книги / Мостовые переходы

§ 11.4. ЗИМНИЙ РЕЖИМ РЕК. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЬДА НА СООРУЖЕНИЯ

Большинство рек СССР протекает в зонах умеренного и холод­ ного климата. Характерным для этих рек является образование на них в зимние месяцы ледяного покрова.

При проектировании мостового перехода должен быть изучен ледовый режим реки, и все особенности этого режима должны быть учтены', в проекте.

Основными характеристиками ледового режима являются: тол­ щина ледяного покрова; уровень ледостава, подвижки льда и ледо­ ходов; размеры льдин при ледоходах; места образования в райо­ не перехода заторов и зажоров льда; места образования нале­ дей; величины усилий, возникающих при воздействиях ледяного покрова на опоры мостов, откосы насыпей, дамб и берегов; мини­ мальные величины пролетов, обеспечивающие беззаторный пропуск льда под мостом.

По степени воздействия ледяного покрова на сооружения мос­ тового перехода реки СССР можно разделить на три группы:

первая группа — среднее и нижнее течение крупных рек Сибири и ЕврогГейского Севера, на которых воздействие ледяного покрова наиболее интенсивное;

вторая группа — верхнее течение больших рек Сибири, реки Дальнего Востока, верхнее и среднее течение рек Европейской час­ ти СССР, где наблюдается сильное воздействие ледяного покрова; третья группа — реки юга европейской части СССР и Средней

Азии, на которых ледяной покров слабый.

Важной характеристикой ледового режима реки является тол­ щина ледяного покрова.

За расчетную толщину льда принимают толщину, равную 80% от наибольшей за зимний период толщины с вероятностью превы­

шения 1%. Толщина льда вероятности	превышения	1% может
быть определена при наличии данных	наблюдений	за толщиной

льда в течение ряда лет. По этим данным строят кривую обеспечен­ ности, которую в большинстве случаев (из-за недостаточности лет наблюдений) приходится экстраполировать. Экстраполяция обыч­ но выполняется на клетчатке вероятностей (см. гл. IV).

При небольшом числе лет наблюдений (менее 15), когда экстра­ поляция кривой недостаточно точна, за расчетную толщину льда принимают наибольшую толщину, установленную при изысканиях.

При изысканиях в отдельных районах, когда нельзя получить данных о толщинах льда в предшествующие годы, ориентировочно расчетная толщина льда может быть определена по приближен­ ной эмпирической формуле Ф. И. Быдина

ЛЛ= 2 / З Г ,

(И. 12)

где йл — расчетная толщина льда, см; 2 / — сумма отрицательных среднесуточных температур за зимний период, ° С.

41

При повышении температуры ледяного покрова лед оказывает статическое давление на струенаправляющие дамбы, подходные на­ сыпи, береговые откосы.

По опытным наблюдениям величина статического давления ле­ дяного покрова при его температурном расширении может дости­ гать 15—40 т/м2.

Если в пролетах моста зимой устраивают и поддерживают майны, то ледяной покров при температурном расширении будет оказывать одностороннее давление и на опоры моста.

Формулы для определения величин статического давления льда приведены в СН 76—66.

При ледоставе наблюдается смерзание льда сб"сваями опор. При колебаниях уровня воды возможна передача сваям через при­ мерзший ледяной покров вертикальных усилий, направленных вверх или вниз.

Вертикальную нагрузку Ров, которая передается отдельно стоя­

щим сваям или	свайным кустам (при расстоянии	между сваями
в кусте не более 1 м), определяют по формуле
	300/г3	(И. 13)
	, 50Л’
	In—-
где Л — толщина	ледяного покрова, принимаемая	равной макси­

мальной толщине льда с вероятностью превышения 1%, м; d — диа­ метр сваи или свайного куста, м.

Формула (И. 13) получена в предположении, что при колебани­ ях уровня воды вокруг сваи, к которой примерз ледяной покров, происходит изгиб ледяного поля на круговом участке, диаметр ко­ торого составляет 50h, а максимального значения РСв достигает в момент разрушения льда от изгиба при пределе прочности льда

300 т/м2.

Наиболее сильное воздействие ледяной покров оказывает на сооружения мостового перехода во время подвижек льда и ледо­ ходов. Наибольшую опасность для мостового перехода представ­ ляют образующиеся во время весеннего ледохода заторы льда, в особенности, если они образуются в непосредственной близости от моста.

Известно много случаев повреждения мостов при образовании

ипрорыве заторов.

В1938 г. в США, в истоке Ниагары, еще покрытой льдом, обра­

зовался мощный затор. Недалеко от истока располагался мост че­ рез Ниагару. Уровень воды у моста поднялся на 15 м и достиг про­ летного строения. При прорыве затора движущийся лед разрушил арочное металлическое пролетное строение пролетом 256 м.

В 40-х годах на одной из рек СССР во время ледохода были серьезно повреждены опоры большого железнодорожного моста. Опоры опирались на металлические сваи, заполненные бетоном. Выше моста образовался сплошной затор льда. При последующих

42

подвижках льда некоторые металлические сваи опоры были слома­ ны, а другие изогнулись на 10—15°.

При подвижках льда движущееся ледяное поле задерживается опорами моста, скорость движения поля падает или даже происхо­

дит

полная

остановка

поля. При

этом опоры

внедряются в ледяное

поле.

полном

ледоходе

опоры

При

СЗ

моста' играют

роль

клиньев, внед­

S j

ряющихся в ледяное поле и раска­

* }

- ч

лывающих его на части.

***->

п V . - j '

При подвижках

льда и ледохо­

дах опоры моста воспринимают зна-

. чительные

горизонтальные

усилия

т

т

ш м т

ш щ

от

динамического

давления льда.

На величину динамического давле-*

ния,

воздействующего ,на

опору,

большое влияние

оказывает форма

передней грани опоры.

При

боль­

шом

заострении

передней

грани

давление

уменьшается.

Давление

уменьшается

также и при наличии

у

опоры

ледореза — наклонного

Рис.

11.18. Схема

воздействия

ребра передней грани.

ледяного поля на опору со сла­

При вертикальных или слабона-

бо

наклоненной

передней

клоненных

(при наклоне к вертика­

гранью:

или уровень

ли под углом

не

более 8°) гранях

1 — уровень ледохода

подвижки льда; 2 — уровень межен­

мостовой опоры (рис. 11.18) динами­

ных вод

ческую

горизонтальную

нагрузку

по формуле

вдоль

оси опоры Я в т определяют

Н = mARpbh,

(11.14)

где т — коэффициент формы опоры, принимаемый равным при по­ луциркульном очертании 0,90, при треугольной форме в зависи­ мости от угла заострения опоры в плане — по табл. Н.З; А — кли­ матический коэффициент, учитывающий прочность весеннего льда (по данным табл. II.4); # р— временное сопротивление льда при раздроблении с учетом явления местного смятия льда, принимае­ мое на уровне первой подвижки равным 75 т/м2, а при наивысшем уровне ледохода — 45 т/м2; b — ширина опоры на уровне ледохода, м; h — расчетная толщина льда, м.

Т А Б Л И Ц А 11.3

Значения коэффициента т

Угол заострения	45	60	75	90	120	180
опоры 2а, град
т	0,54	0,59	0,64	0,69	0.77	1,00

43

						Т А Б Л И Ц А			П.4
			Климатические коэффициенты А
Ns	Границы районов			Климатиче­		Примечания
рай­				ский ко­
онов				эффициент
1	Южнее линии Таллин—				1. Для районов			№	2—5
	Минск—Харьков—Астрахань—			0,75	нижней границей			является
	Нукус—Алма-Ата . .				граница предыдущего				рай-
2	Южнее линии		Выборг—Смо-		она	При проектировании от-
					2.
	ленск—Камышин— Актю-			1	ветственных		сооружений
	бинск—Балхаш ...........................				климатический		коэффициент
3	Южнее линии Архангельск—				может применяться на осно-
	Киров—Уфа—Кустанай—Ка-			1,25	вании оценки условий вскры-
4	раганда—Усть-Каменогорск				тия	реки по данным натур-
	Южнее линии Воркута—Хан-				ных наблюдений, в частное-
	ты-Мансийск—Красноярск—				ти, для рек, вскрывающихся
	Улан-Уде— Николаевск-на-			1,75	при	отрицательной темпера-
5	Амуре . ..................................				туре	воздуха,	он	должен
	Южнее	линии	Диксон—Но-	2	приниматься не менее 2
6	рильск— Бодайбо— Охотск
	Севернее	линии Диксон—		2,5
	Норильск—Бодайбо—Охотск
Значения т, А и			получены	в результате		натурных		наблю­

дений.

При воздействии ледяного поля на „опору с наклонным ледоре­

	зом (рис. 11.19) разрушение льда
	происходит не от		раздробления
	льда, а от изгиба. Льдины впол­
	зают на ледорез и разрушаются
	от изгиба «а некотором расстоя­
	нии от опоры.	максимального по­
	Величину
	гонного изгибающего момента в
	месте разрушения льдины можно
	принять равной M —0,2V, где V —
	вертикальная	составляющая ре­
	акции опоры, а момент сопротив­
Рис. 11.19. Схема воздействия ле­	ления W = lh2/6, где h —толщина
	льдины.		при разруше­
дяного поля на опору с наклон­	В этом случае
ным ледорезом:	нии льдины,	когда	нормальные
/ —уровень ледохода или уровень по­
движки льда	напряжения от изгиба достигнут
	предела прочности льда на изгиб,
вертикальную составляющую нагрузки на опору V в т приближен­
но определяют по формуле
V ~ A R J i \			(11.15)

а горизонтальную составляющую Я в т — по формуле

я = vtgp,	(11.16)
где RB — временное сопротивление льда	при изгибе, принимаемое

равным 0,5 Rp; 0 — угол наклона режущего ребра опоры к горизон­ ту, град.

Такой же характер имеет взаимодействие ледяного поля с от­ косом насыпи, дамбы или береговым откосом при ударе ледяного поля кромкой об откос.

Вертикальная V в т/м и горизонтальная Н в т/м составляющие

погонной нагрузки на откос определяют по формулам
V = ARu\'h*-,	(11.17)
Я - V t g p ,	(П.18)

где %' — коэффициент, учитывающий цилиндрическую жесткость ледяного поля, рассматриваемого как полубесконечная плита (при­ нимается в зависимости от толщины-льда по табл II.5).

						Т А Б Л И Ц А И.Б
	"■	f	Значения коэффициента Я'
h,	м .....................		0,4	0,5	0,6—0,7	0,8—0,9	1,0—1,3
Я',	1/м	. . . .	0,08	0,07	0,06	0,05	0,04

При проектировании мостового перехода нужно исключить воз­ можность образования заторов у моста. Это достигается назначе­ нием такой величины пролетов моста, при которой крупное ледя­ ное поле не сможет остановиться перед опорами моста, а будет ими

прорезано.

Если принять ширину потока перед отверстием моста при рас­ четном уровне ледохода равной В, толщину льда h, объемную массу льда у =0,95 т/м3, плотность ледохода Q (отношение площади, заня­ той льдом, ко всей площади водной поверхности на участке мостово­ го перехода), длину части ледяного поля, с которой давление пере­ дается на опоры моста, равной 3В (по исследованиям А. М. Латышенкова), скорость движения льда ол, равной 0,9 поверхностной скорости течения оДОв и ускорение силы тяжести g = 9,81 м/с2, то при числе промежуточных опор моста, равном п, запас кинетической энергии ледяного поля Т в т-м, передаваемый одной опоре, будет равен

т	М у /	р -0,95ft-3 5 2	- 0 , 8Ь2„ов	В*Н?у \ ов
	2я	2gn		8,5л

Работу А в т-м по разрушению льдины шириной L, навалившей­ ся на опору моста, определяют формулой A —KbhL, где К — удель­ ное расчетное давление льда на опору, принимаемое по табл. II.6; Ь — ширина опоры, м.

45

Т А Б Л И Ц А П.6

Удельное расчетное давление льда К, т/м2

			Скорости движения льдин		vg, м/с
	Форма режущей грани			* '-С
	опоры в	плане	1.0	" 2,0	3.0
Прямоугольная			45	30	23
Полуциркульная			41	27	21
Треугольная, 2а =120°			36	24	19
То же, 2а=90°			33	22	17
»	2а=75°		31	20	61
>	2а=60°		29	19	15
>	2а=45°		27	18	14

Остановки ледяного поля не произойдет, если запаса энергии хватит на совершение работы по разрушению льдины.

Таким образом, получаем условие беззаторного пропуска льда через пролеты моста:

B ^ h p t^n p n .	.	В .	8,5KbL
> KbhL		или — > — - —
8,5«		И	Р^повб

Величина пролета 1=В/(п+1) «0,85В/п.

Следовательно, минимальная величина пролета, при которой обеспечивается беззаторный пропуск льда,

^прол =	7,ЗКЩ (р?\овВ).	(II. 19)
При отсутствии данных натурных наблюдений		принимают
L= 0,1BP, гре Вр— ширина	реки при расчетном уровне ледохода,

ио=0,7.

Втабл. II.6 значения К даны для европейской части СССР, за исключением среднего и нижнего течения рек бассейна Северного Ледовитого океана; для рек Севера и Сибири табличные значе­ ния К умножаются на 1,5 в их среднем течении и на 1,7 — в нижнем.

Гл ав а III

ИЗЫСКАНИЯ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

§ III.1. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

Полевым изыскательским работам предшествует подготовитель­ ный период. В этот период собирают и изучают материалы, харак­ теризующие район расположения мостового перехода и режим дан­ ной реки, предварительно выбирают место перехода, намечают возможные варианты трассы, собирают сведения о местоположении постоянных и временных реперов, составляют программу полевых работ и организуют изыскательские партии.

ОснЬвой изыскательских работ являются картографические ма­ териалы. Для выбора места перехода и его трассирования удобно пользоваться картами крупного масштаба (не мельче 1:100000).

Сопоставление материалов разновременных съемок позволяет установить тип руслового процесса и его интенсивность на участке мостового перехода.

Гидрологический режим реки изучают на основании литератур­ ных источников и ведомственных материалов. В настоящее время систематические наблюдения за гидрологическим режимом рек ве­ дут на стационарной сети постов и станций Гидрометеослужбы

СССР. Результаты этих наблюдений публикуют в изданиях Глав­ ного управления Гидрометеослужбы и Государственного гидрологи­ ческого института (ГГИ).

Дополнительные материалы по гидрологическому режиму рек можно получить в организациях, выполняющих проектно-изыска­ тельские работы на реках (в Гидропроекте, Гидроречтрансе, Гипроводхозе и др.).

Для изучения климатических условий района расположения мостового перехода собирают данные наблюдений, проводимых на ближайших к переходу метеостанциях (сведения об осадках, темпе­ ратуре воздуха, скорости и направлении ветра). Результаты этих наблюдений публикуют в справочниках по климату СССР, а также в метеорологических ежемесячниках и ежегодниках.

Сведения о геологических условиях района перехода и о карье­ рах строительных материалов можно получить в Геолфонде и архи­ вах республиканских и местных геологических управлений.

В местном бассейновом управлении пути Министерства речного флота, а также в сплавных организациях получают сведения, ха­ рактеризующие условия судоходства и сплава (класс реки, лоц­

47

манские карты или атласы судоходных рек с судовыми ходами, га­ бариты судов, интенсивность судоходства и сплава).

При наличии поблизости от проектируемого мостового перехо­ да других переходов необходимо ознакомиться с проектно-изыска­ тельскими материалами по ним, а также изучить опыт их эксплуа­ тационного содержания. Сведения об этих переходах могут быть получены в управлениях железных или автомобильных дорог.

Втех случаях, когда мостовой переход располагается вблизи населенных пунктов или промышленных объектов, необходимо в местных учреждениях (городских архитектурно-планировочных уп­ равлениях, плановых отделах райисполкомов и т. д.) получить пла­ ны существующей и перспективной застройки населенного пункта или промышленного предприятия, а также планы расположения на­ бережных, пристаней, электростанций и других сооружений.

Вподготовительный период тщательно изучают возможные ис­ точники снабжения строительства мостового перехода всеми основ­ ными строительными материалами. Устанавливают ближайшие ба­ зисные карьеры камня, гравия и песка. Собирают сведения о строи­

тельных, промышленных и транспортных предприятиях, которые могут быть использованы в процессе строительства мостового пе­ рехода. Изучают возможность временного энергоснабжения, во­ доснабжения, газоснабжения и теплоснабжения всех производст­ венных предприятий строительства и согласуют условия их полу­ чения. Собирают сведения о наличии жилого и культурно-бытово­ го фонда.

Детальное изучение собранных в подготовительный период ма­ териалов позволяет составить общее представление о гидрологи­ ческом режиме реки, климатических *и геологических условиях района мостового перехода, наметить варианты трассы перехода, дать ориентировочные проектные решения (расчетный расход во­ ды, отверстие моста, размеры регуляционных сооружений, возмож­ ную глубину размыва подмостового русла), определить необходи­ мый объем полевых изыскательских работ по каждому варианту, ус­ тановить метод их производства, составить программу полевых ра­ бот и наметить сроки их выполнения.

Перед началом полевых работ на основании картографических материалов составляют ситуационно-гидрологическую схему мос­ тового перехода. На ней показывают все варианты трассы перехода, намечаемые створы наблюдений, водомерные посты и участки крупномасштабной съемки. Схема должна охватывать участок рус­ ла и пойм протяженностью не менее полуторной ширины разлива при расчетном уровне высоких вод (РУВВ) вверх по течению от верхнего варианта перехода и не менее одной ширины разлива вниз по течению от нижнего варианта перехода.

Ситуационно-гидрологическую схему мостового перехода со­ ставляют в следующих масштабах: 1:50 000 — для рек с шириной русла более 500 м; 1:25000 — при ширине русла 250—500 м; 1:10000 — при ширине русла 100—200 м и 1:5000 — при ширине русла менее 100 м.

48

В процессе проведения полевых работ в ситуационно-гидроло­ гическую схему вносят коррективы. В частности, уточняют поло­ жение размываемых берегов русла, побочней, рсередков, островов и действующих протоков; уточняют границы растительности на поймах; устанавливают следы прохода высокой воды на поймах (по отложениям наносника на деревьях и кустах), следы интенсив­ ных течений в пониженных местах пойм (по отложениям гравия и песка), следы выхода льда на поймы (по наличию поврежденной льдинами коры деревьев), места образования заторов льда и т. д. Все эти данные наносят на ситуационно-гидрологическую схему. На этой схеме показывают также дороги, мосты, плотины и другие сооружения, которые отсутствуют на исходных картографических материалах, но оказывают определенное влияние на режим реки в месте перехода.

Ситуационно-гидрологическая схема мостового перехода явля­ ется обоснованием всей программы изыскательских работ.

Для проведения полевых работ“формируют изыскательские от­ ряды (на переходах через малые реки с несложными гидрологиче­ скими условиями), изыскательские партии или экспедиции, состоя­ щие из нескольких партий (на переходах через крупные реки); их оснащают необходимыми инструментами, оборудованием и транс­ портными средствами.

§ II1.2. ВЫБОР МЕСТА И ТРАССИРОВАНИЕ МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА

Выбор места мостового перехода - - ответственная задача про­ ектно-изыскательских работ. Так как мостовой переход является частью железной или автомобильной дороги, то, как правило, рай­ он перехода намечают с учетом общего направления данной доро­ ги. Но бывают и такие случаи, когда предварительно выбирают наиболее удобный участок реки для расположения мостового пере­ хода и направление трассы дороги подчиняют намеченному створу перехода. Это приводит к некоторому удлинению дороги. Такие случаи встречаются, например, при пересечении глубоких долин или больших рек с широкими поймами. Иногда отклонение трассы до­ роги к выбранному месту перехода диктуется необходимостью со­ блюдения требований судоходства. Чем крупнее река и чем ниже категория дороги (а значит, меньше и интенсивность движения на ней), тем целесообразнее бывает отклонять трассу дороги у ре­ ки к намеченному оптимальному месту перехода.

На рис. III.1 показаны два варианта мест расположения авто­ дорожного мостового перехода через равнинную судоходную реку.

Место перехода по варианту / выбрано с учетом общего на­ правления дороги, при этом длина его является более короткой (составляет 15,4 км). В этом случае переход пересекает реку в том месте, где она имеет очень широкую пойму. Во время высоких вод ширина разлива реки достигает 6,5—7,0 км. Здесь, кроме корен­ ного русла, расположенного вдоль правобережной границы разли­ ва, имеется постоянно действующий проток, который является ис­

4-2470

49

/ — совпадающий с направлением трассы дороги; / / — с отклонением трассы дороги к выбранному месту перехода

Рис. III.1. Варианты мест перехода через равнинную реку:

точником водоснабжения населенных пунктов, находящихся на ле­ вом берегу реки. Через коренное русло, по которому осуществля­ ется судоходство, и через проток запроектированы два железобе­ тонных моста.

Место перехода по варианту II находится ^и^ке по течению на расстоянии 4,6 км, его определили после предварительного выбора наиболее удобного участка реки для расположения мостового пере­ хода. В этом варианте направление трассы дороги подчинено вы­ бранному створу перехода, здесь река имеет узкую пойму. Во вре­ мя высоких вод ширина разлива реки не превышает 2,5 км. Корен­ ное русло находится посередине ширины разлива. Переход в этом случае имеет большую длину, чем в I варианте (21,7 км). На пе­ реходе запроектирован один железобетонный мост.

Строительная стоимость варианта /, имеющего два железобе­ тонных моста и длинные под­ ходные насыпи, больше, чем варианта II, а протяженность его меньше, следовательно, меньше и транспортные расхо­ ды, поэтому целесообразность выбора того или иного вариан­ та может быть установлена только на основании технико­ экономических расчетов (см, гл. X). При большой интенсив­ ности автомобильного движе­ ния, характерной для дорог высоких категорий (I, II и III), транспортные расходы по пер­ вому варианту будут значи­ тельно меньше, чем по второ­ му, поэтому разница в строи­ тельной стоимости вариантов

окупится сравнительно быстро. Следовательно, вариант I экономи­ чески выгоднее варианта II. При небольшой интенсивности движе­ ния, характерной для дорог низких категорий (IV и V), разница в строительной стоимости данных вариантов может долго не оку­ питься. Значит, вариант I будет экономически менее выгодным, чем вариант II.

Прежде чем наметить конкретные варианты трассы мостового перехода, устанавливают зону их возможного расположения. За­ тем по планам или картам проводят камеральное трассирова­ ние вариантов. Конкурентоспособные варианты отбирают для поле­ вого трассирования.

При трассировании мостового перехода должны соблюдаться определенные требования.

Ось перехода следует располагать, как правило,' нормально к направлению руслового и пойменного потоков при расчетном па­ водке. Косое пересечение допускается только при наличии технико­

50