступлении наносов в воронку местного размыва при V_рм > V_нер

(16.6)

при отсутствии поступления наносов в воронку размывы при V_оп < V_нер

где (16.17)

h_рм - максимальная глубина потока в русле после общего размыва;

п - показатель степени;

К_ф - коэффициент формы опоры, принимаемый для прямоугольных опор равным 1,24, для цилиндрических - 1,0, для обтекаемых - 0,85.

Коэффициент К_ф может быть определен более точно по рис. 16.16, при К_ф = 0,1 К_x;

V_взм - средняя взмучивающая скорость турбулентного потока перед опорой.

В формулах (16.16), (16.17) показатель степени

п = 1 при

п = 0,67 при

Коэффициент К_ф для каждой конкретной конструкции опоры может быть также определен по уточненным данным Гипродорнии (Методические рекомендации по расчету мостовых переходов. - М.: Гипродорнии, 1987. - 96 с).

Косина потока может быть учтена путем введения в расчет ширины опоры, принимаемой по нормальному направлению течения потока:

где

a - угол отклонения потока от прямого направления;

l_оп - длина опоры вдоль потока (поперек моста).

Скорость V_взм определяется в зависимости от крупности руслоформирующих наносов и глубины потока:

где

W - гидравлическая крупность наносов (см. главу 32).

Дата добавления: 2015-06-04