книги / Переходы через водотоки

ПЕРЕХОДЫ

ЧЕРЕЗ

ВОДОТОКИ

Под редакцией канд. техн. наук Л. Г. Бегама

М о с к в а « Т р а н с п о р т » 1973

УДК 627.15 : 624.21

ый н М. К. Изд-во «Транспорт», 1973, стр. 1—456.

В книге изложены методы и способы выполнения подгото­ вительных и полевых (топографических, гидрометрических и геологических) работ, а также гидрологические и морфометри­ ческие обследования при изысканиях переходов через водо­ токи.

Приводятся методы гидрологических расчетов при проекти­ ровании переходов. По-новому представлены некоторые воп­ росы гидрологических расчетов, разработанных в СССР и за рубежом. На основе последних исследований изложены расчеты русловых деформаций и основных размеров сооружений мосто­ вых переходов с учетом долгосрочных прогнозов развития рус­ ловых процессов. Даны рекомендации по компоновке сооруже­ ний переходов на реках различных типов.

Излагается методика технико-экономических обоснований выбора типа перехода и сравнения его вариантов.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся изысканиями и проектированием железных и автомобильных дорог.

Рис. 174, табл. 74, библ. 165.

Вкниге § 1, 22, 23, 35, 38 и 66 написаны д-оом техн. наук

Е.В. Болдаковым; § 7, 9—12, 34, 36, 37, 41—47, 51—54 — канд.

60, 67, 68, 71 — инж. Л. Л. Лиштваном; § 4, 5, 8, 27, 39, 40, 49,

Б. Ф. Перевозниковым и Л. Л. Лиштваном; § 61, 62 и 64 — сов­ местно Б. Ф. Перевозниковым и Л. Г. Бегамом.

„3181-063

© Издательство «Транспорт», 1973 г.

венных руслах. Это он объяснял тем, что размывы на реке воспол­ няются наносами, пришедшими сверху. Перекрытие поймы подхо­ дами увеличивает расход и скорость под мостом, где возникает размыв, который, по предположению Н. А. Белелюбско-го, должен прекратиться, когда восстановится бытовая скорость. Поэтому для расчета отверстия за основу следует принимать бытовую скорость в русле Орб. Отверстие моста через р. Волгу было им рассчитано на бытовую скорость около 1,6 м!сек при песчаном русле. Отвер­

стие моста по Белелюбскому определяется по формуле

|ыУрб (Я рб “Ь А Я р б)

Позднее оказалось удобней определять потребную рабочую пло­

где Р — коэффициент размыва.

Для уменьшения отверстия моста применяли срезку поймы под уровень средней межени. Скорость под мостом на срезке прини­ мали равной скорости в русле.

Инженер Белинский в 1877 г. составил таблицу, по которой по площади водосбора на переходе для средних условий можно было определить требуемую площадь под мостом. Этот метод не при­ вился, так как слишком различными оказались климатические, си­ туационные и геологические условия на разных переходах. В 1914 г. инженер А. А. Каншин предложил преобразование формулы Шези — Базена, которое позволяет определять рабочую площадь под мостом без расхода и бытовой скорости (метод гидравлических эквивалентов). По Каншину после размыва под мостом также со­ храняется бытовая скорость в русле.

На изысканиях мостовых переходов через реки Волгу и Оку у г. Горького в 1928 г. и у г. Саратова в 1929 г. были разработаны методика гидрометрических работ на крупных реках и широких поймах и конструкция оборудования.

Центральный институт строительства и проектирования (ЦИС) в 1930— 1931 гг. организовал гидрометрические наблюдения и мор­ фометрические обследования на ряде мостовых переходов, в ре­ зультате которых были изменены многие рекомендации по изыска­ ниям. Е. В. Болдаковым был разработан метод натуральных пло­

в которой для каждого грунта была приведена определенная ско­ рость в русле. М. Ф. Срибный опубликовал работу о коэффициен-

4

тах шероховатости, которая внесла большие изменения <в методику морфометрических расчетов. В последующем выявилось, что сред­ няя скорость увеличивается после размыва при той же донной за счет изменения эпюры скорости на вертикали. Наблюдения пока­ зали, что под мостами в пойменной части скорости могут быть меньше скорости в русле. Вследствие такого распределения скоро­ сти и расхода размыв под мостом в русле может быть больше рас­ четного, а на пойме меньше, чем при расчете на одинаковую скорость. Начиная с конца 40-х годов по расчету размыва под­ мостовых русел был сделан ряд предложений (Л. Л. Лиштвана,

О.В. Андреева, И. И. Херхеулидзе и др.).

Врезультате исследований, проводившихся с 50-х годов, выя­

вилась роль наносов в расчете гидротехнических сооружений и мостовых переходов. До настоящего времени не полностью еще разрешен вопрос об отмостке, т. е. вымыве только мелких частиц грунта при размыве, в то время как крупные частицы потоком не выносятся. Остается неясной роль пойменных потоков при размы­ ве. По пойме идет чистая вода, в подмостовом русле она разбав­ ляет нанрсы и может увеличить размыв. С другой стороны, пой­ менный поток, увеличивая бытовой расход перед мостом, размы­ вает берега, углубляет русло и является причиной увеличения рас­ хода наносов, а следовательно, и уменьшения размыва.

Отверстие моста стесняет живое сечение по оси перехода по рас­ ходу обычно в 1,2—2 раза, иногда и в 4 раза, а по площади до 5 и более раз. Вследствие стеснения возникает подпор. Плавный проход потока под мостом должен обеспечиваться регуляционными сооружениями в виде дамб. Вопрос осложняется, когда направ­ ление трассы проходит ненормально к долине и руслу. В таких и других сложных случаях желательно исследование на модели.

Первые регуляционные сооружения были осуществлены при постройке железной дороги Москва — Нижний Новгород в 1868 г. на четырех переходах р. Клязьмы,затем в 1872 г. на р. К»виршга в Закавказье, в 1880 г. на реках Урале, Днепре и Западном Буге. Регуляционные сооружения с 1880 г. строили в Индии в весьма сложных условиях. Ранних сведений о сооружениях в других стра­ нах не сохранилось.

Первые дамбы были криволинейными. В 1890— 1900 гг. счита­ ли, что у моста надо создавать канал с прямыми дамбами. По этой системе дамбы были построены на ряде мостовых переходов, например, через р. Оку у г. Мурома. На этом переходе при одно­ сторонней пойме, пропускающей 50% расхода, в 1910— 1912 гг. у моста отверстием 750 м была построена почти прямолинейная дамба длиной 530 м. В результате пойменный поток был отброшен

к нагорному берегу и 7з отверстия со стороны дамбы стала про­ пускать в половодье только 10% расхода. В остальной части моста произошли размывы. Повторить такое ошибочное решение предпо­ лагали на переходе р. Волги у г. Горького в 1931 г., но гидромет­ рические наблюдения на этом переходе и переходе у г. Мурома показали, что необходима криволинейная дамба со стороны поймы.

5

Регуляционные сооружения и подходы к мостам требуют за­ щиты от подмыва, ледохода и волны, а в некоторых случаях от фильтрации. Конструкции укреплений назначали по малому коли­ честву опытов. Плотины, обвалования и мостовые переходы в XIX и начале XX в. рассчитывали на высокий исторический уро­ вень, который считался наивысшим возможным на данной реке. С годами начали проходить более редкие паводки, отчего разру­ шались плотины и другие сооружения.

' В гидрологических расчетах по определению максимальных расходов в двадцатых и тридцатых годах произошли существенные изменения.

Был поставлен вопрос о переходе на расчетные паводки, имею­

новые нормы были введены в 1936 г., на автодорожном — в 1937 г., для плотин — в 1938 г. За рубежом большие плотины рассчиты­ вают теперь на расход с нулевой ВП, т. е. на предельно возмож­ ный паводок на данной реке. По исследованиям некоторых спе­ циалистов в СССР такой расход близок к удвоенному расходу с ВП1 : 100 (1%).

При пересечении дорогой оврагов, ручьев и малых рек возво­ дят малые сооружения: трубы, мосты и перепуски. На римских дорогах уже применяли конструкции в виде деревянных балок на каменных опорах и арочные каменные системы, но отверстия ма­ лых сооружений, по-видимому, не рассчитывали даже в средние века. Расчет отверстий сооружений стал актуальным, когда нача­ лось строительство железных дорог. С 1857 г. появились эмпири­ ческие формулы, по которым определяли расход, а по некоторым — площадь живого сечения в отверстии.

С 1882 г. начали появляться формулы и методы определения расчетных расходов с некоторым теоретическим обоснованием.

Водичка (1882 г.) увязывал объем стока с площадью гидро­ графа; Н. Дмитриев (1883 г.) предложил метод изохрон; большие

В литературе опубликовано множество формул для расчета рас­

разработал теорию стока, основанную на схематизации явления и ряде теоретических расчетов с параметрами, определяемыми опыт­ ным путем. Он исходил из условия, что поскольку величина мак­ симального расход зависит от 15 переменных, для создания эмпи­ рической формулы надо иметь большое количество достоверных расходов, чего в наличии нет. Зная теорию стока, можно распола­ гать меньшим числом расходов и получать их в натуре и на сто­ ковых станциях. Параметры, входящие в теоретическую формулу, определяют опытным путем, например потери на впитывание для разных почв, слой водоотдачи — hB (стока) как разность между

6

осадками и потерями, скорость стекания по логам и склонам. Схе­ матизация водосбора была принята М. М. Протодьяконовым в виде раскрытой книги. Расход находили методом изохрон. К 1940 г. по­ явились теории стока М. Ф. Срибного и Г. Д. Дубелира, но они мало применялись на практике.

Против теории М. М. Протодьяконова имелись возражения, от­ носящиеся к схематизации бассейна, поскольку считали, что ре­ альный бассейн не имеет ничего общего с раскрытой книгой и что воообще нельзя учесть все многообразие рельефа, почв и пр. Одна­

ко инженерная схематизация уже давно применяется в расчетах конструкций (плотин, мостов, высотных зданий и т. д.). Нормы М. М. Протодьяконова были приняты на транспорте в 1931 г. и применялись до 1953 г.

Дискуссии по расчету стока между разными авторами и орга­ низациями проходили на многих совещаниях и конференциях в 1932— 1947 гг. Выступали с эмпирическими или полуэмпирическихми методами 10 авторов. После конференции ГГИ в 1947 г. МПС и Гушосдор как организации наиболее заинтересованные присту­ пили к разработке этой проблемы.

Ее решали ЦНИИС МПС и Союздорнии Гушосдора. Была организована стоковая комиссия, которая систематизировала су­ ществующие методы путем обработки специальных вопросников, разосланных 22 организациям и отдельным специалистам и орга­ низовала сбор фактического материала по расходам и осадкам. Комиссия должна была установить, идти ли далее путем Протодья­ конова, Водички, Дмитриева, Люгера, Зброжека, Дубелира, Сриб­ ного, Бефани и др. или искать новые варианты эмпирических формул.

Полученные ответы показали, что авторы имеют большое раз­ нообразие мнений и прямо противоположные предложения. Тогда стоковая комиссия разработала «Основные положения», очевид­ ные большинству. Сбор фактических расходов показал исключи­ тельную скудность материала. Не было основного — сопоставлен­ ных данных об осадках и стоке. Отдельно по осадкам и расходам нельзя было определить вероятность превышения расходов, поэто­ му отпадали поиски эмпирических методов и единственным путем было создание новой, более совершенной теории стока с парамет­ рами, определяемыми опытным путем.

Было решено проводить исследования и разработать методы расчета в двух вариантах: по обобщенным гидрографам и непо­ средственным решением уравнения баланса объемов стока. Первый вариант позволял выполнить расчет в короткое время, второй — требовал на один расчет более 6 ч.

В настоящее время решение по уравнению баланса запрограм­ мировано для ЭВМ и время расчета резко сократилось. Кроме то­ го, изданы таблицы для определения расходов и объемов стока, если нельзя использовать ЭВМ. Таблицы составлены в КАДИ В. А. Большаковым и А. А. Кургановичем на основе обобщения 20000 расчетов на ЭВМ Минск-11.

7

В 1949— 1950 Гг. было дано решение по учету аккумуляции во­

В 1924 г. Д. И. Кочерин, используя предложение Н. Е. Долгова, дал правильную схему расчета, которая не была реализована, так как не умели определять общий объем стока. В 1949— 1950 гг. были разработаны объемный метод определения максимальных расхо­ дов и метод учета аккумуляции в двух вариантах. Точный метод основан также на уравнении баланса. Для приближенного метода использована формула Д. И. Кочерина со степенной поправкой. Новый метод (авторы Е. В. Болдаков, Н. Н. Чегодаев и Т. В. Пушечникова) начали применять с 1950 г. В дальнейшем развитие техники расчетов с определением наивыгоднейшего решения про­ изведено О. А. Рассказовым, А. А. Кургановичем и др. По подсче­ там Союздорпроекта, при учете аккумуляции экономия в стоимости сооружения достигает 30%.

Метеорологические данные получают от Гидрометеослужбы, и каждые 7— 10 лет их обрабатывает ЦНИИС, что позволяет учи­ тывать удлинение рядов наблюдений.

Из зарубежных данных при разработке теории стока использо­ вали только работы Хортона (США) по 20-летним наблюдениям на опытных водосборах.

В последние годы состоялся ряд конференций и симпозиумов, посвященных, в частности, вопросам инженерной гидрологии.

Анализ ряда докладов и отдельных работ показывает, что уве­ личивается тематика по теоретическим вопросам и лабораторным исследованиям, которые выполняют часто в отрыве от наблюдений в натуре на свободных створах и существующих мостовых пере­ ходах. В отдельных случаях делается морфометрическое обследо­ вание, которое базируется на ранее полученных гидрометрических материалах. Все это не дает достоверных данных для проверки теоретических предпосылок в расчетах, заложенных в проекте пе­ рехода.

Лабораторным опытам придают самостоятельное значение не­ смотря на то, что они, как указано, часто не имеют гидрометриче­

ской основы.

Обобщая обзор проведенных работ, можно наметить следую­ щие направления дальнейших исследований.

В области изысканий: исследование пределов экономической целесообразности съемки планов переходов с самолета и проведе­ ния аэрогидрометрических работ по сравнению с существующими методами; организация скоростного инженерно-геологического бу­ рения; продолжение сбора материалов по высоким историческим уровням.

В области гидрологии: построение обоснованных наблюдения­ ми кривых распределения для экстраполяции натурных расходов; определение границы начала экстраполяции, поскольку метеоро­ логическая обстановка для формирования низких и средних мак­ симумов расхода может быть другой, чем для редких; климато­

8

логические и гидрологические обобщения для переноса расходов вниз и вверх по реке и с других водосборов; разработка косвенных методов для определения расходов при недостаточных натурных данных; уточнение слоев водоотдачи и параметров, входящих в расчеты стока; исследование вопроса применимости региональных формул; уточнение расчетов селевых потоков.

В области расчетов сооружений переходов: уточнение расчета отверстий и общего размыва на основании решения уравнения ба­ ланса при разных условиях и вероятности превышения паводков; проверка принятых формул и норм данными гидрометрических наблюдений на существующих переходах; разработка метода сов­ местной работы моста и регуляционных сооружений; расчеты груп­ повых отверстий и переливаемых подходов; уточнение местного размыва у сооружений переходов; определение допускаемых ско­ ростей течения для укреплений откосов и русел; расчет отверстия на ЭВМ совместно с учетом аккумуляции; исследование влияния формы бассейна на величину максимального расхода; вывод за­ висимостей для установления эффективности капиталовложений, включающих параметры, которые достаточно просто можно было бы определять; определение наивыгоднейших вероятностей превы­ шения расходов в разных условиях; программирование на ЭВМ сравнения вариантов (необходимость постройки перехода, выбор моста или парома, реконструкция существующего перехода или постройка нового).

§ 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ИЗЫСКАНИЙ. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Задача изысканий состоит в получении необходимых для раз­ работки проектов переходов сведений и данных по экономике, то­ пографии, гидрометеорологии и инженерной геологии района пе­ рехода, а также данных по организации строительства и составле­ нию сметы.

Вопросам технологии, организации и правильному проведению изысканий следует уделять большое внимание, так как от качества и полноты изыскательских материалов зависит успешное проекти­ рование мостового' перехода.

Задача правильного назначения элементов перехода является сложной, поэтому необходимы вариантные проработки уже на ста­ дии изысканий.

Организация изыскательских работ зависит от стадии проек­ тирования, объемов работ, сроков их производства и особенностей района изысканий.

Для выполнения изыскательских работ в зависимости от их программы и объема организуют экспедиции, партии и отряды с соответствующим оснащением.

При организации изысканий необходимо предусматривать современные способы производства полевых работ, аэрофотосъем­ ку, аэрогидрометрию, применение эхолота и геофизические методы обследований.

9