Мостовой переход
МОСТОВОЙ ПЕРЕХОД - комплекс сооружений, возводимых при устройстве транспортной магистрали (железнодорожной или др.) над водным пространством: рекой, судоходным или оросительным каналом, озером, водохранилищем, морской акваторией – проливом, заливом, морем. Наиболее часто мостовые переходы возводят на пересечениях рек трассой дороги.
Классификация
Такие переходы являются неотъемлемой частью транспортной или транспортных магистралей (последнее соответствует условию, когда в районе перехода река судоходна). В состав мостового перехода (рис. 3.65) входят: мост, обеспечивающий пересечение водотока; подходы к мосту, устраиваемые обычно в виде земляных насыпей, откосы которых периодически или постоянно подтапливаются водой, реже – в виде эстакад, а иногда – выемок в грунте земной поверхности; регуляционные сооружения (струенаправляющие дамбы, траверсы и др.) и защитные устройства (средства укрепления откосов сооружений из грунта и берегов), предназначенные для регулирования водного потока и предохранения моста и подходов к нему от опасных воздействий воды. Мостовой переход является гидротехническим сооружением, поскольку значительная его часть устраивается непосредственно в акватории и подвергается постоянно или периодически воздействию водного потока – течения, волн, а нередко и льда.
При гидравлическом расчете мостового перехода определяющим параметром, характеризующим весь комплекс сооружений, является отверстие моста – расстояние между устоями (или откосами конусов при обсыпных устоях), определяемое при расчетном уровне воды, за вычетом суммарной ширины промежуточных опор. От его размера зависят гидравлические условия в районе перехода, величины размывов дна водотока и, соответственно, потребная глубина заложения фундаментов опор и устоев моста. Кроме того, отверстие определяет соотношение между длиной моста и протяженностью подходных пойменных насыпей, величину подпора воды перед переходом, а также размеры регуляционных и укрепительных сооружений. Таким образом, отверстие моста непосредственно влияет на строительную стоимость всех сооружений мостового перехода; от величины отверстия зависят и эксплуатационные расходы. В каждом конкретном случае пересечения водотока можно установить величину отверстия моста, при котором суммарные затраты на строительство мостового перехода минимальны,- оптимальное отверстие по критерию минимума строительной стоимости; существует также оптимальное отверстие по критерию минимума суммы приведенных строительно-эксплуатационных затрат.
Размещени отверстия
При размещении отверстия на профиле живого сечения реки учитывают: морфологические и ситуационные условия на участке пересечения водотока; распределение расчетных расходов воды в створе мостового перехода – в русле, протоках и на поймах; тип, интенсивность и направленность руслового процесса; геологическое строение долины в створе перехода; условия использования реки для хозяйственных нужд и требования охраны окружающей среды в районе будущего перехода. На судоходных реках при размещении отверстия и разработке схемы моста прежде всего подлежат учету требования судоходства и сплава, а также особенности ледовых явлений.
На реках с четко выраженным руслом устраивают, как правило, одно водопропускное отверстие на переходе — один мост. При концентрации расчетного расхода воды в двух и более местах живого сечения по створу перехода (наличие протоков и рукавов на широкой пойме) нередко устраивают группу водопропускных отверстий (групповые отверстия) – несколько мостов на переходе. Схему моста и длины пролетных строений выбирают на основе технико-экономических расчетов с учетом унификации мостовых конструкций, соблюдения требований судоходства и лесосплава, обеспечения беззаторного пропуска ледохода и карчехода. Кроме того, длина пролетных строений обусловливается экономическими соображениями. Чем больше высота моста и сложнее геологические и гидрогеологические условия, тем дороже опоры и выгоднее увеличение длины пролетов. Поэтому в пределах главного русла и возможных его перемещений целесообразно устраивать более длинные пролеты, чем на поймах, где глубина заложения опор меньше и устройство фундаментов обычно проще и дешевле.
На реках с четко выраженным руслом устраивают, как правило, одно водопропускное отверстие на переходе — один мост. При концентрации расчетного расхода воды в двух и более местах живого сечения по створу перехода (наличие протоков и рукавов на широкой пойме) нередко устраивают группу водопропускных отверстий (групповые отверстия) – несколько мостов на переходе. Схему моста и длины пролетных строений выбирают на основе технико-экономических расчетов с учетом унификации мостовых конструкций, соблюдения требований судоходства и лесосплава, обеспечения беззаторного пропуска ледохода и карчехода. Кроме того, длина пролетных строений обусловливается экономическими соображениями. Чем больше высота моста и сложнее геологические и гидрогеологические условия, тем дороже опоры и выгоднее увеличение длины пролетов. Поэтому в пределах главного русла и возможных его перемещений целесообразно устраивать более длинные пролеты, чем на поймах, где глубина заложения опор меньше и устройство фундаментов обычно проще и дешевле.
Судоходные пролеты мостов располагают с учетом траекторий движения судов, судовых и плотовых составов, а также с учетом возможности изменения судовых ходов при переформировании русла вследствие естественного руслового процесса. В тех случаях, когда направление судовых ходов за время навигационного периода меняется, предпочтение при размещении судоходных пролетов следует отдавать судовым ходам с наибольшей интенсивностью судоходства. Подмостовой габарит судоходного пролета моста ограничивает минимальное поперечное (перпендикулярное оси судового хода) очертание подмостового пространства, предназначенного для пропуска судов, судовых и плотовых составов. Внутрь его не должны заходить никакие элементы моста, в т. ч. части фундаментов, оборудование моста, включая навигационные знаки. Подмостовой габарит (рис. 3.66) определяется: общей высотой Н, включающей высоту h над расчетным высоким судоходным уровнем воды (РСУ), гарантированную глубину d судового хода, отсчитываемую вниз от проектного уровня (ПУ) или от наинизшего судоходного уровня (НСУ), и амплитуду колебаний уровня воды а между РСУ и ПУ (НСУ); шириной b.
Мосты высокого уровня проектируют, как правило, не менее чем с двумя судоходными пролетами: основным – для низового направления движения судов; смежным – для взводного направления (вверх по течению). Когда в рассматриваемом створе мостового перехода ширина водного пути с гарантированными глубинами d судового хода недостаточна для размещения двух судоходных пролетов, а также при сооружении разводных мостов предусматривают один судоходный пролет. Очертание подмостового габарита следует выдержать прямоугольным, соответствующим контуру ABCD на рис. 3.66. На участках водных путей 1-4-го классов для неразводных пролетов мостов с криволинейным очертанием нижнего пояса пролетных строений, располагаемых в стесненных условиях, допускается принимать очертание подмостового габарита по контуру AEFKLD. При этом высоту h и ширину b устанавливают по согласованию с организациями, регулирующими судоходство, но не менее 2/3h и 0,7b соответственно.
Наряду с соблюдением требований судоходства и сплава при установлении длин пролетных строений должен обеспечиваться беззаторный пропуск ледохода и карчехода. При наледных явлениях и карчеходе длины пролетов должны быть такими, при которых опоры не попадают в русло реки или расстояние между опорами составляет не менее 15 м. Для предотвращения снегозаносимости отверстие моста должно быть не менее 12 м, а низ пролетных строений – возвышаться над уровнем межени (уровнем ледостава) не менее чем на 3,5 м. В этом случае снег выдувается из-под мостового сечения и, кроме того, понижается температура вечномерзлых грунтов. Также желательно, чтобы на любом мостовом переходе длина пролетов lп.с. удовлетворяла условию: l.с.>(5-6)bo/cosa, где bo-ширина опоры; a- угол отклонения створа перехода от нормали к направлению течения.
Проектирование мостового перехода
Проектирование мостового перехода через водотоки основано на всесторонней оценке воздействия речного потока на водопропускные и подтопляемые сооружения. Наибольшее воздействие водного потока имеет место в периоды прохождения высоких паводков и половодий. Оно проявляется прежде всего в виде деформаций подмостового русла в целом (общий размыв под мостом), локальных деформаций дна у опор мостов и голов регуляционных сооружений (местный размыв), а также в подмывах дна у насыпей подходов, регуляционных сооружений и берегов. Размеры этих деформаций непосредственно зависят от величин максимального расхода и соответствующего ему уровня воды (важнейшие гидрологические характеристики водотока). Нормы проектирования мостового перехода регламентируют расчетные значения максимального расхода и соответствующего ему уровня через вероятность их превышения.
Важнейшим вопросом, подлежащим решению при проектировании мостового перехода, является прогноз будущих деформаций русла водотока на участке пересечения реки. Наряду с общим размывом подмостового сечения у опор моста могут возникать локальные понижения отметок дна водотока – воронки местного размыва. Появление воронки размыва является следствием возмущения водного потока, непосредственно набегающего на препятствие (опору). Глубина воронки зависит от формы и размеров (прежде всего ширины) подводной части опоры, ее конструктивных особенностей, направления течения перед опорой (угла набегания потока по отношению к продольной оси опоры), характеристик грунтов, непосредственно залегающих у опоры, а также от глубины у опоры после общего размыва. В отличие от общего, местный размыв распространяется на ограниченную территорию вокруг опоры. Местный размыв дна наблюдается также у голов регуляционных сооружений (струенаправляющих дамб и траверс). Результаты расчета всех видов размыва дна водотока (т. е. глубина суммарного размыва) являются основой для назначения отметки заложения фундаментов мостовых опор.
Проектная линия (продольный профиль) транспортной магистрали в пределах мостового перехода может иметь четыре характерных участка (см. рис. 3.65): спуск в речную долину или другую акваторию; пойменная насыпь подхода к мосту; подъем, сопрягающий пойменную насыпь с мостом; собственно мост. В некоторых случаях отдельные участки могут отсутствовать. Контрольными точками, ограничивающими снизу положение проектной линии продольного профиля ж. д. в пределах перехода, являются минимально допустимые отметки проектной линии в судоходных пролетах, в несудоходных и несплавных пролетах, на пойме. При проектировании продольного профиля также необходимо учитывать крутизну ограничивающего (наибольшего) уклона, принятого на магистрали, допускаемый уклон на мосту, а также нормы сопряжения смежных элементов продольного профиля; намеченный план трассы на участке пересечения реки и возможные отметки проектной линии на подходах к реке. Комплексный учет перечисленных факторов позволяет запроектировать такой продольный профиль ж. д. на участке мостового перехода, при котором обеспечивается минимальная высота моста и минимальный объем земляных работ на подходах.
Если минимально допустимые отметки проектной линии в судоходных и несудоходных пролетах Нmin(с) и Hmin(nc), а также на пойме Hmin(n) между собой мало различаются, то продольный профиль дороги в пределах всей ширины разлива реки обычно проектируют площадкой или однообразным небольшим уклоном (рис. 3.67,а). При несущественных различиях в отметках Hmin(c) и Hmin(nc) все пролеты моста целесообразно располагать на горизонтальной площадке (рис. 3.67.б). Мост целиком располагают на горизонтальной площадке и в том случае, когда минимальная длина l элемента профиля больше длины моста L (рис. 3.67,в). Однако в тех случаях, когда размещение моста на уклоне позволяет существенно понизить его высоту, а также высоту подходных насыпей, мост целиком или отдельные пролеты целесообразно располагать на уклонах (рис. 3.67.д). При этом в пределах пролетных строений, имеющих безбалластную проезжую часть, уклон ограничивают значениями, рекомендуемыми нормами проектирования (не более 10%о). На мостах, у которых ж.-д. путь устраивают на балласте, уклон может достигать предельного значения – ограничивающего уклона, принятого на данной линии.
Минимальное расстояние от точек перелома профиля до концов пролетных строений с безбалластной проезжей частью должно быть не менее тангенса Tв вертикальной кривой (рис. 3.67,г,д). В пределах пролетных строений, имеющих путь на балласте, возможно устройство вертикальной кривой, поэтому на таких пролетных строениях допускаются переломы профиля. Нормы сопряжения смежных элементов профиля должны соответствовать требованиям СТН Ц-01-95.
Если одна из пойм имеет небольшую протяженность, по условиям подхода и проектирования сопряжений смежных элементов профиля не всегда удается в пределах этой поймы достигнуть отметки Hmin(n) (см. рис. 3.67,е,ж), а в некоторых случаях отметка проектной линии на короткой пойме будет совпадать с Hmin(с) (рис. 3.67,д). При пересечении узкой долины реки и в стесненных условиях подхода к ней отметки проектной линии в пределах мостового перехода оказываются значительно выше минимально допустимых на мосту и пойме. В этих условиях целесообразно располагать большую часть перехода, включая мост, на уклонах (рис. 3.67,е,ж), что обеспечивает заметное уменьшение высоты моста и подходных насыпей. В ряде случаев может оказаться целесообразным устройство эстакады взамен высокой подходной насыпи (более 12-15 м).
Проектирование мостового перехода предусматривает, как правило, разработку нескольких вариантов, отличающихся местом пересечения водотока, отверстием моста, схемой расположения и размерами регуляционных и укрепительных сооружений и др. Намеченные варианты подлежат технико-экономическому сравнению с целью выбора лучшего. Для обоснованного выбора вариантов пересечения реки и проектирования мостового перехода выполняют комплекс изыскательских работ, в результате которых получают данные о топографических и инженерно-геологических условиях и о ледовых явлениях в районе перехода, о гидрологическом режиме и русловом процессе водотока, а также сведения о наличии строительных материалов. Изыскательские работы обычно начинают с установления благоприятных мест пересечения реки. При рассмотрении вариантов учитывают: общее направление трассы проектируемой магистрали; особенности рельефа склонов, примыкающих к бортам долины водотока; особенности гидрографической сети долины; морфологические и гидрологические характеристики реки; инженерно-геологические условия; требования судоходства и сплава.
До начала полевых работ по имеющимся картографическим, топографическим и аэрофотосъемочным материалам составляют ситуационно-гидрологическую масштабную схему на участке возможного пересечения водотока (рис. 3.68). Масштаб схемы зависит от ширины водотока и изменяется в пределах от 1:5000 (при ширине реки в межень менее 500 м) до 1:25000 (при ширине реки более 500 м). Ситуационно-гидрологическую схему используют для корректировки в плане намеченной предварительно оси мостового перехода, обоснования расположения регуляционных и защитных сооружений, морфометрических и гидрометрических створов, будущих строительных площадок. Она является также топографической основой для инженерно-геологической съемки. Наличие ситуационно-гидрологической схемы обеспечивает возможность проектирования всего комплекса сооружений мостового перехода.