Изыскания мостовых переходов через водотоки
Проектирование мостового перехода предусматривает разработку ряда вариантов, отличающихся местом пересечения реки, отверстием моста, разбивкой его на пролеты и другими элементами. Для назначения этих вариантов и проектирования перехода необходим комплекс изыскательских работ, в результате которых получают данные о топографии, инженерно-геологических условиях района перехода, гидрологическом режиме и русловом процессе пересекаемого водотока, а также о наличии строительных материалов и другие данные.
Комплекс изыскательских работ на месте мостового перехода
Составлению технического проекта мостового перехода предшествуют изыскания, включающие топографо-геодезические, инженерно-геологические и инженерно-гидрологические полевые работы.
Выбор места мостового перехода
Выбор места мостового перехода влияет на технико-экономические показатели как самого мостового перехода, так и прилегающего участка новой железной дороги.
Основные факторы, определяющие выбор места мостового перехода:
1. Желательно наименьшее отклонение места перехода от кратчайшего направления трассы, однако чем дороже строительство мостового перехода и ниже категория строящейся дороги, тем целесообразнее перенос мостового перехода в более благоприятные условия, обеспечивающие снижение его стоимости, даже за счет удлинения трассы. При сравнении вариантов учитывается как строительная стоимость перехода, так и стоимость прилегающих участков трассы, а также эксплуатационные расходы по вариантам.
|
|
|
2. Участок русла реки в месте мостового перехода должен быть устойчивым, плесовым, по возможности прямолинейным, или представлять собой плавную излучину; на участке перехода направления течений в русле и на пойме должны быть параллельными и мало изменяться с изменением уровня воды.
3. На участке перехода поймы должны быть наиболее узкими, расположенными на высоких отметках, незаболоченными, без озер, проток и стариц. Это обеспечит наименьшую протяженность и высоту подходных насыпей к мосту и меньшие размеры регуляционных сооружений.
4. Створ перехода не следует располагать на перекатном участке реки, в местах образования наледей, заторов, зажоров льда, а также в местах, где река имеет рукава или острова. Затором называется скопление в одном месте большого количества льда во время ледохода, что вызывает подъем уровня воды выше по течению. Зажором называется скопление шуги, заполняющее живое сечение реки на участках, покрытых льдом, способное вызвать подъем уровня воды. Шуга – это уплотняющийся всплывающий внутриводный лед, образование которого предшествует ледоставу.
|
|
|
5. Следует избегать пересечения рек непосредственно ниже устья притоков во избежание скопления наносов под мостом.
6. Створ перехода следует располагать, как правило, перпендикулярно направлению руслового и пойменного потоков при расчетном паводке; если направления руслового и пойменного потоков непараллельны, створ перехода располагают нормально к среднему направлению более мощного из потоков. Трасса перехода в пределах всей ширины разлива высоких вод должна быть по возможности прямой. При повороте трассы от моста вниз по течению на пойме образуются водяные "мешки", создающие угрозу прорыва насыпи и затрудняющие слив воды с поймы в отверстие моста. При повороте трассы от моста вверх по течению, вдоль пойменной насыпи возникают сильные течения, что требует сложных средств защиты насыпи от подмыва.
7. По инженерно-геологическим условиям предпочтение отдают тем участкам реки, где коренные и плотные породы, которые могут служить основанием фундаментов опор моста, залегают неглубоко, а напластование пород исключает их смещение. Следует избегать оползневых косогоров надпойменной террасы. Не рекомендуется располагать мостовой переход на участках с карстовыми явлениями или участках, сложенных гипсом и другими выщелачиваемыми породами.
|
|
|
8. Мостовой переход через судоходные реки должен удовлетворять следующим условиям:
· в месте перехода направление течения и оси судовых ходов должны быть по возможности параллельны, при этом мост следует располагать перпендикулярно направлению течения;
· отклонение оси моста от нормали к направлению течения без увеличения ширины габарита судоходных пролетов допускается не более 5о; при большей косине (но не более 10о) требуется увеличение ширины подмостового пролета;
· русло реки должно быть устойчивым, позволяющим удерживать судовой ход без перемещений его от одного берега к другому;
· мост должен быть расположен по возможности на прямолинейном участке реки и удален от перекатов на расстояние не менее полуторной длины буксируемого каравана судов;
· расположение мостового перехода в пределах речного порта не должно ухудшать условий рейдовых операций.
9. При пересечении реки вблизи проектируемого гидроузла:
· следует рассмотреть вариант с устройством перехода по плотине, если это возможно по условиям подхода трассы железной дороги к створу плотины;
|
|
|
· при размещении в нижнем бьефе плотины, мостовой переход следует назначать вне зоны сосредоточенного размыва русла за плотиной, избегать расположения мостового перехода в пределах аварийных водосбросов ГЭС, при размещении перехода ниже некапитальной плотины следует -учитывать возможность ее прорыва;
· если переход размещается в пределах распространения подпора плотины, то следует стремиться к сооружению перехода в наиболее узком месте водохранилища;
· следует располагать мостовой переход вне границ заторной зоны в верхней зоне водохранилища, где возможны заторы льда.
30.Топографо-геодезические и инженерно-геологические работы при изысканиях МП
Для проектирования моста, подходов к нему и регуляционных сооружений необходимы подробные планы участка реки и прилегающей местности в зоне намечаемого мостового перехода. Для этого выполняют следующие работы:
· съемку генерального плана мостового перехода поперек реки в пределах разлива с запасом 1-2 м над наивысшим уровнем воды и вдоль реки вверх по течению на 1-1.5 ширины разлива, а вниз по течению на 0.7-1 ширины разлива;
· съемку детальных планов в полосе, непосредственно прилегающей к створу перехода, на всю ширину разлива реки поперек ее долины и вдоль реки выше и ниже по течению на 1-1.5 длины отверстия моста, но не менее чем по 100 м в каждую сторону от створа мостового перехода; детальную съемку выполняют также в местах спрямления русла, укрепления берегов и устройства регуляционных сооружений, расположенных вне мостового перехода.
Генплан в зависимости от ширины разлива снимают в масштабах от 1:1000 до 1:10 000. Детальные планы снимают в масштабах 1:500 – 1:2000 с шагом горизонталей 0.5 – 1 м.
Инженерно-геологические обследования участков реки, пойм и склонов в пределах мостового перехода выполняют для того, чтобы установить:
· условия залегания и физико–механические свойства грунтов речной долины для проектирования основных сооружений мостового перехода;
· сведения об аллювиальных отложениях реки для оценки возможных русловых деформаций и возможности допущения размыва под мостом;
· условия использования местных строительных материалов в районе мостового перехода.
Инженерно-геологические обследования включают инженерно-геологическую съемку и необходимые разведочные работы для составления геологического разреза речной длины вдоль створа перехода, а в необходимых случаях и поперечных разрезов для выяснения поперечного наклона напластований.
31.Морфометрические работы и расчеты при изысканиях МП.
Инженерно-гидрологические работы состоят из гидрометрических и морфометрических работ. Гидрометрические работы предусматривают измерение водного потока для определения его гидрологических характеристик и осуществляются в период половодья или паводка. Морфометрические работы, которые можно выполнять в беспаводочный период, предназначены для определения зависимостей между морфометрическими и гидравлическими характеристиками русла и пойм реки. Морфология речной долины– это характеристика строения, рельефа долины, ее почвенный и растительный покров, озерность, заболоченность и другие свойства, способные повлиять на условия протекания воды.
При изысканиях стремятся ограничиться менее трудоемкими морфометрическими работами. Это возможно, если вблизи проектируемого мостового перехода имеются постоянные гидрометрические посты, дающие результаты наблюдений, позволяющие надежно определять гидрологические характеристики, либо если поблизости уже имеется мостовой переход, нормальная работа которого за срок эксплуатации гарантирует, что его размеры могут служить аналогом для проектируемого перехода.
Для мостовых переходов на реках со сложными русловыми процессами наряду с полевыми обследованиями выполняют экспериментальное моделирование для изучения русловых процессов и выявления условий работы перехода.
32.Гидрометрические работы при изысканиях мостовых переходов
Гидрометрические наблюдения за паводками выполняют для крупных или сложных мостовых переходов в дополнение к морфометрическим наблюдениям.
Гидрометрические работы выполняют в два этапа. В первый период до начала половодья выполняют подготовительные работы (разбивают и закрепляют гидростворы, устраивают тросовые перетяжки для измерения скоростей вертушками, устраивают гидрологические посты, вышки для засечек поплавков, оборудуют суда для работы с вертушками), а также выполняют подводную съемку русла. Во второй период во время половодья выполняют измерения уровней воды и скоростей, наблюдения направлений течения, судовых ходов, сплава и ледохода. Гидрометрические работы обычно ведут в течение одного-двух месяцев на средних и двух-четырех месяцев – на больших реках.
Для выполнения измерений, поперёк реки разбивают створы, называемые гидростворами. По оси мостового перехода устраивают главный гидроствор. Кроме того, разбивают еще два вспомогательных гидроствора выше и ниже по течению на расстоянии, примерно равном ширине разлива. Для составления плана русла в горизонталях и выполнения соответствующих промеров глубин, размещают дополнительные поперечники, расположенные вдоль реки на расстояниях, равных ½ - 1/3 ширины реки, а при ширине ее более 100 м – ¼ - 1/5 ширины реки.
На каждом створе и поперечнике размещают промерные вертикали. Вертикалью называют отвесную линию на створе, где выполняют промеры глубин. Расстояния между вертикалями принимают от 1/10 до 1/15 ширины реки, но не более 50 м.
Глубины до 4-5 м измеряют наметкой – деревянным шестом, окрашенным в белые и красные цвета через каждые 10 см. Глубины свыше 5 м измеряют лотом – металлическим грузом, подвешенным на капроновом шнуре или мягком стальном тросе (лот-лине), размеченном через 10- 20 см. Для измерения глубин широко применяют эхо-лоты, определяющие время прохождения прямого и отраженного ультразвукового импульса и вычисляющие по полученным данным глубину.
Для наблюдений за уровнями воды на участке мостового перехода у берегов главного русла устраивают не менее трёх временных водомерных постов. Один из них совмещают с главным гидроствором, а два других, используемых для определения продольного уклона зеркала воды, располагают вверх и вниз по течению на расстоянии от 100 м до 5.5 км в зависимости от продольного уклона реки (чем больше уклон, тем меньше расстояние до поста). Водомерный пост представлен в виде водомерных реек или ряда свай, на которые ставят переносную рейку. Нули водомерных реек либо верх свай связывают нивелирным ходом с реперами. Наблюдения выполняют не менее 2-х раз в сутки в одни и те же часы. По полученным результатам составляют график колебания уровней воды за время работы гидрометрической партии.
В ходе гидромерных работ к оси мостового перехода переносят отметки высоких уровней, зафиксированные на постоянном гидрометрическом посту данной реки (если такой имеется). Для переноса отметок строят график, называемый "кривая связи уровней на постах". Данные для этого графика получают следующим образом: в период изысканий в одни и те же часы фиксируют уровни воды на постоянном многолетнем гидрометрическом посту и временном посту на проектируемом переходе. Откладывая данные, полученные на разных гидромерных постах, по разным осям координат, строят кривую по точкам, полученным в местах пересечения отметок, соответствующим одновременным замерам уровней.
33. Применение аэрометодов в гидрометрических работах
Аэрогидрометрические методы позволяют в короткий срок получить весь комплекс гидрологических характеристик рек, необходимых для проектирования мостовых переходов, однако широкое использование этих методов сдерживается относительно высокой стоимостью, сложностью организации работ и недостатком квалифицированных кадров. Применение аэрогидрометрических работ наиболее эффективно при изысканиях мостовых переходов через крупные малоизученные реки (с шириной русла более 100 м) и использовании этого метода изысканий для всех переходов на трассе проектируемой дороги. Аэрогидрометрические работы следует выполнять во время паводка, чтобы получить план течений, близкий к расчётным условиям. Аэрометодами определяют:
· скорости и направления поверхностных течений;
· расходы воды;
· глубины и отметки уровней воды;
· направления судовых ходов и движения льдин.
При аэрогидрометрических работах возможны два принцииально различных способа определения расходов воды в водотоке:
· с применением сосудов-нидикаторов;
· с использоваием стереоскопического эффекта.
Аэрометод с использованием сосудов-индикаторов наиболее простой. С самолёта на небольшой высоте (250- 500 м) равномерно сбрасывают поперёк водотока вдоль створа сосуды (стеклянные бутылки с грузом, наполненные маркирующей жидкостью легче воды, обычно отработанным авиационным моторным маслом). При этом одновременно ведётся аэрофотосъёмка, фиксирующая точки падения поплавков в воду. Затем, набрав высоту, совершается полёт вдоль реки и фиксируются точки выхода поплавков на поверхность.
При всплытии жидкость-индикатор окажется от начальной вертикали (точки падения) на расстоянии l, зависящем от скорости на вертикали uв, скорости всплывания маркирующей жидкости w и глубины на данной вертикали h. Измеряя на аэрофотоснимках расстояние l и зная заранее установленную опытным путем скорость всплывания w, определяют расход воды на вертикали q (расход на вертикали – это расход, проходящий через элементарную – шириной 1 метр- площадь живого сечения гидроствора, высота которой равна глубине воды на вертикали): q= w∙ l = 0.135 l ( для жидкости-индикатора с удельным весом 0,86 т/м3). По найденным расходам на вертикалях строят эпюру расходов на вертикалях, что позволяет затем найти расход воды по створу.
Поверхностные скорости воды "uпов" определяют по расстоянию и времени перемещения маркирующей жидкости, которые фиксируются аэрофотоснимками.
Направление струй поверхностных течений определяют по траектории маркирующей жидкости на фотоснимках.
Глубины на вертикалях вычисляют по значениям расхода на вертикали q и поверхностной скорости течения uпов :
где k – коэффициент перехода от поверхностной к средней скорости на вертикали.
Для определения отметок уровней воды, при которых выполнялись аэрогидрометрические наблюдения, на фотоснимках намечают вблизи основного створа хорошо просматривающийся контур местности, высотная отметка которого принимается за реперную в условной системе координат. Если в районе изысканий существуют характерные точки с известными отметками, в качестве репера принимают их. Отметку репера связывают с отметкой уровня воды при помощи стереоприбора, на котором по стереопаре находят превышение между уровнем воды и выбранным репером.
Аэрогидрометрические работы, основанные на методе использования стереоскопического эффекта получаемых снимков желательно применять на пике паводка, когда водный поток несёт на поверхности естественные маркирующие предметы (пену, коряги, щепу и др.), что избавляет от необходимости дополнительного маркирования водной поверхности.
Метод, основанный на использовании стереоскопического эффекта, в свою очередь подразделяется на два способа:
· определение расхода воды только дистанционно (используется а реках с шириной русла не менее 200 м);
· одновременное или раздельное выполнение гидрометрических работ дистанционным- с воздуха и контактным- на земле- методом (применяется на всех реках без ограничения ширины русла при проведении аэрофотосъёмки с вертолёта).
34. Расчет расхода заданной вероятности превышения при наличии данных многолетних наблюдений.
Все сооружения, входящие в комплекс мостового перехода, рассчитываются с учетом их способности противостоять наиболее разрушительным половодьям и паводкам. Половодьем называют состояние реки, характеризующееся высоким и длительным подъемом уровня воды. Половодье для рек одной климатической зоны повторяется ежегодно в один и тот же сезон. Паводок – это быстрый и сравнительно кратковременный подъем уровня в реке. В отличие от половодья паводок возникает нерегулярно.
Основными гидрологическими характеристиками, используемыми при определении размеров мостовых переходов, являются значения максимальных расходов и соответствующих им уровней. Максимальные расходы и уровни характеризуются вероятностью их превышения еще большими уровнями и расходами. Значение вероятности превышения выражают:
· либо в виде отношения разового случая превышения величины расчетного расхода к количеству лет, в течение которых это может случиться,
· либо в процентах.
Допускаемое значение вероятности превышения устанавливают нормами проектирования сооружений. На железных дорогах мостовые переходы проектируют c учетом двух величин вероятности превышения – для расчетного и максимального паводков. Расчетный расход применяется для определения отверстия моста, максимальный – для назначения высоты пойменных насыпей и струенаправляющих дамб.
Таблица 1
| Категория | Вероятность превышения | |
| Расчетная | Максимальная | |
| III и выше | 1:100 (1%) | 1:300 (0.33%) |
| IV | 1:50 (2%) | 1:100 (1%) |
Гидрологические характеристики реки в месте будущего мостового перехода определяют одним из следующих способов:
· при наличии многолетних гидрометрических наблюдений за водным режимом реки требуемые характеристики определяются непосредственно по накопленным данным;
· при недостаточности гидрометрических наблюдений – путем приведения их к многолетним характеристикам с учетом имеющихся данных по рекам-аналогам с более длительным рядом наблюдений;
· при отсутствии гидрометрических наблюдений – косвенными методами (по формулам и картам), основываясь на данных всех наблюдений как на сети гидрометеоролгических пунктов региона, так и выполненных при инженерных изысканиях.
При наличии данных многолетних наблюдений, максимальные расходы требуемой вероятности превышения могут быть определены путем статистической обработки известных величин годовых максимумов расхода. Для расчета берутся генетически однородные максимумы расхода, то есть те, которые имеют однородное происхождение – либо от снеготаяния, либо от ливней. Статистические параметры, характерные для максимальных расходов данного водотока, наглядно выражены на графиках, называемых "столбчатая диаграмма распределения", "график распределения" и "кривая обеспеченности".
Для построения диаграммы распределения надо имеющиеся величины макимальных расходов расположить в порядке убывания и полученый диапазон значений разбить на равные интервалы (ΔQ), после чего подсчитать число вхождений годовых максимумов в тот или иной интервал (Ki).
Кривая, очерчивающая диаграмму распределения, называется кривой распределения. Если количество попаданий в тот или иной интервал разделить на число элементов в статистическом ряду (количество лет наблюдений за расходами), то будет получена частота попаданий в этот интервал:
Выразив частоты в процентах и последовательно суммируя их от интервала наибольших расходов, можно построить кривую обеспеченности.
| P% |
| Q,м3/с |
| 0 |
| 100 |
| Qmax |
| Qmin |
Используя кривую обеспеченности можно, задаваясь величиной превышения (%), определять соответствующую величину максимального расхода. Однако, кривая обеспеченности, построенная на основе короткого ряда наблюдений (несколько десятков лет), не дает значений достаточной точности в области малой вероятности превышения, требуемой для расчетов мостов (0.33-2%), поэтому эмпирическую кривую обеспеченности, построенную на основе натурных замеров, заменяют на теоретическую кривую, которая строится по результатам статистической обработки натурных данных и имеет большую точность в области расходов малой вероятности превышения.
Выбор теоретической кривой ВП подходящего очертания осуществляется с использованием статистических параметров, называемых коэффициент вариации (Cv) кривой распределения и коэффициент асимметрии (Cs) кривой распределения. Коэффициент вариации характеризует изменчивость элементов статистического ряда, он показывет степень разброса годовых максимумов расхода относительно их среднего арифметического значения.
Коэффициент асимметрии показывает, как далеко отстоит наиболее часто встречающаяся величина расходов от их средней величины.
Коэффициент вариации определяется
где Ki – модульный коэффициент, Ki = Qi / Qср .
Величина коэффициента асимметрии Сs определяется по величине его отношения к коэффициенту вариации Сs : Cv . Существуют разные величины отношения Сs : Cv , они зависят от характера формирования максимального расхода:
· для расходов талых вод равнинных рек Сs : Cv = 2 или 2.5;
· для дождевых расходов воды равнинных рек и горных рек с муссонным климатом Сs : Cv = 3 или 4.
Каждой величине отношения Сs : Cv соответствует индивидуальное очертание теоретической кривой вероятности обеспеченности. Меняя величины этого отношения, добиваются совпадения теоретической и эмпирической кривых. Величина отношения Сs : Cv, обеспечивающая наилучшее сходство кривых обеспеченности, принимается для определения коэффициента асиммерии.
Имея вычисленные значения коэффициентов вариации и асимметрии, находят модульные коэффициенты требуемой вероятности превышения. Для этого используют "таблицу ординат интегральных кривых распределения вероятностей" (таблица Крицкого-Менкеля), которая приводится в Прил.5 НИМП-72. Эта таблица состоит из нескольких сходных частей, каждая из которых соответствует определенной величине отношения Сs : Cv . В заголовках строк этой таблицы указаны величины вероятностей превышения (от 0.1% до 99.9%), в заголовках столбцов проставлены величины коэффициента вариации. Подставив в эту таблицу вычисленный ранее коэффициент вариации и задавшись требуемой вероятностью превышения, на пересечении строки и столбца находим модульный коэффициент. Максимальный расход воды требуемой вероятности превышения вычисляется умножением найденного модульного коэффициента на среднее арифметическое годовых максимумов расхода: Qp% = Kp% · Qср .
Отметки уровня высоких вод, соответствующих найденным величинам максимального и расчетного расхода воды, определяются с помощью графика зависимости Q(H), построенного по результатам морфометрических и гидрометрических работ:
| Qp% |
| H |
| Qp |
| Qmax |
| Hmax |
| Hp |
35.Расчет расхода заданной вероятности превышения при отсутствии данных многолетних наблюдений
Современные методы определения максимальных расходов требуемой вероятности превышения при отсутствии данных многолетних наблюдений базируются на эмпиричесих формулах.
Для определения максимального расхода воды весеннего половодья равнинных и горных рек действующие нормы предлагают (СНиП 2.01.14-83) формулу
рассмотренную нами ранее при изучении расчета расхода талого стока с малых бассейнов. Эта формула применима для водосборов с площадью от элементарно малых (менее 1 км2) до 20 тыс.км2 в европейской и до 50 тыс.км2 на азиатской территориях России.
Для определения максимальных расходов воды дождевых паводков при отсутствии многолетних наблюдений, но при наличии рек-аналогов СНиП 2.01.14-83 предлагает формулу
где q p% - модуль максимального мгновенного расхода воды реки-аналога расчетной вероятностью превышения p% , м2/(с·км2);
d, dа – коэффициенты, учитывающие снижение максимального расхода воды проточными озерами, соответственно для исследуемой реки и реки- аналога;
d2, d2а – коэффициенты, учитывающие снижение максимального расхода воды вследствие заболоченности водосбора, соответственно для исследуемой реки и реки-аналога;
n – коэффициент редукции модуля максимального ливневого расхода воды с увеличением площади водосбора;
A, Aa – площади водосборов соответственно для исследуемой реки и реки- аналога, км2.
При выборе реки-аналога необходимо, чтобы морфометрические параметры бассейнов изучаемой реки и реки-аналога были приблизительно одинаковыми, т.е. чтобы формы их водосборов были подобными друг другу.
Максимальные мгновенные расходы дождевых паводков при отсутствии рек-аналогов следует определять по другой формуле:
где q200 – модуль максимального мгновенного расхода воды ежегодной вероятности превышения p= 1% при d = d2 = d3 = 1, приведенный к площади водосбора 200 км2;
lp% - переходный коэффициент от p = 1% к другой обеспеченности;
n, d, d2, A – то же, что и в предыдущей формуле;
d3 – коэффициент, учитывающий изменение параметра q200 с изменением средней высоты водосбора в горных районах.
36.Определение расчетного судоходного уровня
При проектировании мостовых переходов через судоходные реки требуется определять расчетный судоходный уровень ( РСУ ) – это уровень воды, относительно которого рассчитывают высоту подмостового габарита, обеспечивающего приемлемые условия судоходства. От величины РСУ существенно зависят размеры и стоимость строительства моста, поэтому РСУ назначают несколько ниже уровня, соответствующего расчетному расходу воды, по которому определяют отверстие моста. При этом допускается, что в годы, когда РСУ будет превышен, движение наиболее высоких судов может быть прервано на несколько суток. Очевидно, что потери от задержки судов должны быть оправданы сопоставимым снижением строительной стоимости моста.
Порядок определение РСУ следующий:
1.Определяют расчетную продолжительность навигации (лет):
где N – продолжительность гидрометрических наблюдений, не менее 10 лет; Ti = фактическая продолжительность навигации за i – й год;
2.Определяют продолжительность стояния воды выше РСУ, допускаемую для реки данного класса (сут):
где T – расчетная продолжительность навигации; k – коэффициент допускаемого снижения продолжительности навигации, в зависимости от класса водного пути (ГОСТ 26775-97 "Габариты подмостовые судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях"), k = 2 – 7;
3.Для каждого года гидрометрических наблюдений строят водомерные графики паводков или половодий, по этим графикам для каждого года определяют уровень воды Ht , выше которого вода стоит в течение "t" суток:
| H |
| t, сут |
| t |
| Ht |
4.Полученные для ряда лет величины Ht упорядочивают по убыванию и для каждой величины определяют эмпирическую вероятность превышения:
где m – порядковый номер рассматриваемого уровня воды в убывающем ряду; n – количество элементов ряда;
5.По уровням Ht и соответствующим им величинам вероятности превышения p% на клетчатке вероятностей строят график Ht(p%):
| Ht |
| P% |
| РСУ |
| 99,9% |
| 0,001% |
| P2% |
По оси абсцисс откладывают вероятность превышения РСУ, которую берут из ГОСТ 26775-97, в зависимости от класса реки pd = 2 – 6% . Соответствующий pd уровень Ht является РСУ.
37.Определение отверстия моста по методу профессора Н.А. Белелюбского
Сооружаемый мостовой переход нарушает естественные условия протекания воды, стесняя речной поток при половодье или паводке, создавая подпор воды выше перехода, изменяя скорости течения и образуя деформации русла. При строительстве малых мостов подмостовое русло, как правило, укрепляется, что исключает его размыв. На средних и больших мостах укрепление русла трудноосуществимо по техническим и экономическим причинам, поэтому его не применяют, что требует принципиально иных подходов к определению потребных отверстий таких мостов.
В 70-х годах 19-го века проф.Н.А.Белелюбский впервые предложил расчет отверстий мостов. До этого отверстия мостов через постоянные водотоки назначались, как правило, лишь по размерам русла, а поймы перекрывались пойменными насыпями. Опыт эксплуатации таких мостов показал недостаточность их отверстий.
Белелюбский установил, что бытовая неразмывающая скорость в русле реки значительно больше, чем неразмывающая скорость при тех же грунтах в искусственных руслах. Это было объяснено тем, что размывы на реке восполняются наносами, пришедшими сверху по течению.
При сооружении мостового перехода, когда пойма реки частично перекрывается насыпями, расход и скорость в русле возрастают, и под мостом возникает общий размыв. Белелюбский предположил, что размыв должен прекратиться после восстановления бытовой скорости. Таким образом, площадь живого сечения под мостом после размыва определяется следующей зависимостью:
где Qp% - расчетный расход установленной вероятности превышения, м3/с;
vр.б. – бытовая скорость в русле при расчетном уровне, м/с.
Площадь живого сечения под мостом до размыва (потребная рабочая площадь) может быть найдена по следующей формуле:
Из формулы следует, что в зависимости от принимаемого значения коэффициента размыва потребная площадь живого сечения под мостом и отверстие моста могут быть разных размеров.
38. Технико-экономические основы определения оптимального отверстия моста.
С увеличением коэффициента размыва уменьшается суммарная длина и стоимость пролетных строений моста. Одновременно сокращается число опор, но увеличивается глубина заложения фундаментов, а нередко требуется более сложные и дорогие конструкции фундаментов. Поэтому суммарная стоимость опор моста при увеличении коэффициента размыва снижается в меньшей мере, чем стоимость пролетных строений, а порой зависимость стоимости опор от величины коэффициента размыва может носить экстремальный характер.
Стоимость пойменных насыпей возрастает с увеличением коэффициента размыва за счет их удлинения пропорционально сокращению отверстия моста, а также за счет увеличения высоты насыпей, вызванного увеличением подпора воды перед мостом. Стоимость насыпей возрастает также из-за возрастания скоростей протекания воды и необходимости применения более мощных укреплений откосов.
Из-за увеличения коэффициента размыва также возрастает стоимость регуляционных сооружений, что вызвано увеличением их длины, высоты и более мощного укрепления откосов.
| K |
| P |
| Kmin |
| Пролетные строения |
| Опоры |
| Насыпи и регуляционные сооружения |
| Суммарная стоимость перехода |
В итоге суммарная стоимость мостового перехода оказывается минимальной при некотором значении коэффициента размыва и соответствующем ему отверстии моста, которое следует считать оптимальным по критерию минимума строительных затрат.
Коэффициент размыва также влияет на расходы по эксплуатации моста. Чем больше размыв, тем меньше размеры моста и расходы по содержанию пролетных строений (окраска, осмотр и т.п.), но больше расходы по ремонту укреплений от размыва.
При сравнении вариантов больших и средних мостов принято, во-первых - ежегодные эксплуатационные расходы выражать в процентах от строительной стоимости сооружения (амортизационные отчисления); во вторых – принимать эксплуатационные расходы пропорционально длине моста (текущий ремонт и содержание). В суммарных эксплуатационных расходах первое слагаемое (амортизационные отчисления) существенно превышает второе, поэтому можно считать, что величина приведенных строительных и эксплуатационных расходов зависит от длины моста так же, как и строительная стоимость, то есть эта зависимость является экстремальной, что позволяет находить коэффициент размыва и отверстие моста, соответствующие минимуму приведенных строительных и эксплуатационных затрат.
Однако, коэффициент размыва не должен превышать наибольшего допускаемого значения, обеспечивающего нормальные условия эксплуатации мостового перехода. В частности, следует учитывать скорости течения, допустимые для судоходства и миграции рыб. Как правило, коэффициент размыва следует принимать не более 2, а при морфометрической основе расчета – не более 1.75 . На судоходных реках увеличение скорости течения в русле при расчетном судоходом уровне, вызванное строительством мостового перехода, не должно превышать 20% при скорости течения воды в естественных условиях до 2 м/с и 10% при скорости свыше 2.4 м/с.
39. Определение отверстия моста по графику накопления площади живого сечения потока под мостом.
Вычислив величину площади wд.р., можно графическим путем определить наименьшее отверстие моста и откорректировать его положение в пределах живого сечения под мостом. График накопления площади живого сечения под мостом совмещается с профилем живого сечения реки на переходе. По оси абсцисс графика откладываются расстояния l в том же масштабе, что и горизонтальный масштаб профиля живого сечения реки, а по оси ординат откладывается накапливающаяся площадь живого сечения w .
Начало координат графика w( l ) намечается за пределами возможного расположения устоя моста. От начала координат живое сечение разбивается на отдельные участки, площади которых откладываются по оси одинат графика w( l ) нарастающим итогом. Таким образом, ордината графика w( l ) в любой точке представляет площадь живого сечения реки от начала координат до данной точки. На построенном графике w( l ) приблизительно намечается положение устоя и от этой точки графика откладывается верх ордината, равная потребной площади живого сечения под мостом wд.р. Эта ордината горизонтально сносится на график w( l ), что дает положение второго устоя и длину моста L. Если положение устоев не благоприятно, построение повторяется для корректирования местоположения моста. При этом изменится и отверстие моста. Отверстие моста будет минимальным при таком положении береговых устоев, когда средний уклон линии w( l ) между ними будет наибольшим.
После выбора типа моста и разбивки общего отверстия на пролеты необходимо откорректировать положение устоев с учетом применения типовых пролетных строений и стеснения живого сечения промежуточными опорами.
40. Определение отверстия моста с учетом срезки грунта в русле и на поймах.
При определении отверстия моста следует учитывать возможность его уменьшения за счет частичной срезки грунта под мостом. Срезка позволяет обеспечивать равномерную работу отверстия моста и дает часть грунта для отсыпки пойменных насыпей и регуляционных сооружений.
Срезка русла представляет собой планировку берегов реки в пределах отверстия моста. Срезку выполняют только на равнинных реках, если поймы затопляются не реже, чем 2 раза в год, при редком затоплении поймы будут заиливаться и заростать.
Для предотвращения отложения наносов, срезка продлевается в верховую и низовую сторону и плавно сопрягается с естественным руслом и струенаправляющими дамбами. Во избежание образования заносов, срезка должна продолжаться в верховую и низовую сторону от оси перехода на протяжение не менее полной длины струенаправляющих дамб. Ширина срезки равна ширине пойменной части отверстия моста, за вычетом бермы шириной 2м у конуса дамбы. Берма уширяется до 5 –10 м к верхней и нижней оконечности струенаправляющих дамб. Уклон срезки со стороны бермы не должен быть круче 1:2 .
Если уровень межени мало отличается от отметки поймы, то срезку заменяют расчисткой пойменной части подмостового русла от растительности, что способствует размыву грунтов, аналогичному срезке по значению.
Площадь срезки не должна превышать 25% от площади живого сечения под мостом после размыва, иначе на ней могут откладываться наносы.
Срезка выполняется на одном или на обоих берегах реки. Уровень срезки намечается не менее чем на 25 см выше отметки среднего уровня межени для беспрепятственного выполнения работ. При горизонтальной двусторонней срезке русла площадь живого сечения под мостом до размыва выражается следующим образом:
Wдр= Lּ(Hувв(р%) – Нс) + Wс
Отсюда отверстие моста определяется по формуле:
где wд.р. – площадь живого сечения под мостом до размыва (м2);
L – искомое отверстие моста с учетом срезки, м;
HУВВ(P%) – отметка расчетного уровня, м;
| L |
| Hc |
| HУМВ |
| wc |
| HУВВ(P%) |
wc – площадь живого сечения ниже уровня срезки Hc, м2.
41. Определение отверстия моста по скорости динамического равновесия руслового потока
Установлено, что размыв в русле под мостом нередко прекращается при средней скорости течения большей, чем бытовая. Скорость, при которой в этих условиях прекращается размыв, называется скоростью динамического равновесия.
где d – средний диаметр частиц несвязного грунта, слагающего речное русло, мм; в случае связных грунтов вместо d принимают эквивалентное значение dэкв в зависимости от коэффициента пористости связного грунта;
hср – средняя глубина воды в русле после размыва, м;
x – параметр, зависящий от характеристики грунтов русла (среднего диаметра частиц несвязного грунта);
b - параметр, зависящий от вероятности превышения расхода: b=0,97 при P=2%; b=1,0 при P=1% и b=1,07 при P=0.33%.
С учетом динамической скорости равновесия
Введем понятие средней глубины под мостом после размыва hср.п.р.:
где L – отверстие моста в свету.
Если 1/(1+x) обозначить как y, а 0,68d0.28 обозначить как aг, то формула будет выглядеть следующим образом:
где параметры aг и y принимают из таблиц.
Таким образом, задавшись отверстием моста L и разместив его в пределах живого сечения реки, определяем площадь живого сечения под мостом до размыва wд.р., затем находим среднюю глубину под мостом после размыва hср.п.р., вычисляем площадь живого сечения после размыва wп.р.=hср.п.р.Lи, наконец, коэффициент размыва P = wп.р./wд.р. . Решая эту задачу не менее 3-х раз, можно построить кривую P(L), по которой установить отверстие Lmax, соответствующее P=1 , а затем Lmin , соответствующее Pдоп . Таким образом определяются границы возможного варьирования отверстием моста, в пределах которых отыскивается оптимальное решение.
При необходимости построения линии дна после размыва, а также для определения глубины после общего размыва в характерных вертикалях живого сечения, например у опор моста, Л.Л.Лиштван предложил формулу определения глубины после размыва на заданной вертикали:
В этой формуле hд.р. и hср.д.р. – соответственно глубина на данной вертикали до размыва и средняя глубина под мостом до размыва ( hср.д.р.= wд.р./L ).
Представленный метод расчета общего размыва подмостовых русел по допускаемым скоростям течения рекомендован для предварительных расчетов, он дает приемлемую точность при длительных паводках, а при коротких паводках приводит, как правило, к завышенным результатам.
42. Определение минимально допускаемого положения проектной линии на мосту.
На переходах через судоходные реки проектная линия на мосту определяется условием обеспечения подмостового габарита в судоходных пролётах:
Hmin(м)=РСУ+h+c-hв , где РСУ- отметка расчётного судоходного уровня; h- высота подмостового габарита судоходного пролёта, ГОСТ 26775-97; с- строительная высота подмостового габарита; hв- возвышение подошвы рельса над бровкой земляного полотна.
В несудоходных пролётах низ пролётных строений должен возвышаться над уровнями воды и ледохода в зависимости от местных условий, но не менее величин, указанных в таблице:
| Природные условия | Наименьшее возвышение низа пролёта | ||
| над уровнем расчётного паводка | над уровнем максимального паводка | над наивысшим уровнем ледохода | |
| при отсутствии неблагоприятных условий | 0,75 | 0,25 | 0,75 |
| при заторах льда | 1 | 0,75 | 1 |
| при карчеходе | 1,5 | 1 | - |
| при наледных явлениях | 1,25 | 0,75 | 1,25 |
При высоких подмостовых габаритах, если по экономическим и архитектурным соображениям расположение моста на высоких отметках нецелесообразно, судоходный пролёт может быть устроен разводным при условии, что будет обеспечена потребная пропускная способность железной дороги и удовлетворены условия судоходства. В этом случае минимальная отметка проектной линии определяется в зависимости от конструкции разводного пролёта, но с соблюдением требований, предъявляемых к несудоходным пролётам мостов.
43. Определение минимально допускаемого положения проектной линии на участках пойменных насыпей (подходных насыпей мостового перехода)
Минимальная отметка проектной линии на поймах Hmin(п) должна возвышаться не менее чем на 0.5 м над наибольшим уровнем высоких вод с учётом подпора и наката волны на откос:
Hmin(п)= Hp%+z+hн+0.5 ,
где Hp%- отметка статического уровня воды ВП=0.33% для дорог I-III категорий и 1% для дорог IV категории; z- величина подпора, создаваемого в связи с постройкой моста, м; hн- высота наката волны на откос насыпи, измеряемая от статического уровня воды, м.
Водная поверхность на участке мостового перехода представляет собой с верховой стороны воронку подпора, а с низовой стороны- конус растекания.
| Уровень воды |
| Бытовой уровень воды |
Подпор перед мостом образуется в результате стеснения живого сечения реки, и пойменный поток, преграждаемый пойменной насыпью, поступает в отверстие моста с повышенной скоростью. Как следствие подпора перед мостом образуется уклон водного зеркала в поперечном направлении (вдоль насыпи) от границ поймы к мосту.
| увв |
| ~L |
| ~L |
| z' |
| z' |
| z |
| z |
| iв |
| iв |
| Hmin(п) |
Подпор перед мостом, образующийся выше его отверстия по течению, определяется по формуле:
где v- средняя скорость под мостом, м/с; v0- средняя скорость течения нестеснённого потока в живом сечении перед мостом, м/с.
Величину z' определяют для двух значений средней скорости под мостом (v)- до размыва и после размыва. Для дальнейших расчётов принимается средняя величина.
Величина подпора "z " в произвольно взятой точке пойменной насыпи определяется по формуле:
при отсутствии сруенаправляющих дамб z=z'+iв·(l – L),
при наличии струенаправляющих дамб z=z'+iбּaв+iвּ(l – bв),
где L- отверстие моста в свету, м; l- расстояние от речной грани моста до рассматриваемой точки на пойменной насыпи, м; iб- бытовой уклон водного потока вдоль русла; iв- уклон подпёртого потока вдоль насыпи с верховой стороны; ав- проекция верховой струенаправляющей дамбы на перпендикуляр к оси насыпи; bв- проекция струенаправляющей дамбы на ось насыпи.
| ав |
| bв |
| Насыпь |
| Мост |
Уклон iв определяется по формуле iв=j ·iб, где коэффициент j зависит от отношения средней бытовой глубины на пойме hср к средней глубине на пойме с учётом подпора hср+z'. Коэффициент j уменьшается от 0.5 до 0.01 при уменьшении hср/(hср+z').
С низовой стороны происходит растекание водного потока и понижение его уровня вдоль пойменной насыпи по мере удаления от отверстия моста с уклоном зеркала воды, обычно равным iн=0.5iб . При значительной ширине поймы создаётся значительная разность уровней с верховой и низовой сторон в конце поймы, что требует проверки работы насыпи как плотины.
Высота наката волны на откос насыпи hн определяется по СНиП 2.06.04-82* (Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) и зависит от высоты волны, крутизны откоса и его шероховатости, глубины воды и угла подхода фронта волны к насыпи. Высота насыпи в свою очередь зависит от скорости и направления ветра, продолжительности действия ветра, протяжённости зеркала воды вдоль направления ветра, рельефа дна и глубины воды. Характеристики ветра определяют по результатам статистической обработки многолетних (не менее 25 лет) наблюдений. При определении статического уровня, над которым рассчитывается высота наката волны, учитывается высота ветрового нагона Δh.
44. Основы проектирования регуляционных сооружений.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1740; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!