книги из ГПНТБ / Чернышов, Ф. М. Повышение эффективности путевых работ на многорукавных участках судоходных рек учеб. пособие

стоянии наблюдались заторообразования, особое внимание обра­ щалось на обеспечение благоприятных условий для движения ледя­ ных полей .и отдельных льдин в истоках, а также и по остальной ча­ сти тех рукавов, в которые "при проектных условиях устремляется или направляется основная масса льда. Созданию таких условий на многорукавных участках способствуют правильно запроектирован­ ные.запруды, продольные дамбы и направленные по течению полу­ запруды. Характерным примером эффективного использования пе­ речисленных типов сооружений для устранения заторов льда может служить рекомендуемая нами схема выправления Хайтыалахского затруднительного участка р. Лены (см. сооружения 2, 3 и 4 на рис. 56).

Касаясь вопросов заторообразований на судоходных реках, следует добавить, что однорукавные участки, если они являются прямолинейными или слабоизогнутыми, обычно обеспечивают спо­ койное прохождение ледохода. При наличии натурных данных для оценки условий, обеспечивающих беззаторный пропуск льда в от­ дельных рукавах выправляемого участка с разветвленным руслом, можно воспользоваться рекомендациями П. П. Ангелопуло [18], за­ ключающимися в определении критерия К для живых сечений рус­

расстоянии / от уреза, определяющем величину ш с в | .

Что же касается разветвленных участков, на которых в бытовом их состоянии, заторные образования не наблюдались, то с учетом вероятных исключений следует считать, что полное или частичное перекрытие выправительными сооружениями одного или несколь­ ких несудоходных рукавов на участке не будет дополнительно спо­ собствовать образованию осенних и весенних заторов льда в глав­ ном русле реки или судоходном рукаве [19]. Поэтому для них, обыч­ но, не требуется определять указанного выше критерия К и разра­ батывать какие-либо общие мероприятия по предупреждению зато­ рообразований во время ледохода. Это следует хотя бы из того, что перекрытие второстепенных рукавов сооружениями приводит обычно к улучшению условий пропуска льда на участке, по сравне­ нию с бытовым его состоянием за счет увеличения скоростей и глу­ бины потоков в основных судоходных рукавах и, следовательно, ледопропускной способности этих рукавов.

В заключение следует обратить внимание на то, что окончатель­ но выбранная схема путевых мероприятий по коренному улучшению многорукавных затруднительных для судоходства участков свобод­ ных рек должна подкрепляться соответствующими техническими и экономическими расчетными обоснованиями. Намеченную же схему 148

путевых мероприятий для особо сложноразветвленных затрудни­ тельных участков необходимо подкрепить также лабораторными исследованиями и данными практики.

Заметим также, что подробное описание рассмотренных выше

.многорукавных затруднительных участков и приведение по ним ре­ зультатов наиболее важных гидравлических расчетов диктовалось стремлением автора оказать практическую помощь Управлениям пути и судоходных каналов в части получения наиболее полного и объективного представления о возможности решения вопроса по реализации рекомендуемых схем коренного улучшения судоходных условий для этих участков и близких по морфологическому строе­ нию к ним.

Г л а в а III. РАСЧЕТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ ПУТЕВЫХ РАБОТ НА МНОГОРУКАВНЫХ УЧАСТКАХ РЕК

§ 6. О возможности использования основных уравнений

установившегося движения в системе уравнений неустановившегося движения потока

в размываемом русле

Выше отмечалось, что для улучшения многорукавных участков, кроме сооружений меженного регулирования, необходимо использо­ вать как повышенные, так и сооружения весеннего регулирования. К последним двум категориям выправительных сооружений долж­ ны применяться гидравлические схемы расчета, отражающие зако­ номерности движения паводочного потока. Такие схемы основываются на использовании системы уравнений неустановившегося дви­ жения открытых потоков свободных'рек в размываемом русле.

Кроме того, в последние годы все чаще возникает необходимость организации перевозок по боковым и малым рекам в паводковый период. Это требует решения вопросов обеспечения судоходных ус­ ловий на затруднительных участках таких рек применительно к средним и высоким уровням, т. е. только для периода прохождения весенних, осенних, а иногда и летних паводков.

В подобных случаях решение гидравлических задач, например, - о положении уровней воды и деформируемого дна, должно основы­ ваться на использовании для естественных речных потоков следу­ ющей системы уравнений, включающей энергетическое уравнение, уравнение неразрывности, уравнение транспорта наносов и уравне­ ние деформации русла:

неразрывности жидкой компоненты (2). Энергетическое уравнение

(1) в практических расчетах неустановившегося медленно изменя­ ющегося движения речных потоков вполне возможно и допустимо упростить, исключив один или даже два инерционных члена, т. е. заменить его энергетическим уравнением установившегося движе­ ния наносонесущего потока.

С помощью электронно-вычислительных машин система уравне­ ний (1) — (4), записанная в конечных разностях, решается достаточ­ но быстро. Однако в Управлениях пути и каналов МРФ, а также во многих проектных организациях машинный счет еще не получил, внедрения из-за отсутствия ЭВМ. Поэтому в настоящее время еще приходится Ориентироваться и на ручной счет. Это заставляет при* тшмать в расчетах «модификацию» уравнения (2), если, конечно, она оказывается приемлемой для рассматриваемых условий. Так, на­ пример, для расчета отметок гребней повышенных сооружений и. сооружений весеннего регулирования вполне допустимо заменить уравнение (2) уравнением неразрывности для установившегося дви­ жения в виде-— ,(Q)=Q , как обычно делается в расчетахвыправи-

тельных сооружений меженного регулирования. Последнее оправ­ дано следующими положениями:

1. Отметки гребней русловых сооружений устанавливаются ис- . ходя из расчетного паводочного-уровня, отнесенного к определен­ ному моменту времени его наступления. , ',

2. Расчетный паводочный уровень определяется по характерно­ му (руслоформирующему) весеннему расходу с использованием при этом осредненной кривой связи Q—f,(H) вместо характерной для речных потоков кривой расхода петлеобразной формы (рис. 62). 150 ,-;

О п и ш ш ш к п и н le-flH)

3.Протяженность затруднительных многорукавных участков обычно составляет несколько километров, реже несколько десятков километров. Это позволяет при прохождении пологой длинной вол­ ны паводка считать уклон водной поверхности по всей длине участ­ ка постоянным, т. е. принимать для последнего «единый», харак­ терный в расчетном отношении, уровень воды.

4.Учет неустановившегося движения потока в реках больше всего необходим при гидравлической оценке эффективности воздей­ ствия проектируемых выправительных сооружений на русловой ре­

жим участка, поскольку в этом случае может существенно изменить­ ся интенсивность движения наносов по сравнению с таковой при установившемся движении. Следовательно, неустановившееся дви­ жение потока в естественных руслах, главным образом, связано "с вопросами оценки устойчивости судоходных прорезей и их отвалов, а также грунтовых выправительных сооружений с незакрепленным профилем, т. е. с теми вопросами, которые здесь рассматриваются лишь применительно к установившемуся движению жидкости.

5. Можно считать, что выправительные сооружения одних и тех же размеров более активно воздействуют на русловой режим де­ формируемых, русел при неустановившемся движении, чем при уста­ новившемся в связи с большей подвижностью наносов. Поэтому размеры сооружений, полученные исходя из расчетной схемы уста­ новившегося движения потока, содержат некоторый «гидравличе­ ский запас» по размыву перекатов и прорезей на них, что также оп­ равдывает сделанные выше допущения.

Таким образом, можно заключить, что рекомендуемая схема

гидравлического расчета, хотя и имеет различную степень достовер­ ности для весеннего и меженного потоков, в обоих случаях является вполне приемлемой. Введенные в нее упрощения строго теоретиче­ ски не вполне оправданы, но создают определенный запас надеж­ ности гидравлической работы выправительных сооружений. При этом важно, что такой «гидравлический запас» возрастает по мере уменьшения коэффициентов устойчивости донных отложений и ру­ сла реки в.целом. Для условий неразмываемых русел он, как и сле­ довало ожидать, отсутствует. Однако воздействие потока на от­ дельные элементы сооружений при неустановившемся движении становится более активным. Поэтому при возведении повышенных выправительных сооружений и сооружений весеннего регулирова­ ния требования к креплению'их откосов и гребней, дна русла (ос­ нования сооружений), а также прикорневых участков должны быть

ка в очень ограниченном количестве данные экспериментальных и натурных исследований неустановившегося движения наносонесущих потоков в деформируемых руслах указывают на необходимость проявления, большой осторожности при перенесении на этот вид дви­ жения речных потоков зависимостей установившегося и, к тому же, равномерного движения. При наличии в руслах легкоподвижны і грунтов в виде -мелкого и среднего песка такой перенос зависимо­ стей во многих случаях может оказаться полностью исключенным даже при приближенных расчетах [21].

Описываемые ниже способы расчета дополняют или уточняют уже известные и опубликованные в специальной литературе, а так­ же раскрывают содержание вновь разработанных. В отдельных слу­ чаях приводимые расчеты носят общий характер и могут быть ис­ пользованы как для разветвленных, так и неразветвленных русел.

При изложении самих расчетов автор стремился сохранить оп­ ределенную последовательность и их взаимосвязь, что имеет нема­ ловажное значение в процессе проектирования.

§7. Определение расчетных уровней

ирасходов воды при выполнении путевых работ

/.Определение расчетных уровней

При проектировании выправительных сооружений и судоходных прорезей высотное положение уровней воды, принимаемое за рас­ четное, обычно определяется двумя условиями:

а) высотой уровней ледохода, поскольку гребни сооружений могут оказаться выше отметок весеннего ледохода и тогда их ши­ рину и прочность облицовки необходимо значительно увеличить (ширину по гребню принимают большей примерно в два раза, оди­ ночную мостовую заменяют двойной и т. п.);

6) необходимостью оказывать сооружениями активное влияние на формирование устойчивого русла в районе затруднительного участка с целью обеспечения и поддержания на нем расчетных га­ баритов'пути.

Выполнение первого условия важно потому, что для коренного улучшения многорукавных участков рек во многих случаях придет­ ся прибегать к строительству повышенных сооружений и сооруже­ ний весеннего регулирования, которые подвергаются интенсивному воздействию ледовых нагрузок. Поэтому для них должны выпол­ няться соответствующие поверочные прочностные расчеты тела и элементов крепления. Поскольку воздействие льда на русловые и береговые выправительные сооружения может оказаться определя­ ющим фактором при выборе их типов и конструкций, то необходимо произвести оценку ледовых нагрузок для всего характерного в мно­ голетнем разрезе диапазона уровней весенних ледоходов и предше­ ствующих им подвижек льда. Этот диапазон уровней должен опре­ деляться наивысшим и наинизшим уровнями весеннего ледохода, а также наивысшим и наинизшим уровнями первой подвижки льда.

Для высоких сооружений при значительной амплитуде измене­ ний -указанных уровней в качестве расчетного следует еще прини­ мать один из промежуточных уровней, например, отвечающий 50 или 75%-ной обеспеченности в многолетнем ряду.

Чтобы определить, насколько высота проектируемых сооруже­ ний удовлетворяет второму условию, следует установить уровни, соответствующие расходам воды, которые оказывают необходимое влияние на формирование русла в районе переката и за его преде­ лами. В частности, для сооружений меженного регулирования за расчетные следует принимать проектный уровень путевых работ и

т — показатель степени, который для реке песчаными наносами ре­ комендуется принимать равным 2, а для рек с гравийно-галечнымн наносами — 2,5; а — коэффициент, принимаемый равным единице при уровнях, не превышающих бровки пойменных яров, и меньшим единицы — при .более высоких уровнях; если поперечник поймы пре­

работают при верхнем расчетном уровне в затопленном состоянии.

В случаях отсутствия на графике верхнего или нижнего макси­ мумов произведения aQmpI или недостаточности данных для его построения необходимо придерживаться следующих рекомендаций,

т. е. расход воды, работа которого по транспортированию наносов в среднегодовом разрезе соответствует суммарной работе фактиче­ ских расходов воды. Для равнинных рек эквивалентный расход мо­ жет приниматься равным среднеквадратичному расходу за год со стоком и высотой паводка, близкими к средним многолетним. Для

четный уровень для сооружений меженного регулирования. У рав­ нинных рек со снеговым половодьем этот расход обычно превышает среднегодовой на 20—40%.

При отсутствии верхнего максимума (или самого графика) за руслоформирующий'принимается расход, отвечающий среднему многолетнему максимуму весеннего паводка. Из этих условий опре­ деляется и верхний (второй) расчетный уровень для повышенных сооружений.

При проектировании сооружений этого типа очень важно увязы­ вать окончательно принимаемые отметки их гребней с отметками островов и пойменных берегов, а также согласовывать их с услови­ ями прохождения ледохода на данном участке. Первоначальное определение отметок гребней сооружений производится по условию их работы в затопленном состоянии при уровне, соответствующем руслоформирующему расходу.

При проектировании капитальных прорезей оценку их устойчи­ вости следует производить для обоих расчетных уровней (нижнего и верхнего). Это позволяет получить достаточно надёжные данные по ожидаемому обеспечению габаритовпути в меженный период навигации. В случае значительных расхождений в отметках расчет­ ных уровней и уровней планируемых на момент окончания разра-' ботки прорезей, целесообразно произвести третий расчет устойчиво­ сти. Это особенно важно сделать, если указанные уровни, кроме

но, графики на рис. 64, а позволяют установить уровни, при которых

= f ( # ) , либо, что чаще всего имеет место, первоначальное по ходу

шествовали выполнению крупных землечерпательных работ. Следу­ ет учитывать, что при интенсивном землечерпании «вывески» глубин на перекатах всегда имеют повышенные значения по сравнению с естественными наименьшими глубинами в пределах ширины судо­ вого хода. Это тем ощутимее, чем уровень воды ближе к проектно­ му. Поэтому наиболее надежными в оценках расчетных уровней бу­ дут точки, расположенные около пересечения рассмотренных кри­ вых, т. е. точки их сближения (а и б на рис. 64, а). Предпочтение при этом следует отдавать точке верхнего сближения (точке а).

Однако и в этом случае несомненно проявляется эффект при­ ращения габаритов пути за счет землечерпания и его желательно было бы учитывать. Для разных рек и различных способов разра­ ботки судоходных прорезей этот эффект будет также различен. В приближенных расчетах его допустимо не учитывать. В этом случае для определения расчетного уровня могут использоваться широко применяемые в путейской практике графики изменения фактических и плановых (расчетных) судоходных глубин на перекатах в зави­ симости от высоты уровней воды, т. е. графики вида:

Т прк.факт =<Рі(Я) и Г р а с ч = ф 2 ( # )

которые представлены на рис. 64,6. Прием определения расчетного уровня по этим графикам аналогичен описанному выше и легко ус- Ч матривается нарис. 64, б.

Действительно, излагаемый ниже іметод расчета ширины выпра­ вительной трассы приводит к определению следующей зависимости между габаритами пути и гидравлико-морфометрическими пара­ метрами потока-русла: