книги / Местный размыв у опор мостов

Журавлев М. М. Местный размыв у опор мостов.— М.: Транспорт, 1984 — 112 с.

В книге описаны методы расчета местного размыва и дан их сравнительный анализ. Предложен метод расчета глубин местного размыва и даны его обоснования. Прлведены данные фактических наблюдений в натурных условиях.

Рассчитана на инженерно-технических работников, зани­ мающихся проектированием мостовых переходов.

Ил. 38, табл. 16. библиогр. 64 назв.

Р ец ен зен т нроф. О. В. Андреев

З аведую щ и й р ед ак ц и ей В. Г. Чванов

Р ед а к то р К. М. Ивановская

МАРК МИХАИЛОВИЧ ЖУРАВЛЕВ

МЕСТНЫЙ РАЗМЫВ У ОПОР МОСТОВ

Обложка художника Е. И. Волкова

Технический редактор Л. Г. Дягилева Корректор-вычитчик С. М. Лобова

Корректор Е. А. Лисицына

Ордена «Знак Почета» издательство «Транспорт», 103064, Москва, Басманный туп., ба

Московская типография ТА 8 ВГО «Союзучетпздат» прн Государственной комитете СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, 107078, Москва, Каланчевский туп., 3/5

^ 3601020000-335

049(01)-84 © Издательство «Трапепорт»,

Ь — ширина опоры Т— удельный вес (у* — воды; Ун — наносив)

С,.— расчетное сиеплсннс и связном грунте

—диаметр фракинн наиос1»н. меньше которого

держится Ъ"> % груша но массе

Р, возвышение 'лементов опоры над дно?. р/^'м^/У)— число Фруда невзмученного но;о|.а'/— средии.! диаметр фрлкинй нг.носов

и=гу"и/^//— число Фруда взмученного >илока Й— ускорение* силы -Тяжести Л— расчетная глубина местного размыва

Ли— фактически измсрспи.-'я глубина местного размыва

к/ Н — глубина потока

*«•: У<« — соответственно коэффициент форм опоры II косин

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Основными направлениями экономическо­ го и социального развития СССР на 1981'—1985 годы и на пе­ риод до 1990 года необходимо улучшить качество строительст­ ва, ремонта и содержания дорог. Необходимо, следовательно, повысить и качество проектирования транспортных сооруже­ ний.

Между тем анализ статистических данных об эксплуатации мостов показывает, что нередки случаи разрушения их из-за подмыва промежуточных опор. Причины этого следует искать прежде всего в несовершенстве методов прогноза местного размыва у опор ‘. И в настоящее время еще в некоторых про­ ектных организациях для прогноза местного размыва исполь­ зуют эмпирические формулы и связи, не подтвержденные на­ турными данными. Отсюда вытекает актуальность совершенст­ вования метода прогноза местного размыва у опор, что позво­ лит обеспечить необходимую глубину заложения их фундамен­ тов и этим повысить надежность мостов в эксплуатации.

Сложное пространственное взаимодействие вихревой струк­ туры потока у мостовой опоры с остальным (невозмущенным) потоком и с грунтом русла средствами одномерной гидравлики описать не представляется возможным. Но выполненное в по­ следние 20 лет большое количество экспериментальных иссле­ дований и привлечение фактически измеренных в натуре глубин местных размывов позволяют выявить главнейшие критериаль­ ные характеристики этого сложного явления и на их основе подойти к решению вопроса.

Описанный подход к явлению позволил разработать новый метод прогнозирования местного размыва, который вошел в практику проектных организаций. Метод Союздорнии позволя­ ет решать некоторые задачи расчета с позиций прикладной

1 Вопросам развития метода прогноза местного размыва и посвящена настоящая книга. В основу ее положены, в первую очередь, результаты ис­ следований, выполненных в последние годы отделом искусственных соору­ жений Всесоюзного дорожного научно-исследовательского института (Союздорннн), а также наиболее существенные работы отечественных и зарубеж­ ных ученых, не потерявших своего значения и в настоящее время.

теории местного разлива, которые раньше решались грубо эмпирически, что приводило к ошибкам (например, экстрапо­ ляция экспериментальных глубин размыва в натуру путем при­ менения жестких переходных коэффициентов, расчет размывов у опор сложной формы и у затопляемых преград), или ис под­ давались решению (обоснование необходимых запасов на зало­ жение фундаментов опор).

На местный размыв у опор мостов ученые и инженеры обра­ тили внимание более полутора столетий назад. В частности, было замечено, что глубина размыва связана с формой опор: прямоугольные опоры вызывают большую глубину размыва, чем опоры с закругленной и, в особенности, с остроугольной лобовой частью. Начались изучения влияния обтекаемости опор на местный размыв (Л. Навье, 1809 г., А. Дюран-Клей, 1887 г., Г. Энгельс, 1843 г., А. А. Гельфер, 1903 г. и др.). Было также выяснено (К. Ж. Минар, 1850 г.), что при подмыве паводком опоры наклоняются навстречу потоку. Следовательно, наиболь­ шая глубина воронки размыва располагается у передней грани опоры.

Исследования влияния формы опор на местный размыв про­ должались п в 30—50 годах текущего столетия. В них уже уделялось взимание распределению струй набегающего на опо­ ру потока. Наиболее полно влияние формы опор на размыв было прослежено в работах Ч. Койтнера (1932 г.) и II. А. Яро­ славцева (1953 г.). В конце 30-х годов в Индии К. К. Ииглис опубликовал свою первую формулу для расчета глубины мест­ ного размыва у мостовых опор. В 1948 г. появились формулы Е. В. Болдакова и А. М. Латышенкова. К этому времени отно­ сится и первая запись в нормативных документах о необходи­ мости учета местного размыва у опор мостов при назначении глубины заложения их фундаментов.

С начала 50-х годов значительно возрастают исследования русловых переформирований у гидротехнических сооружении н

(И. А. Ярославцев, А. М. Латышенков), так и зарубежных уче­ ных (Е. М. Лаурсен, М. Ахмад, Л. Ж- Тизон), в которых мест­ ный размыв связывается со многими факторами и, наряду с эмпирическим подходом к явлению, делаются уже первые по­ пытки теоретических разработок.

В 50-е годы исследования ученых разных стран велись еще разобщенно, что в известной мере тормозило изучение пробле­ мы местного размыва.

Поэтому крупным событием явился XII конгресс Междуна­ родной ассоциации гидравлических исследований (1967 г.), на котором были широко представлены доклады по местному раз­ мыву у опор мостов.

размыва возле заостренных опор существенно меньше, чем у опор с тупым носом (прямоугольная опора, опора с полуцир­ кульным торцом, цилиндр). Если у опор с тупым носом макси­

сторону от носа; чем на большее расстояние, тем больше заост­ рена опора. Чаще всего максимальная глубина размыва у за­

этот фактор учитывается в виде множителя Л'ф, который полу­ чил название коэффициента формы опоры. Обычно прннима ’ Л'ф= 1 для цилиндрической опоры.

За опорой возникает кильватерная система вихрей, причем и непосредственной близости от кормы опоры в зоне разреже­ ния восходящие струи образуют самостоятельные вихри с вер­ тикальной осью вращения. Далее, за кормой вихревые обра­ зования слабеют, но шлейф от повышенной турбулентное!и верхних слоев потока («дорожка Кармана») тянется за кормом на несколько длин опоры.

При косом набеге потока на опору глубина местного раз­ мыва увеличивается (до угла а=45° при квадратных опорах и до а=90° — при прямоугольных) примерно пропорционально возрастанию проекции опоры на плоскость, перпендикулярною направлению потока.

Рядом исследований было установлено, что глубина местно­ го размыва у опор зависит от режима наносов. При непрерыв­ ном поступлении наносов в воронку размыва происходит быст­ рое возрастание глубины, затем она несколько спадает и, пуль­ сируя, устанавливается на некотором своем значении, которое называется равновесной глубиной. Пульсирующий характер кривой объясняется неравномерным поступлением наносов, перемещающихся грядами, и периодическим сползанием верхо­ вого откоса воронки размыва.

При отсутствии поступления наносов в воронку местного размыва (этот случай иногда называют «размывом в чистой воде» или «в осветленном потоке») глубина размыва медленно увеличивается, асимптотически приближаясь к пределу.

Мерой подвижности наносов в реках является скорость потока V, сравниваемая с неразмывающей скоростью оо, кото­ рая характеризует момент начала движения наносов. Разли­ чают два режима наносов: 1— скорость потока превышает неразмывающую скорость (у>Оо)'— наносы поступают в ворон­

ния наносов. По сравнению с первым режимом глубина размы­ ва во втором случае больше (см. п. 4.2) и устанавливается в течение более длительного времени. Режим, когда у= Яо услов­ но, относят ко второму случаю.

При обоих видах режима наносов процесс местного размы­ ва нарушается проходом по реке естественных русловых скоп­ лений (мезаформ) — гряд, побочней и др. Поэтому определе­ ние глубин воронок размыва только путем промеров не всегда оправдано. Как правило, необходима съемка воронки и приле­ гающих площадей русла эхалотированием, что позволит полу­ чить рельефный (в горизонталях) план и по нему определить параметры воронки.

Глубина местного размыва у опор, как и время его форми­ рования, зависит также от рода грунтов русла. При этом раз­ личают несвязные и связные грунты. В значительно большей мере в мировой практике изучен размыв в несвязных грунтах. Размыв в связных грунтах — более сложное явление. Помимо специфических особенностей самого грунта (наличие молеку­ лярных сил сцепления между частицами, объединение их в агрегаты, повышенная плотность грунта), проявляется измене­ ние свойств водного потока — повышается его вязкость, что приводит к некоторому снижению турбулентности и его размы­ вающей способности (см. п. 4.4).

Глубина местного размыва у мостовых опор и регуляцион­ ных дамб имеет свой предел, поскольку главнейшие параметры естественных речных потоков (глубина, скорость и размываю­ щая способность грунтов русла) имеют ограниченное значение. Наибольшие значения глубин воронок местного размыва из

Рис. 2. Примеры повреждения ( а) и разрушения ( б ) мостов из-за подмыва опор

известных (20—30 м) зафиксированы в середине 30-х годов возле регуляционных сооружений моста Хардинг через р. Ганг.

Ограниченность размеров измененной структуры потока возле опор (ширина воронок размыва поперек потока нс пре­ вышает 5—6 ширин опор) и большая глубина воронок размыва позволяют рассматривать эти местные деформации раздельно от общего размыва. Конечную глубину местного размыва обыч­ но отсчитывают от средней отметки дна (в некоторых зару­ бежных источниках ее отсчитывают от отметки паводочного уровня) после завершения общего размыва русла.

Разрушения или повреждения мостов при проходе паводков происходят, как правило, из-за местного размыва у опор. Опо­ ры получают крен в верховую сторону (рис. 2, о), либо полно­ стью теряют устойчивость, вызывая обрушение пролетного, строения (рис. 2, б).