книги / Особенности проектирования мостовых переходов при различных типах руслового процесса

14. Трассирование мостовых переходов следует производить с учетом типа руслового процесса на данном участке реки. Этот вопрос подробно рассматривается в последующих разделах учебного пособия.

Вопросы для самопроверки

1.Что называется мостовым переходом?

2.Перечислите основные элементы мостового перехода.

3.В какой части живого сечения реки движение воды происходит круглогодично?

4.Какие характерные участки имеют подходы к мосту?

5.С какой целью на мостовых переходах устраиваются регуляцион­ ные сооружения?

6.Какие существуют виды регуляционных сооружений?

7.Какое назначение имеют укрепительные сооружения на мостовых

переходах?

8.Какие факторы необходимо учитывать при проектировании мосто­ вых переходов?

9.Какой период работы мостового перехода является наиболее ответ­ ственным?

10.Какая вероятность превышения расчетного расхода принимается в настоящее время при проектировании мостовых переходов на автомобиль­ ных и железных дорогах?

11.Что представляет собой расчетный расход с вероятностью превы­ шения 0,33%?

12.Перечислите основные требования, которые необходимо соблю­ дать при трассировании мостовых переходов.

13.Как рекомендуется располагать ось мостового перехода по отно­ шению к направлению руслового и пойменного потоков при расчетном паводке?

14.Когда косой мостовой переход может оказаться экономически бо­ лее выгодным, чем нормальный? ■

15.Почему трасса косого мостового перехода в большей степени со­ ответствует принципам архитектурно-ландшафтного проектирования ав­ томобильных дорог, чем трасса нормального мостового перехода?

16.Почему повороты трассы мостового перехода в пределах поймы

являются весьма нежелательными?

17. Целесообразно ли трассировать мостовой переход на таких участ­ ках реки, где поймы недостаточно высоко приподняты над уровнем ме­ женных вод, являются очень широкими и имеют озера, староречья, прото­ ки и болота?

18. Почему при трассировании мостового перехода рекомендуется из­ бегать пересечения островов?

11

19.Целесообразно ли располагать створ мостового перехода на пере­ катном участке реки?

20.Почему не рекомендуется трассировать мостовой переход непо­

средственно ниже устья притока?

2.РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ НА РЕКАХ

ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Для возможности прогнозирования деформаций подмостового русла необходимо иметь достаточно полное представление о характере природ­ ных переформирований русла реки. Природные деформации русла явля­ ются следствием естественных русловых процессов реки. Очень важно уметь прогнозировать природные русловые деформации, которые могут произойти в течение срока службы мостового перехода.

Прогнозирование деформаций живых сечений русла производится для установления наиболее неблагоприятных условий работы опор моста при наличии общего и местного размывов. Деформации русла в плане прогно­ зируются с целью обеспечения рационального проектирования подходов к мосту и регуляционных сооружений, а также для решения вопроса о рас­ положении моста в плане.

В тех случаях, когда при проектировании мостового перехода при­ родные деформации русла не учитываются, иногда создаются неблагопри­ ятные условия работы перехода, угрожающие его устойчивости. В качест­ ве примера можно привести мостовой переход через р.Суру у г.Пензы [1]. На рис.4 показаны профили живых сечений этой реки в месте перехода до постройки моста (пунктирная линия) и через 75 лет после его сооружения (сплошная линия). В результате процесса меандрирования произошло бо­ ковое перемещение русла, которое не было учтено при проектировании перехода, и одна из мостовых опор, к которой переместилось русло, оказа­ лась под угрозой подмыва. Для обеспечения устойчивости мостового пе­ рехода потребовалась реконструкция указанной опоры.

Природные деформации русла реки обусловливаются типом руслово­ го процесса. Под р у с л о в ы м п р о ц е с с о м понимают те изменения морфологического строения речного русла и речной'поймы, которые проис­ ходят под воздействием водного потока, транспортирующего наносы.

Интенсивность руслового процесса на каждой реке зависит от сле­ дующих факторов: водности потока, то есть расхода воды; уклона реки; характера грунтов , которые слагают русло, и наличия растительности (травяного покрова, кустарника и т.д.).

Для русел равнинных рек характерно образование таких формирова­ ний, как плесы, перекаты и побочни (рис.5). Под влиянием центробежных сил, возникающих на закруглениях русла, и кориолисовых сил инерции в

12

речном потоке создается замкнутая поперечная циркуляция, при которой наносы сносятся в одну сторону. В результате этого то у одного, то у дру­ гого берега русла располагаются в шахматном порядке значительные скопления> ’ наносов - побочни (рис.5). Напротив, побочня, у противоположного берега, где поверхностные струи циркуляционного течения опускаются на дно, образуется плесовая лощина. На участках русла между смежными плесами располагаются перекаты, где откладываются наносы, соединяю­ щие побочни у разных берегов.

УВВ

Рис.4. Профили живых сечений р. Суры в створе мостового перехода: 1 - до постройки моста; 2 - через 75 лет после сооружения моста; УМВ - уровень меженных вод; УВВ - уровень высоких вод

На перекатах судоходных рек за период навигации иногда наблюда­ ются значительные колебания отметок дна, как это видно из табл.2 [15].

На многих реках происходят весьма значительные плановые дефор­ мации русла. Например, русло р.Волги на участке ниже г.Ульяновска сме­ щается со скоростью 14-60 м/год, а у г. Саратова эта скорость достигает 100 м/год; русло р. Дона у станицы , Потемкинской смещается со скоростью 60-130 м/год [15].

Натурные наблюдения, произведенные на р.Куре ниже Мингечаурского водохранилища, показали, что в результате размыва вогнутого бере­ га излучины русло реки за половодье смещается на 50-100 м [37].

13

Рис.5. Характерные формирования речного русла равнинной реки: 1 - плесовая лощина; 2 - перекат; 3 - побочень

Раньше (примерно до середины 60-х годов прошлого века) при проек­ тировании мостовых переходов и других гидротехнических сооружений пользовались классификацией русловых процессов, предложенной К.И-Россинским и И.А.Кузьминым [40, 43]. В соответствии с этой класси­ фикацией русла рек подразделяются на три типа: прямолинейные (или слабо изогнутые), извилистые (меандрирующие) и разбросанные (блуж­ дающие). Каждому типу русла соответствует вполне определенный харак­ тер повторяющихся деформаций. Прямолинейным руслам свойственно пе­ риодическое сужение и расширение; извилистым руслам - склонность к меандрированию, то есть к развитию излучин, а разбросанным руслам - стремление непрерывно изменять свое направление (такие русла блуждают в наносах, отложенных рекой).

14

Прямолинейные (или слабо изогнутые) русла (рис.6) характерны для крупных многоводных рек с весенними половодьями или летними павод­ ками. Коренное русло таких рек глубокое; оно пропускает во время поло­ водья или паводка значительную часть общего расхода водотока. Поймен­ ные берега, как правило, высокие; они закреплены растительностью. Верх­ ние слои поймы обычно сложены связными грунтами.

Большие грядовые скопления наносов в русле - побочни - постепен­ но перемещаются вниз по течению, периодически прикрывая отдельные участки берегов от размыва. Благодаря этому русло периодически сужает­ ся, а затем вновь наступает период его расширения.

Рис.6. Прямолинейное (или слабо изогнутое) русло: 1 - плесовая лощина; 2 - перекат; 3 - побочень

Извилистые (меандрирующие) русла (рис.7) типичны для сравнитель­ но небольших равнинных рек с короткими весенними половодьями или летними паводками. Такие реки имеют невысокие поймы, сложенные лег­ ко размываемыми песчанистыми и илистыми грунтами. Поэтому размыв пойменных берегов русла происходит быстро. Медленно надвигающиеся сверху песчаные гряды не успевают прикрыть размываемый берег, и русло реки в плане искривляется. В течение меженного периода речной поток протекает по искривленному руслу, вследствие чего возникает поперечная циркуляция с донным течением, направленным от вогнутого берега к вы­ пуклому. Поэтому донные наносы откладываются у выпуклого берега, об­ разуя там прибрежную отмель. У противоположного размываемого вогну­ того берега по длине излучины (меандры) образуются плесовые лощины с большими глубинами.

Термин «меандрирующее русло» произошел от слова «меандр» - так называлась в древности река Большой Мендерес , русло которой в нижнем

‘^Большой Мендерес (бывш. Меандр) - река на западе Турции. Длина реки 380 км. Она берет начало на Анатолийском плоскогорье и впадает в Эгей­ ское море.

15

течении очень извилистое и имеет правильные по своим очертаниям излу­ чины (рис.8). Слово «меандр» стало обозначать излучину, а реки, имею­ щие излучины, которые закономерно переходят одна в другую, стали на­ зывать меандрирующими.

Э г е й с к о е море

Рис.8. Схема реки Большой Мендерес (бывш.Меандр)

16

Разбросанные (блуждающие) русла (рис.9) свойственны предгорным рекам с длительными паводками. Берега и дно таких рек обычно сложены из одного и того же сыпучего материала, принесенного с вышерасположенных участков реки. В этих условиях русло реки легко разбивается на отдельные рукава и протоки, которые отделяются друг от друга скопле­ ниями наносов в виде островов. Во время очередного паводка эти скопле­ ния размываются и заменяются новыми отложениями, что приводит к из­ менению конфигурации сети рукавов. Некоторые рукава, заполняясь нано­ сами, отмирают, и взамен таких рукавов возникают новые. Таким образом, между коренными берегами реки образуется широкая русловая зона, по которой свободно блуждает разбитое на рукава русло.

В настоящее время при проектировании мостовых переходов и других гидротехнических сооружений применяют классификацию русловых про­ цессов, разработанную в Государственном гидрологическом институте Н.Е.Кондратьевым и И.В.Поповым [4, 15]. Различные виды речных мор­ фологических структурных образований они подразделяют на три группы: малые русловые формы (микроформы), средние русловые формы (мезоформы) и большие речные формы (макроформы).

3

Рис. 9. Разбросанное (блуждающее) русло:

1 - устойчивая линия берега; 2 - действующие русла;

3 - русла, брошенные рекой

М и к р о ф о р м ы представляют собой песчаные гряды, размеры которых во много раз меньше глубины и ширины потока в русле. Возникновение этих гряд обусловлено турбулентностью речного потока. Микроформы определяют степень шероховатости дна. Они обладают способностью быстро переформиро­ вываться при изменении скоростного поля потока.

М е з о ф о р м ы представляют собой крупные подвижные песчаные скоп­ ления в русле реки в виде больших пологих гряд. К ним относятся ленточные гряды, побочни и осередки. Размеры мезоформ соизмеримы с глубиной и шири­ ной потока в русле.. Мезоформы обычно образуются в паводочный период, но

17

могут сохраняться, почти не деформируясь, в течение всего годового гидрологи­ ческого цикла. Это значит, что при изменении скоростного поля потока мезоформы изменяются мало, то есть они представляют собой сравнительно устой­ чивые морфологические образования.

М а к р о ф о р м ы представляют собой сложный комплекс морфологиче­ ских образований в речном русле, которые определяют его внешний вид. Мак­ роформы развиваются в условиях внутригодовой смены расходов воды и зависят от характеристики жидкого и твердого стока.

Макроформы и мезоформы определяют тип руслового процесса. Н.ЕЛСондратьев и И.В.Попов различают следующие типы руслового про­

цесса^, 15]:

1)ленточно-грядовый тип;

2)побочневый тип;

3)ограниченное меандрирование;

4)свободное меандрирование;

5)незавершенное меандрирование;

6)осередковый тип;

7)пойменную многорукавность.

Осередковый тип руслового процесса, в свою очередь, подразделяется на два подтипа:

1)русловую многорукавность;

2)блуждание русла.

Побочневый тип руслового процесса соответствует первому типу классификации К.И.Россинского и И.А.Кузьмина. Свободное меандриро­ вание и незавершенное меандрирование соответствуют второму типу ука­ занной классификации. Блуждание русла соответствует третьему типу той же классификации.

Каждый из указанных типов руслового процесса можно опознавать по крупномасштабным картам, аэрофотоснимкам и путем осмотра участков реки в натуре.

Следует заметить, что в зависимости от конкретных местных условий одна и та же река на разных участках может иметь различные типы русло­ вого процесса. В этом отношении весьма интересна р.Ока. На этой реке участки с побочневым типом руслового процесса непосредственно сменя­ ют участки, где наблюдается перемещение ленточных гряд. В частности, появление побочней связано со значительным увеличением водности реки в результате впадения в р.Оку крупного притока - р.Угры. На тех участках, где долина р.Оки имеет сужения, наблюдается ограниченное меандрирова­ ние. На многих участках реки, где пойма достигает большой ширины, про­ исходит свободное меандрирование. Наконец, имеются и такие участки, где русловой процесс осуществляется по типу незавершенного меандрирования.

Можно привести и другие примеры. На участке р.Инзер (Южный Урал), находящемся в пределах узкой горной долины, наблюдается огра-

18

ниченное меандрирование, а в нижнем течении реки, где она выходит из гор, русловой процесс происходит по типу свободного меандрирования. На р.Зее выше г.Зеи имеются участки с побочневым типом руслового процес­ са и со свободным меандрированием.

Иногда наблюдается совместное развитие двух и даже трех типов ру­ слового процесса на одном и том же участке реки. При этом одним из ком­ понентов обычно является побочневый тип руслового процесса [3]. На­ пример, его комбинация с незавершенным меандрированием встречается на средней и нижней Оке; здесь движущиеся побочни наблюдаются как на излучинах, так и на спрямляющих протоках. Комбинацию побочневого ти­ па руслового процесса и русловой многорукавности можно встретить на р.Северной Двине и ее притоке Вычегде.

При проектировании мостового перехода необходимо знать, какой тип руслового процесса имеет место на данном участке реки. Однако транспортные организации, занимающиеся проектированием мостовых пе­ реходов, обычно не ведут продолжительных наблюдений за русловым процессом. Поэтому для получения сведений о деформациях русел проек­ тировщики собирают материалы, которыми располагают различные орга­ низации, связанные с использованием данной реки. Если мостовой переход проектируется через судоходную реку, то необходимые сведения можно получить в бассейновых управлениях и в технических участках водного пути Министерства речного флота.

Полезными являются картографические и аэрофотосъемочные мате­ риалы. Они позволяют установить тип руслового процесса на участке реки, где проходит трасса мостового перехода, и дать качественный прогноз возможных деформаций русла на будущий период.

При производстве изысканий мостового перехода тип руслового про­ цесса устанавливают путем осмотра участка реки в натуре. Рекомендуется производить опрос старожилов, проживающих в прибрежных районах (ба­ кенщиков, паромщиков, рыбаков). Они MOiyr сообщить полезные сведения о характере русловых деформаций на данном участке реки (например, о развитии излучин, перемещении побочней, образовании протоков и т.д.).

Вопросы для самопроверки

1.Почему при проектировании мостовых переходов необходимо учи­ тывать природные деформации русла?

2.К каким нежелательным последствиям может привести игнориро­ вание природных деформаций русла при проектировании мостовых пере­ ходов?

3.Что называется русловым процессом?

4.Какие формирования характерны для русел равнинных рек?

19

5.Под влиянием каких сил в речном потоке создается замкнутая по­ перечная циркуляция?

6.Объясните механизм образования побочней и плесов.

7.Какие формирования располагаются на участках русла, находящих­

ся между двумя смежными плесами?

8.Какие три типа речных русел различали К.И.Россинский и И.А.Кузьмин?

9.Для каких рек характерны прямолинейные (или слабо изогнутые)

русла? Каковы их отличительные особенности? Почему такие русла пе­ риодически сужаются и расширяются?

10.Для каких рек типичны извилистые (меандрирующие) русла? Ка­ ковы их характерные особенности?

11.Каким рекам свойственны разбросанные (блуждающие) русла? Укажите их отличительные особенности.

12.На какие три группы подразделяются речные морфологические структурные образования?

13.Что представляют собой микроформы? Чем обусловлено их воз­ никновение?

14.Каковы характерные особенности мезоформ? В какой период они обычно образуются?

15.Что представляют собой макроформы?

16.Какие типы руслового процесса различают Н.Е.Кондратьев и И.В.Попов?

17.Может ли одна и та же река иметь различные типы руслового про­ цесса на разных участках?

18.Может ли происходить совместное развитие различных типов руслового процесса на одном и том же участке реки?

19.Как определяют тип руслового процесса на данном участке реки при производстве изысканий мостового перехода?

20.Какими способами можно установить тип руслового процесса при проектировании мостового перехода?

3.ЛЕНТОЧНО-ГРЯДОВЫЙ ТИП РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА

При этом типе руслового процесса основные переформирования русла выражаются в перемещении (сползании) по нему средних морфологиче­ ских форм - ленточных гряд*1 (рис. 10); плановые деформации берегов рус­ ла протекают очень медленно или вовсе отсутствуют. Ленточная гряда представляет собой крупное песчаное скопление наносов, которое занима-

4)Гряды называются ленточными потому, что в плане они напоминают волны, которые образуются при упражнениях с обычной лентой.

20