Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Мостовые переходы

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
16.37 Mб
Скачать
Рис, II.6. Поперечные сечения потока под, мостом:
/ — профиль дна перед постройкой мосто­ вого перехода; 2 —.профиль дна через 39 лет после сооружения перехода

до его постройки и через 39 лет послевозведения мостового пере­ хода. Значительное переформирование подмостового русла, проис­ шедшее за указанный срок, в значительной мере было обусловлено естественным русловым процессом. Смещение максимальной глу­ бины русла к левобережной опоре стало угрожать ее устойчивости и потребовало устройства специального укрепления дна для за­ щиты фундамента от подмыва.

Восновном наносы пополняются за счет обломков горных пород

ипочв, сносимых с водосборного бассейна реки. Насыщение пото­ ка наносами указанного происхождения особенно активно осущест­ вляется во время паводков и по­ ловодий при стоке с бассейна дождевых и талых вод. В перио­ ды половодий и паводков проис­ ходит и наиболее значительная русловая эрозия, в некоторой ме­ ре также пополняющая наносы.

Различают глубинную и боковую эрозию русел. Глубинная эрозия ограничена высотным положени­

ем базиса эрозии (уровнем водое­ ма в устье реки). На равнинных реках со сложившимися долина­ ми заметной глубинной эрозии врезания реки в глубь ложа не происходит. На горных участках рек глубинная эрозия наблюдает­ ся. Боковая эрозия — размыв бе­

регов русла —характерное, часто встречающееся явление на рав­ нинных реках, русла и поймы которых сложены мелкозернистыми грунтами.

В большинстве случаев речные наносы состоят из частиц грунта различных размеров. Для характеристики крупности однородных наносов применяют определенную классификацию (табл. II.!). Устанавливают крупность и содержание фракций частиц разных размеров по гранулометрическому анализу проб грунта. Средний размер частиц определяют как средневзвешенный по формуле

d =^ L ,

100

где di — средняя крупность данной фракции, которую находят как среднюю арифметическую величину из крайних значений крупности фракции; pi — весовая доля данной фракции, %.

По участию в русловом процессе различают наносы: рус'лоформирующие, состоящие из частиц диаметром более 0,1 мм, и тран­ зитные, состоящие из очень мелких частиц (менее 0,1 мм), перено­ симые в основной своей массе к устью реки. Таким образом, пыле­ ватые, илистые и глинистые частицы (табл. II. 1) относятся, как правило, к транзитным наносам.

21

Кроме деления на виды по участию в русловом процессе, дви­ жущиеся наносы разделяют на категории по их размещению и форме движения в потоке воды: взвешенные наносы, перемещаю­ щиеся в толще потока, при этом концентрация изменяется по мере удаления от дна; донные наносы, передвиг^рщиеся у дна в слое некоторой толщины, в большинстве случаев' путем перекатывания

или скачками.

Т А Б Л И Ц А H.I

 

К л а с с и ф и к а ц и я н а н о с о в п о к р у п н о с т и ( д и а м е т р ч а с т и ц , м м )

 

 

 

 

Ил

 

 

Пыль

 

 

 

Песок

 

 

«в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ас

мелкий

крупный

мелкая

крупная

мелкий

средний

крупный

ж

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

0 ,0 0 1 —0,005

0 ,0 0 5 —0,01 0 ,0 1 —0,0 5 0 ,0 5 —0,1

0 ,1 —0 ,2 0 ,2 —0 ,5

0 ,5 — 1

0.001

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гравий

 

 

Галька

 

 

 

 

Валуны

 

 

мел-

сред*

круп*

мел-

сред-

круп-

мел-

 

сред-

 

 

круп-

кий

ний

ный

кая

няя

ная

кие

 

ние

 

 

ные

1—2

2—5

5— 10

10—20

20—50

50— 100

100—200 200—500 j

500— 1000

а)

 

 

 

 

 

 

В категорию взвешен­

 

 

 

 

 

 

ных,

помимо транзитных,

 

 

 

 

 

 

входит

значительная

 

 

 

 

 

 

часть руслоформирующих

 

 

 

 

 

 

наносов. Меньшую

часть

 

 

 

 

 

 

руслоформирующих нано­

 

 

 

 

 

 

сов

составляют

донные

 

 

 

 

 

 

наносы.

При

неоднород­

 

 

 

 

 

 

ном составе наносов и оп­

 

 

 

 

 

 

ределенных

гидравличе­

 

 

 

 

 

 

ских

условиях

средний

 

 

 

 

 

 

диаметр

частиц

взвешен­

 

 

 

 

 

 

ных наносов обычно мень­

 

 

 

 

 

 

ше средней крупности на­

 

 

 

 

 

 

носов, влекомых по дну.

 

 

 

 

 

 

 

Характер

 

движения

 

 

 

 

 

 

взвешенных и донных на­

Рис. Н.7. Схема силового воздействия потока

носов

определяется глав­

щ твердую частицу, лежащую на дне:

ным образом

турбулент­

 

а — продольный разрез;

б — план

 

ным режимом течения во­

 

 

 

 

 

 

ды в реках. Вихри, посто­

янно зарождающиеся у дна, и непрерывная пульсация

 

скоростей

течения в толще водяного потока обеспечивают

перенос частиц

в виде взвеси на большие расстояния. На частицы, движущиеся у

22

дна, кроме лобового давления, действует подъемная сила (рис. 11,7). Она возникает вследствие отрывного обтекания и неодинаковой ве­ личины продольных скоростей у верхней и нижней поверхности частицы, а также от воздействия на частицу вихрей, образующихся у дна при турбулентном режиме течения.

На основании исследований отечественных и зарубежных уче­ ных с многочисленными экспериментами в лабораториях, прово­ дившимися при однородном составе частиц грунта и при устано­ вившемся равномерном движении водного потока, определены ус­ ловия,' при которых начинается движение частиц на дне и когда наступает их перенос во взвешенном состоянии.

Среднюю скорость течения водного потока, при которой части­ цы, лежащие на дне потока, приходят в движение, называют раз­ мывающей скоростью. Термин «размывающая скорость» введен И. И. Леви. Иногда ту же скорость называют неразмывающей, по­ скольку она соответствует началу влечения наносов.

При скорости течения, превышающей размывающую, возникает массовое влечение донных наносов. Ввиду наличия подъемной си­ лы частицы опрокидываются и катятся по дну. Под действием вих­ рей катящиеся частицы приподнимаются над дном и на некотором расстоянии движутся, не соприкасаясь с ним. При этом исчезает подъемная сила, вызывавшаяся несимметричным обтеканием час­ тицы снизу и сверху, и под действием силы тяжести она снова возвращается на дно и катится по нему. Таким образом, частицы донных наносов на некоторой длине перемещаются как бы скач­

ками.

Пульсации скорости турбулентного потока, особенно сильно вы­ раженные у дна, являются специфической особенностью его кине­ матической структуры; при этом истинные (актуальные) скорости течения воды неодинаковы в разных точках, расположенных на од­ ном и том же расстоянии от дна, и в каждой точке изменяются во времени. Под действием такого течения на плоском дне, покрытом несвязными частицами грунта, обязательно возникают неровности в форме вытянутых в продольном направлении валиков — скопле­ ний частиц. Как только такие неровности дна образовались, их раз­ меры увеличиваются, так как они уже сами способствуют неравно­ мерности движения воды. На верховой стороне валиков, обращен­ ной против течения, движение ускоренное; на гребне выступа про­ исходит срыв течения, а за низовым откосом образуется водяной валец с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной к на­ правлению основного продольного течения. В результате на дне вдоль по течению формируются гряды, следующие друг за другом и имеющие пологий верховой откос, и крутой обрывистый низовой откос — подвалье (рис. II.8).

Донные струи, движущиеся по верховому откосу гряды, уве­ личивают свою скорость при движении к гребню и размывают его. Сносимые частицы частично попадают в подвалье, обеспечивая тем самым перемещение гряды, а частично переносятся на следующую гряду. Вследствие указанного механизма движения наносов гря-

23

ды постепенно медленно смещаются вниз по течению. Таким обра­ зом, движение донных наносов происходит в форме движения гряд. Скорость смещения гряд значительно меньше скорости потока воды. В зависимости от типа реки и характера руслового процесса ско­ рость движения гряд составляет от нескольких метров до сотен

метров в год. '** Повышенная шероховатость дна, созданная грядами, способст­

вует более интенсивному зарождению вихрей у дна в подвальях гряд и увеличивает тем самым пульсацию скорости всего потока. Некоторая часть твердых частиц переносится вихрями со дна вверх, и они переходят во взвешенное состояние (рис. II.8). Опускаясь вниз под действием силы тяжести, частицы вновь подвергаются дей­ ствию вихрей. Чем больше средняя скорость течения потока, тем интенсивнее идет процесс взвешивания твердых частиц и тем боль­ ше в толще потока оказывается взвешенных наносов. При доста­ точно большой скорости потока устанавливается состояние, при котором гряды смываются, наносы полностью переходят во взве­ шенное состояние. Эту скорость течения называют критической.

Рис. II.8. Продольный разрез гряды:

/ —гребень гряды; 2—подвалье гряды; 3—валец; 4—частицы, перемещающиеся с гря­ ды ва гряду; 5—частицы, переходящие во взвешенное состояние

Переход наносов полностью во взвешенное состояние с исчез­ новением донных гряд возможен при условии, что наносы доста­ точно однородны по крупности. Если же крупность частиц раз­ личная, то крупные движутся по дну грядами, а более мелкие — во взвешенном состоянии. В натуре на реках, даже во время редких высоких паводков на их пике, когда скорость течения велика, на­ блюдается движение наносов и в форме гряд по дну, и во взвешен­ ном состоянии. Такая одновременно существующая двоякая форма перемещения наносов обусловлена различной их крупностью.

Общая картина Движения наносов в реках гораздо сложнее, чем в лабораторных условиях, главным образом по причине неустановившегося движения водного потока. Чередование периодов высоких и низких вод с соответствующим изменением величин рас­ ходов воды и скоростей течения сильно влияет на количество и фор­ му переноса наносов.

С уменьшением скоростей течения взвешенные ранее наносы

24

опускаются и перемещаются по дну, и наоборот, с увеличением скоростей часть донных наносов будет переходить в категорию взвешенных. Во время низкой межени движение гряд приостанав­ ливается, а во взвеси переносятся лишь мелкие частицы, не участ­ вующие в формировании русел (транзитные наносы).

Свой отпечаток на картину движения наносов накладывает так­

же изменение их крупности в различных частях реки.

В общем,

в верховьях наносы крупнее, к устью — мельче, но на

отдельных

участках реки встречается локальное увеличение крупности, вы­ званное выносами грунта из впадающих в реку притоков. По шири­ не речного русла донные наносы обычно крупнее в глубокой части и мельче у берегов. На отдельных участках заметное влияние на движение наносов оказывают сужения и расширения реки, где имеет место неравномерное движение воды с переменной вдоль по течению средней скоростью. На участках, где дно сложено разнородными наносами, часто наблюдается естественная отмост­ ка дна: мелкие частицы выносятся вниз по течению, а наиболее крупные остаются на месте и отмащивают дно.

Для оценки движения наносов необходимо знать соотношение фактической и размывающей скоростей.

Формулы для размывающей скорости несвязных грунтов обыч­ но выводят из условия равенства момента сил, опрокидывающих частицу (лобовой и подъемной), моменту силы, удерживающей ее (сила тяжести). Анализируя влияние различных факторов на раз­ мывающую скорость, И. И» Леви получил для однородного состава наносов и при равномерном движении потока воды следующую формулу:

(П. I)

где fli — коэффициент, зависящий от формы частиц и соотношения между лобовой и подъемной силами; к — коэффициент сопротивле­ ния русла; g — ускорение силы тяжести; d — средний диаметр час­ тиц.

При турбулентном режиме течения в области квадратичного сопротивления коэффициент Я зависит от относительной шерохова­ тости d]h (h — глубина потока), поэтому величина размывающей скорости По изменяется в зависимости от глубины: с ее увеличе­ нием скорость возрастает. Из формулы (II. 1) следует, что размы­ вающая скорость также увеличивается для более крупных наносов.

В области квадратичного сопротивления формулы коэффициен­ та сопротивления ру<3ла %имеют вид логарифмической или степен­ ной зависимости, поэтому формулы для размывающей скорости также могут быть представлены в виде логарифмической или сте­ пенной зависимости. Более простыми, получившими распростране­ ние в практических расчетах, являются степенные зависимости, пред­ ложенные А. М. Шамовым, А. М. Латышенковым, Б. И. Студеничниковым и др. v0—bhxdv, где коэффициент пропорциональности b и показатели степени х и у устанавливают по опытным данным.

25

В настоящее время при проектировании мостовых переходов приме­ няют формулу Б. И. Студеничникова

о0 = 3,6Л°>25^>я\

(II.2)

где А и d (средний диаметр донных наносов}-—размеры,

м; v0 —

скорость, м/с.

Задача определения размывающей скорости для связных гли­ нистых грунтов гораздо сложней, чем для несвязных.

В случае связных грунтов, кроме силы тяжести, большое зна­ чение в сопротивлении срыву частиц грунта со дна приобретает сила сцепления между ними. Значительную трудность представ­ ляет определение размеров пластинок грунта, сносимых, потоком, а от размера частиц грунта зависит величина размывающей ско­ рости.

На основании экспериментальных исследований в лаборатори­ ях процесс размыва связных грунтов представляется в следующем виде. Первоначально с поверхности грунтового массива (образца) выносятся элементарные дисперсные частицы, благодаря чему по­ верхность грунта становится шероховатой; на ней остаются неболь­ шие выступы из более крупных и прочных отдельностей грунта (аг­ регатов) , подмываемые водой с лобовой стороны. Под воздействием пульсирующей динамической нагрузки (лобового давления и подъ­ емной силы), свойственной турбулентному режиму течения, высту­ пы (агрегаты) расшатываются, отрываются от грунтового масси­ ва и сносятся водным потоком.

Для случая равномерного движения Ц. Е. Мирцхулава предло­ жил формулу размывающей скорости,' учитывающую размер отры­ ваемых агрегатов, сцепление связного грунта, возможные отклоне­ ния величины сцепления от средних его значений, массу грунтовых частиц и динамические нагрузки пульсирующего потока. Им также разработаны нормы размывающих скоростей связных грунтов, ко­ торыми пользуются в проектных организациях.

При проектировании мостовых переходов размывающую ско­ рость для связных грунтов определяют, основываясь на формуле Ц. Е. Мирцхулавы, но с некоторым ее упрощением и дополнением, предложенными лабораторией мостовых переходов ЦНИИСа. В формуле принимают: постоянный размер отрываемой грунтовой частицы, среднюю величину удельного веса скелета грунта и неко­ торые постоянные значения коэффициентов, определяющих пульса­

цию скоростей и условия

работы

агрегата

при растяжении и из­

гибе. Учитывают: 1)

возрастание

величины

размывающей

скорости при полном

развитии

процесса

отрыва агрегатов;

2) уменьшение размывающей скорости,

возможное

при влечении

песка по дну, сложенному связным грунтом, из-за абразивного дей­ ствия песчинок, способствующего разрушению агрегатов. Формула размывающей скорости связного грунта принимает следующий вид:

у0 = — ( 3 ,3 4 + Ig A ) У 0 , 1 5 + С р ,

(II.3 )

S

 

26

где Ср— расчетное сцепление, в т/м2, которое определяют в зави­ симости от величины среднего (нормативного) значения сцепления лежащего на поверхности слоя капиллярно-водонасыщенного грун­ та при полной влагоемкости (определяется вдавливанием сфери­ ческого штампа или срезным прибором) и с учетом однородности связного грунта; если испытания грунта на сцепление не произ­ водились, для приближенного определения Ср можно пользовать­ ся данными табл. 11.2, рекомендованной Ц. Е. Мирцхулавой; е — коэффициент абразивности, принимаемый равным 1,4, если по дну влечется песок; при отсутствии движения песка е=1. Глубину по­ тока в формуле (П.З) определяют в метрах, скорость — в м/с.

Как видно из формулы (Н.З), с увеличением расчетного сцепле­ ния и глубины потока размывающая скорость связного грунта воз­ растает.

Т А Б Л И Ц А П.2

Расчетное сцепление, т/м2

 

Коэффициент

пористости

Влажность на границе

 

 

раскатывания, %

0,45—0,50 0,51—0,60 0,61—0,70

0,72—0,80 0,81-0,95 0,96—1,10

■г -

 

 

0 , 5 — 1 2 ,4

0 , 3

0 , 1

0 , 1

 

__

_

 

1 2 , 5 — 1 5 , 4

1 , 4

0 , 7

0 , 4

0 , 2

1 5 , 5 — 1 8 ,4

1 , 9

1 ,1

0 , 8

0 , 4

0 , 2

1 8 , 5 — 2 2 , 4

2 , 8

1 , 9

1 , 0

0 , 6

2 2 , 5 — 2 6 , 4

--.

3 , 6

2 , 5

1 , 2

2 6 , 5 — 3 0 , 4

4 , 0

2 , 2

При расчетах количества влекомых потоком наносов возника­ ет необходимость замены связного грунта несвязным с эквивалент­ ным диаметром зерен d9KB в мм. Его определяют из условия, что действительная размывающая скорость связного грунта Vo в м/с равна размывающей скорости несвязного с эквивалентным диамет­ ром частиц. Если для такой замены воспользоваться формулой (II.2) и h принять в м, получим следующее выражение:

4 кв= -^р -Я о4.

(П.4)

Количество наносов, проходящих через живое сечение водотока в единицу времени, называют твердым расходом. Этот расход из­ меряют в кг/с или т/с, а иногда в объемных единицах м3/с или м3/сут. Насыщение потока наносами характеризуется величиной, называемой мутностью. Она представляет собой отношение вели­ чины твердого расхода к расходу воды и измеряется в кг/м3 или т/м3. Если твердый расход определяют в объемных единицах, мут­ ность выражают в процентах.

В общем твердом расходе речного потока обычно различают расходы донных и взвешенных наносов. Напомним, что при неод­ нородном по крупности составе речных наносов одновременно мо­

27

гут существовать обе формы движения. Соответственно различают также мутность (относительное содержание) донных и мутность взвешенных наносов.

Влечение наносов по дну может начаться, если скорость пото­ ка воды v превысила размывающую скорость v0 В. Н. Гончаровым установлено, что относительное содержание дбнйых наносов в воде пропорционально кубу отношения vfv0. Скорость v0 выражается формулой (II. 1). Следовательно, относительное содержание нано­ сов <р зависит от отношения v/f/gd и от относительной шероховатости дна d/h, поскольку коэффициент сопротивления Я определяется ею

Для подсчета среднего (на ширине русла реки) относительного содержания донных наносов в потоке воды в кг/м3 при проектиро­ вании мостовых переходов применяют формулу И. И. Леви

<Рс. д = 2

(И.5)

Формула (Н.5), как и другие существующие в настоящее время формулы, относится к установившемуся равномерному движению речного потока.

Расход донных наносов <3Я равен произведению относительного содержания наносов на расход потока воды Q

Ож= ?с. AQ = ?с. * v B h ,

(Н.6)

где В — ширина потока поверху; h — средняя глубина. Подставив в формулу (II.6) выражение <рс.д, получим

2d

(II. 7)

( V * Y

Для расчета размывов у мостов расход наносов удобнее выра­ зить в м8/сут. Приняв объемную массу донных наносов равной 1700 кг/м3 и проделав некоторые преобразования, получим

Оя = 3,3 ( l -

1

Bv*,

Ш.8)

 

( dft)0*26

 

в которую В, h u d подставляют в метрах, v — в м/с.

Как видно из формул (Н.7) и (II.8), расход

донных наносов

очень возрастает при увеличении скорости течения

(зависит от ско­

рости в четвертой степени). Если

 

то движение наносов по

дну прекращается.

 

 

 

Насыщение воды взвешенными насосами неодинаково по глу­

бине потока. Наибольшей величины

оно достигает в придонном

слое и быстро уменьшается к поверхности воды.

Неодинаковым

также часто бывает и насыщение потока взвесью по его ширине. Это объясняется тем, что крупность частиц и скорость течения из­ меняются по ширине реки. При определении мутности взвешенных

28

наносов в расчетах оперируют со средней по живому сечению пото­

ка мутностью.

Критическая скорость потока, при которой обеспечивается дви­ жение наносов во взвешенном состоянии, зависит от крупности пе­ реносимых наносов, от глубины потока и от мутности. Н. П. Кулеш и И. И. Леви предложили следующую формулу для критической скорости:

v Kp = Vх 5g (срср— <рх) R W ,

(Н.9)

где фор — полная средняя мутность потока, кг/м3; ф! — насыщение

потока мельчайшими частицами

размером менее 0,01 мм, кг/м3;

/? — гидравлический радиус, м;

W — средневзвешенное

значение

гидравлической крупности частиц диаметром более 0,01

мм (гид­

равлическая крупность — скорость падения частицы в неподвижной воде, зависит от крупности частицы (см. приложение II.1), м/с).

Если величиной ф* по сравненикпс фСр пренебречь, а гидравли­ ческий радиус R для речных русел заменить глубиной потока, то

формула (II.9) примет вид

 

укр = У % ?СРА W :

(II.9а)

Критическая скорость потока тесно связана с его мутностью: увеличивается мутность — возрастает скорость, поэтому если при данной скорости потока воды в русле v существует в реке движение взвешенных наносов определенной крупности, то эта скорость и есть критическая v№, т. е. v —vnp. Учитывая указанное, на основа­ нии выражения (И.9) можно получить формулу средней мутности речного потока в кг/м3:

w -10»

Тогда расход взвешенных наносов в кг/с

о в = ?cpQ = ?срvBh = - М - B v \

Переходя к выражению расхода в м3/сут и принимая объемную Массу взвешенных наносов 1600 кг/м3, получим

. О К И )

Как показывают наблюдения на реках, в общем твердом расхо­ де водотока преобладает расход взвешенных наносов. К тому же выводу приводят расчеты по формулам. Так, например, на пике половодья в русле равнинной реки при средней скорости течения о=1,6 м/с, средней крупности донных наносов 2 мм, средней круп­ ности взвешенных наносов 0,2 мм (№=0,017 м/с), ширине рус­ ла В=400 м и глубине й = 8 м расход взвешенных наносов по фор­ муле (И.11) составляет Ов=171000 м3/сут (фср=0,615 кг/м3), арас-

29

ход донных наносов, рассчитанный по формулам (11.8) и (11.2), <3д=9670 м3/сут (фСр= 0,037 кг/м3).

Таким образом, в рассмотренном примере на долю взвешенных наносов приходится 96% общего твердого расхода, и только 5% составляет расход донных наносов. В годовом объеме твердого стока также преобладают взвешенные наносьС причем большая их часть переносится во время паводков и половодий.

Рис. Н.9. Русло при ленточногрядовом типе руслового процесса:

а — план;

б — продольный профиль; в — совмещенные

профили живых

сечений по гребню

(линия /)

и по подвалыо (линия 2) гряды;

— шаг

гряды

(расстояние по средней линии

русла между гребнями двух смежных гряд);

йр — ширина

меженного

русла; Аг/ ^р — отно­

 

сительный шаг гряды

(обычно равен 6—8)

 

Благодаря неустановившемуся движению воды в реках и при неодинаковом по крупности составе наносов на протяжении года происходит преобразование формы их движения. Частицы грунта одного и того же размера периодически движутся то по дну, то в состоянии взвеси, поэтому образование естественных форм реч­ ных русел в общем связано как с движением частиц по дну, так и во взвеси. Но непосредственно в каждый отрезок времени формы русел (рельеф дна и берегов) определяются расположением и сме­ щением донных гряд наносов, хотя некоторые частицы, образую­ щие эти гряды, определенное время могут находиться в состоянии взвеси. Рассмотрим, как смещаются гряды при различных усло­ виях и какие при этом возникают деформации и формы русел.

30

Соседние файлы в папке книги