Регуляционные сооружения
РЕГУЛЯЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ мостовых переходов предназначены для регулирования водного потока, пересекаемого дорогой, с целью обеспечения течения воды и движения наносов в нужном направлении при соблюдении требуемых условий эксплуатации мостового перехода и водотока. Они должны обеспечивать: плавный ввод пойменного потока в отверстие моста во избежание сбоя струй непосредственно у моста; равномерное распределение расхода воды по всему отверстию, чтобы не допустить сосредоточения размыва в отдельных частях живого сечения и связанного с этим подмыва опор; плавный вывод водного потока из-под моста; предупреждение подмыва конусов моста и пойменных насыпей; прямолинейное направление потока под мостом; устойчивость и неизменность русла реки в районе перехода. В отдельных случаях в задачи регулирования водного потока входит спрямление русла, а также ограждение населенных пунктов и других объектов от затопления высокими паводками в связи с возведением мостового перехода. Регуляционные сооружения уменьшают воздействие льда на опоры моста и насыпи подходов, а также снижают высоту волн.
Классификация
По виду речного потока, на который оказывается воздействие, регуляционные сооружения разделяют на пойменные и русловые. К пойменным сооружениям (рис. 3.69) относятся дамбы, поперечные сооружения у подходной к мосту насыпи – траверсы, а также срезка под мостом пойменных берегов – уширение русла, к русловым – запруды, полузапруды, шпоры, береговые укрепления и спрямление русла.
На мостовых переходах через равнинные реки обычно устраивают струенаправляющие дамбы на поймах для направления и плавного ввода пойменных потоков в отверстие моста и плавного вывода сжатого потока из-под моста Мосты на переходах через блуждающие реки не имеют пойменных участков отверстия (стеснено само русло реки), поэтому возводимые здесь дамбы предназначены для плавного сужения русла на подходе к мосту и направления струй воды и подвижных скоплений наносов в отверстие моста. Для защиты подходной насыпи от размыва пойменным потоком служат отжимающие поперечные сооружения – пойменные траверсы. Если земляному полотну угрожает подмыв русловым потоком, то используют русловые поперечные сооружения или укрепление берегов русла. Для защиты подходов к мосту от волнобоя применяют различные средства гашения волн (уположение откосов земляного полотна, устройство берм, лесопосадки) или укрепление откосов насыпи.
Для разграничения расходов воды между бассейнами смежных водотоков или ограждения некоторой территории от затопления высокими паводками устраивают оградительные сооружения: дамбы, сооружаемые на пойме, для отделения малого водотока от основной реки; дамбы, возводимые на водоразделе двух соседних бассейнов малых водотоков; дамбы обвалования, ограждающие от затопления объекты, в т. ч. населенные пункты, расположенные на пойме. Запруды на выключенных участках русла, протоках и староречьях, перекрываемых подходной насыпью, также могут быть отнесены к оградительным сооружениям.
Регуляционные сооружения
Регуляционные сооружения (траверсы, шпоры) могут иметь сплошную и сквозную конструкции. Сплошные сооружения воздействуют на весь поток, который их обтекает или ими отжимается; сквозные сооружения воздействуют только на часть потока, так как другая его часть, проходя через зазоры в сооружении, практически не изменяет направления движения. Поэтому местные размывы дна у сооружений сквозной конструкции обычно существенно меньше, чем наблюдаемые в сходных условиях у сплошных сооружений.
Регуляционные сооружения в ряде случаев имеют высокую строительную стоимость, соизмеримую со стоимостью самого моста. Выбор рациональной системы таких сооружений должен основываться на технико-экономическом сравнении вариантов. Иногда выгоднее увеличить отверстие моста, чем возводить дорогостоящие регуляционные сооружения.
Возведение регуляционных сооружений зависит от местных условий. Так, если дорога пересекает реку на прямолинейном участке, без поймы, а трасса располагается перпендикулярно направлению струй потока, отпадает необходимость в струенаправляющих дамбах и траверсах, оказывается достаточным укрепление конусов моста и откосов поименных насыпей.
На мостовых переходах через равнинные реки регулирование пойменных потоков осуществляется, как правило, сплошными незатопляемыми при наивысших паводках криволинейными в плане струенаправляющими дамбами, состоящими из верховой и низовой частей, плавно сопрягающихся в створе перехода. Верховые дамбы обеспечивают постепенное сужение потока перед мостом до размера его отверстия, а низовые – расширение потока за мостом. При этом на участке мостового перехода средняя скорость воды вдоль по течению изменяется медленнее, чем при отсутствии дамб, что способствует более плавному распространению общего размыва вверх и вниз от моста, уменьшению возможного сосредоточенного размыва у вогнутого берега, улучшению условий судоходства и сплава. Струенаправляющие дамбы устраивают, когда поймы пропускают не менее 15% расчетного расхода воды или при средней скорости потока под мостом более 1 м/с. Необходимость в дамбах вызывается также ситуационными особенностями перехода: наличием протоков, подлежащих перекрытию; прижимными течениями в направлении слабо работающей поймы и др.
Впервые в истории мостостроения криволинейные регуляционные сооружения были построены в России в 1872 г. на мостовом переходе через р. Квирила. Значительный вклад в теорию и практику проектирования и строительства струенаправляющих дамб сделан российскими инженерами и учеными А. М. Фроловым, В. М. Маккавеевым, Е. В. Боддаковым, О. В. Андреевым и др. А. М. Латышенков обосновал целесообразность верховых дамб эллиптического очертания (шпоровидных). Большую полуось эллипса располагают вдоль речного потока (рис. 3.70); ее обычно с двумя основными параметрами: шириной русла реки Вр и коэффициентом стеснения потока подходной насыпью δ= Qnep/Q, где Q – расчетный расход, Qnep – расход, проходивший в бытовых условиях на части поймы, перекрытой насыпью. Проекцию верховой дамбы на ось пути (ширину разворота Ь) определяют по связи b/Bp = f(δ), установленной эмпирическим путем. Отношение полуосей дамбы λ= lв/b также принимают в зависимости от коэффициента δ (в диапазоне от 1,5 до 2,0). Дамбы A.M. Латышенкова получили широкое применение на практике. Однако предложенный им метод расчета лишь приближенно учитывает гидроморфологические характеристики реки и параметры стесненного водного потока.
Требования
Струенаправляющие дамбы должны иметь такое очертание в плане, при котором исключается возможность образования водоворотных зон вдоль дамбы, вызывающих появление воронок местного размыва дна у подошвы сооружения. Поэтому очертание дамбы должно соответствовать траектории граничной струи транзитного потока, безотрывно обтекающей откос сооружения. При эллиптическом очертании верховых дамб размеры полуосей эллипса lв и b определяют через параметры, функционально связанные с геометрическими размерами дамбы и гидравлическими характеристиками потока. Такими параметрами являются радиус кривизны граничной струи (линии тока) в голове дамбы ρmin, равный радиусу кривизны головы дамбы, и отношение полуосей эллипса λ= lв/b. Для эллиптической кривой: lв= λ2ρmin и b= λρmin.
Радиус кривизны граничной линии тока в голове дамбы определяют по формуле:
где vг – скорость водного потока у подошвы головы дамбы; lг – поперечный уклон свободной поверхности воды в голове дамбы. Отношение А полуосей эллипса (дамбы) получено В. Ш. Цыпиным на основе экспериментальных данных с учетом уравнения движения струи при установившемся движении невязкой жидкости:
где vдм, – расчетная скорость потока в створе моста у подошвы струенаправляющей дамбы, определяемая для вертикали с расчетной глубиной потока hдм.
Размеры lв и b относятся к внешней (со стороны русла) бровке верха дамбы. При определении координат x и y внешней бровки верховой дамбы задаются значениями xi и вычисляют (исходя из эллиптического очертания дамбы) соответствующие им величины yi по формуле
По найденным координатам x и y бровку дамбы наносят на план перехода.
Приведенные формулы для ρmin и λ применимы при нормальном пересечении водотока с одной поймой. Считается, что участок реки имеет одну пойму, если по другой проходит менее 5% расчетного расхода. Нормальным считают пересечение водотока, когда угол отклонения створа мостового перехода от перпендикуляра к направлению течения в бытовых условиях при расчетном расходе не превышает 5-10°. При пересечении водотока с двумя поймами расчет начинают с определения размеров струенаправляющей дамбы со стороны поймы, по которой проходит большая часть расчетного расхода. Радиус кривизны граничной линии тока и скорость потока в голове дамбы со стороны противоположной поймы определяют как часть соответствующих параметров на мощной пойме.
Данный метод определения размеров струенаправляющих дамб применим в принципе и при косом расположении створа мостового перехода относительно направления водотока.
Пойменная насыпь, направленная от моста вниз по течению, вызывает образование в паводок на пойме застойной зоны. При значительном падении отметок поймы вниз по течению реки после спада паводка в нижнем углу застойной зоны будет оставаться вода с достаточно большой глубиной, что нежелательно по условиям увлажнения земляного полотна. Чтобы избежать этого, на такой пойме нередко возводят оградительную дамбу с устройством малого водопропускного сооружения в подходной насыпи для выпуска воды из пазухи (рис. 3.71). Для увеличения плавности ввода пойменного потока в отверстие, лучшего обтекания потоком головной части верховой дамбы и уменьшения размыва дна в этой зоне к голове дамбы прибавляют криволинейную приставку с радиусом ρ = 0,2Ь и углом разворота θ = 90-120° (см. рис. 3.70). Размеры низовых струенаправляющих дамб устанавливают в зависимости от принятых размеров верховых дамб. Проекция низовой дамбы на ось х составляет lн = 0,5lв. Низовую дамбу очерчивают по круговой кривой радиусом ρн = lв2/b при угле разворота 7-8°, а затем – по прямой, касательной к круговой кривой в точке С. Безразмерные координаты точки С принимают равными: x/lв = -[(0,12...0,14)]λ и у/b=1-0,01λ2, а точки D конца низовой дамбы: х/1в = -0,5 и у/b=l-0,065λ+ 0,007λ2.
В приближенных расчетах струенаправляющих дамб λ обычно определяют в зависимости от коэффициента s стеснения потока подходами к мосту:
Исходные данные при выборе очертаний и размеров
При окончательном выборе размеров и очертания струенаправляющих дамб следует учитывать топографические и ситуационные условия вблизи моста (наличие на поймах возвышенных мест, конфигурацию русла, расположение протоков и другие местные особенности), влияющие на движение воды в районе мостового перехода. Головные части дамб целесообразно располагать на возвышенных местах пойм. Желательно перекрывать дамбами староречья, затоны и протоки, идущие параллельно руслу, что улучшает обтекание дамб и повышает их устойчивость против подмыва. При необходимости размеры дамб могут быть изменены в большую сторону по сравнению с расчетными. Для увеличения длины вылета lв верховой дамбы обычно устраивают прямую вставку Dlв, сопрягающую расчетную длину вылета с низовой дамбой (рис. 3.72,й). Увеличение размеров дамбы только за счет удлинения вылета 1в (без прямой вставки) не рекомендуется, поскольку в этом случае нарушается плавность обтекания дамбы. Увеличение размеров дамбы в сторону от русла следует осуществлять за счет большей ширины разворота b (рис. 3.72,6). При этом отношение полуосей дамбы λ будет уменьшено по сравнению с расчетным значением. В сложных условиях пересечения водотоков (при интенсивных русловых процессах, групповых отверстиях на переходе и др.) местоположение и размеры дамб уточняют по результатам физического моделирования.
Струенаправляющие дамбы возводят обычно из грунтов близлежащих карьеров. Крутизну откосов принимают с речной стороны, как правило, не круче 1:2, с пойменной – не круче 1:1,5. Откосы дамб следует защитить от продольных течений, а также от волновых и ледовых воздействий каменной наброской или другими укреплениями (например, плитными). Для обеспечения устойчивости укрепления на откосе и защиты подошвы дамбы от подмыва рекомендуется устраивать каменную рисберму (призму). Ширину дамб поверху определяют с учетом организации строительных работ и возможности проезда транспортных средств, доставляющих материалы для ремонта откосных укреплений; она должна быть не менее 3 м. В головной части верх дамбы уширяют до 6 м, что позволяет в случае необходимости производить срочные паводочные ремонты.
На участках пересечения озер, протоков, староречий поперечное сечение дамб усиливают. Для этого уполаживают откосы (до 1:3) или устраивают берму из каменной наброски, бровка которой выше уровня меженных вод на 0,2-0,3 м. Другое решение – отсыпка грунтового тела дамбы между двумя каменными призмами, возведенными на дне протоки (староречья). Ширина этих призм поверху составляет не менее 2 м, а крутизна откосов - 1:2. Отсыпку грунта дамбы ведут с таким расчетом, чтобы ее откосы упирались во внутренние бровки призм, верх которых должен быть на 0,2-0,3 м выше уровня меженных вод.
Верх дамб на всем протяжении проектируют незатопляемым и горизонтальным независимо от продольного уклона водотока. Отметку верха дамбы Нд определяют в зависимости от уровня воды в створе моста, соответствующего наибольшему расходу, глубины воды у подошвы головы верховой дамбы, установленной с учетом предмостового подпора, высоты наката ветровой волны на откос дамбы и др. Сопряжение струенаправляющей дамбы с устоем моста и насыпью подхода должно обеспечивать плавное движение потока без образования местных водоворотов. С этой целью лучше применять обсыпные устои, располагая их таким образом, чтобы омываемый откос дамбы был выдвинут в поток.
Незатопляемые при наивысшем уровне воды поперечные сооружения, примыкающие к насыпи подхода и предназначенные для защиты ее от пойменных течений, называют траверсами, а русловые сооружения, предназначенные выправлять поток в русле, – шпорами и полузапрудами; их высота обычно не превышает верха берегового откоса. Полузапруды частично или полностью затапливаются потоком, проходящим в бровках русла. Система поперечных сооружений при правильном их размещении обеспечивает отжим течения от насыпи или берега, направляя поток вдоль головных частей траверсов или шпор. Между поперечными сооружениями для укрепления откосов используют ослабленные (более простые) способы защиты, учитывающие снижение скоростей течения в зоне подтопляемого откоса.
Траверсы обычно размещают на участке подходной насыпи, имеющей поворот от моста вверх по течению. Они особенно важны при косом пересечении широкого пойменного потока, текущего вдоль насыпи с большой скоростью (см. рис. 3.71). Траверсы не устраивают, когда волновые и ледовые воздействия являются определяющими при назначении укреплений откосов подходных насыпей, т. е. если требуются более мощные укрепления для защиты от волновых или ледовых воздействий, чем от продольных течений вдоль насыпей. При обтекании траверса потоком у его головы образуется местный размыв дна. Чтобы воронка местного размыва не охватила корень траверса и откос насыпи, к которому он примыкает, минимальную длину траверса принимают не менее четырехкратной глубины воды в его голове.
Поперечные сооружения в русле стесняют поток, в связи с чем может чрезмерно возрасти скорость течения. Поэтому длину шпор на криволинейном участке русла (рис. 3.73) ограничивают, принимая ее из расчета преграждения шпорой не более 15% общей площади живого сечения русла при заполнении его водой до бровок. На реках с интенсивным ледоходом, где возможно образование заторов льда, применять русловые сооружения не рекомендуется. Расстояние между полузапрудами, устраиваемыми в русле, обычно принимают не более удвоенной их длины.
Размещение и длину траверсов у подходной насыпи увязывают с размером струенаправляющей дамбы. Головы траверсов следует по возможности располагать на прямой, соединяющей голову верховой дамбы с точкой выхода насыпи за пределы разлива высоких вод. Угол а между линией защищаемого участка насыпи и продольной осью траверса обычно принимают 70-90°. При а = 90° расчетная длина траверса равна физической длине сооружения. Протяженность защитного фронта, создаваемая таким траверсом, оказывается максимальной.
Поперечные сооружения возводят сплошными (из местного грунта с укреплением их откосов) или сквозными: из бетонных прямоугольных массивов со сквозными зазорами между ними (рис. 3.74,а); из сборных железобетонных свай, между которыми уложены железобетонные балки (рис. 3.74,6).