содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

Глава I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗЫСКАНИИ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ

§ 1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СООРУЖЕНИЙ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ

Мостовые переходы состоят из моста, пойменных подходов, высоководных регуляционных сооружений у моста и низководных в русле, если необходимо его выправление.

Переходы через большие и малые реки возникли в начале образования человеческого общества. Передвижение для поисков лучших условий охоты, мест поселений заставляли переправляться через реки на подручных средствах, искать броды, делать мостки и пр. Имеются сведения о мостах Александра Македонского через реки Евфрат и Инд, Трая.на— через Дунай, наплавном мосту Дария через пролив Босфор, римских мостах начала нашей эры и мостах средних веков в Европе, Иране, Индии и Китае.

Как тогда назначались отверстия мостов, неизвестно. Однако паводковыми водами были разрушены каменные римские мосты, мост через р. Темзу в Лондоне в 1031 г., мост через р. Сену в Париже в 1174 г., который затем до 1409 г. разрушался 3 раза.

Мосты разрушались при паводках, на проход которых их не рассчитывали, поэтому потребовались рекомендации для выбора отверстия моста.

В 1728 г. французский инженер Э. М. Готей — генеральный инспектор мостов и дорог Франции — предложил при определении отверстий мостов исходить из желательной средней скорости течения и отсутствия больших подпоров.

В 1775 г. директор дорог и мостов Парижа Шези вывел формулу для определения скорости потока теоретическим путем (IV—I), широко применяющуюся в разной интерпретации в настоящее время.

В 1810—1815 гг. Д. Ренни построил несколько каменных мостов с учетом соразмерности отверстия моста с расходом воды.

На научную основу расчет отверстий впервые был поставлен проф. Н. А. Белелюбским в 1875 г. Он установил, что бытовая неразмывающая скорость в русле реки при тех же грунтах на свободном створе в 2—3 раза больше, чем неразмывающая в искусственных руслах. Это он объяснял тем, что размывы на реке восполняются наносами, пришедшими сверху. Перекрытие поймы подходами увеличивает расход и скорость под мостом, где возникает размыв, который, ло предположению Н. А. Белелюбского, должен прекратиться, когда восстановится бытовая скорость. Поэтому для расчета отверстия за основу следует принимать бытовую скорость в русле. Отверстие моста через р. Волгу было им рассчитано на бытовую скорость около 1,6 м/сек при песчаном русле. Для уменьшения отверстия моста применяли срезку поймы под уровень средней межени. Скорость под мостом на срезке принимали 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 привился, так как слишком различными оказались климатические, ситуационные 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 сохраняется 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 морфометрические обследования на ряде мостовых переходов, в результате которых были изменены многие рекомендации по изысканиям. Е. В. Болдаковым был разработан метод натуральных площадей по переносу рабочей площади под мостом вниз и вверх по реке с поправкой на грунты и составлена таблица (1933 г.), в которой для каждого грунта была приведена определенная скорость в русле. М. Ф. Срибный опубликовал работу о коэффициентах шероховатости, которая внесла большие изменения .в методику морфометрических расчетов. В последующем выявилось, что средняя скорость увеличивается после размыва при той же донной за счет изменения эпюры скорости на вертикали. Наблюдения показали, что под мостами в пойменной части скорости могут быть меньше скорости в русле. Вследствие такого распределения скорости и расхода размыв под мостом в русле может быть больше расчетного, 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. JI. Лиштвана, О. В. Андреева, И. И. Херхеулидзе и др.).

В результате исследований, проводившихся с 50-х годов, выявилась 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 размыве. По пойме идет чистая вода, в подмостовом русле она разбавляет наносы и может увеличить размыв. С другой стороны, пойменный поток, увеличивая бытовой расход перед мостом, размывает берега, углубляет русло и является причиной увеличения расхода наносов, а следовательно, и уменьшения размыва.

Отверстие моста стесняет живое сечение по оси перехода по расходу 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 направление 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. Квирила 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 странах не сохранилось.

Первые дамбы были криволинейными. В 1890—1900 гг. считали, 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 односторонней 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 пропускать в половодье только 10% расхода. В остальной части моста произошли размывы. Повторить такое ошибочное решение предполагали на переходе р. Волги у г. Горького в 1931 г., но гидрометрические наблюдения на этом переходе и переходе у г. Мурома показали, что необходима криволинейная дамба со стороны поймы.

Регуляционные сооружения и подходы к мостам требуют защиты от подмыва, ледохода и волны, а в некоторых случаях от фильтрации. Конструкции укреплений назначали по малому количеству опытов. Плотины, обвалования и мостовые переходы в XIX и начале XX в. рассчитывали на высокий исторический уровень, который считался наивысшим возможным на данной реке. С годами начали проходить более редкие паводки, отчего разрушались 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, имеющие редкую вероятность превышения. Инициатором этого был Д. Соколовский (1930 г.). На железнодорожном транспорте новые нормы были введены в 1936 г., на автодорожном — в 1937 г., для плотин — в 1938 г. За рубежом большие плотины рассчитывают теперь на расход с нулевой ВП, т. е. на предельно возможный паводок на данной реке. По исследованиям некоторых специалистов в СССР такой расход близок к удвоенному расходу с ВП1 : 100 (1%).

При пересечении дорогой оврагов, ручьев и малых рек возводят 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 малых сооружений, по-видимому, не рассчитывали даже в средние века. Расчет отверстий сооружений стал актуальным, когда началось строительство железных дорог. С 1857 г. появились эмпирические 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 гидрографа; Н. Дмитриев (1883 г.) предложил метод изохрон; большие наблюдения провели Н. Е. Долгов (1908—1915 гг.), Д. И. Кочерин (1927 г.) и др.

В литературе опубликовано множество формул для расчета расходов с малых бассейнов.

Реформу в методике расчета стока осуществил проф. М. М. Протодьяконов 1891—1965), который в 1931 г. впервые разработал теорию стока, основанную на схематизации явления и ряде теоретических расчетов с параметрами, определяемыми опытным путем. Он исходил из условия, что поскольку величина максимального расход зависит от 15 переменных, для создания эмпирической формулы надо иметь большое количество достоверных расходов, чего в наличии нет. Зная теорию стока, можно располагать меньшим числом расходов и получать их в натуре и на стоковых станциях. Параметры, входящие в теоретическую формулу, определяют опытным путем, например потери на впитывание для разных почв, слой водоотдачи — (стока) как разность между осадками и потерями, скорость стекания по логам и склонам. Схематизация водосбора была принята М. М. Протодьяконовым в виде раскрытой книги. Расход находили методом изохрон. К 1940 г. появились теории стока М. Ф. Срибного и Г. Д.. Дубелира, но они мало применялись на практике.

Против теории М. М. Протодьяконова имелись возражения, относящиеся к схематизации бассейна, поскольку считали, что реальный бассейн не имеет ничего общего с раскрытой книгой и что воообще нельзя учесть все многообразие рельефа, почв и пр. Однако 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 организациями проходили на многих совещаниях и конференциях в 1932—1947 гг. Выступали с эмпирическими или полуэмпирически-ми методами 10 авторов. После конференции ГГИ в 1947 г. МПС и Гушосдор как организации наиболее заинтересованные приступили к разработке этой проблемы.

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

Полученные ответы показали, что авторы имеют большое разнообразие мнений и прямо противоположные предложения. Тогда стоковая комиссия разработала «Основные положения», очевидные большинству. Сбор фактических расходов показал исключительную скудность материала. Не было основного — сопоставленных данных об осадках и стоке. Отдельно по осадкам и расходам нельзя было определить вероятность превышения расходов, поэтому отпадали поиски эмпирических методов и единственным путем •было создание новой, более совершенной теории стока с параметрами, определяемыми опытным путем.

Было решено проводить исследования и разработать методы расчета в двух вариантах: по обобщенным гидрографам и непосредственным 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 запрограммировано для ЭВМ и время расчета резко сократилось. Кроме того, 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 -20 000 расчетов на ЭВМ Минск-11.

В 1949—1950 Гг. было дано решение по учету аккумуляции воды перед сооружением. Это явление, уменьшающее расход воды в сооружении, отмечал еще Н. Е. Долгов в начале этого века. 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 расходов 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. Пу-шечникова) начали применять с 1950 г. В дальнейшем развитие техники расчетов с определением наивыгоднейшего решения произведено О. А. Рассказовым, А. А. Кургановичем и др. По подсчетам 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 учитывать удлинение рядов наблюдений.

Из зарубежных данных при разработке теории стока использовали 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 увеличивается тематика по теоретическим вопросам и лабораторным исследованиям, которые выполняют часто в отрыве от наблюдений в натуре на свободных створах и существующих мостовых переходах. В отдельных случаях делается морфометрическое обследование, которое базируется на ранее полученных гидрометрических материалах. Все это не дает достоверных данных для проверки теоретических предпосылок в расчетах, заложенных в проекте перехода.

Лабораторным опытам придают самостоятельное значение несмотря на то, что они, как указано, часто не имеют гидрометрической основы.

Обобщая обзор проведенных работ, можно наметить следующие направления дальнейших исследований.

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

В области гидрологии: построение обоснованных наблюдениями кривых распределения для экстраполяции натурных расходов; определение границы начала экстраполяции, поскольку метеорологическая обстановка для формирования низких и средних максимумов расхода может быть другой, чем для редких; климатологические 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 баланса при разных условиях и вероятности превышения паводков; проверка принятых формул и норм данными гидрометрических наблюдений на существующих переходах; разработка метода совместной работы моста и регуляционных сооружений; расчеты групповых отверстий и переливаемых подходов; уточнение местного размыва у сооружений переходов; определение допускаемых скоростей течения для укреплений откосов и русел; расчет отверстия на ЭВМ совместно с учетом аккумуляции; исследование влияния формы бассейна на величину максимального расхода; вывод зависимостей для установления эффективности капиталовложений, включающих параметры, которые достаточно просто можно было бы определять; определение наивыгоднейших вероятностей превышения расходов в разных условиях; программирование на ЭВМ сравнения вариантов (необходимость постройки перехода, выбор моста или парома, реконструкция существующего перехода или постройка нового).