содержание   ..  60  61  62  63  64  65  66 

§ 74. ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕРОЯТНОСТИ ПРЕВЫШЕНИЯ ПАВОДКА И ГЕНЕРАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕРЕХОДА

Нормативные значения вероятностей превышения (ВП) паводков для расчета отверстий транспортных водопропускных сооружений, введенные в ТУ с 1936 г., не имеют достаточных технико-экономических обоснований. Они назначены исходя из приблизительной оценки значимости дорог и срока службы сооружений, но не дают обеспечения сохранности последних за эти сроки.

Вероятность прохода паводков более редких, чем предусматривают ТУ, увеличивается пропорционально возрастанию числа сооружений. Например, если для одного сооружения паводок ВП 1% будет превышен в среднем 1 раз в 100 лет, то для 100 сооружений его превышение возможно уже 1 раз ,в год, для 1000 сооружений — 10 раз в год и т. д. Вероятность прохода редких паводков увеличивается с возрастанием срока службы сооружений. Так, за период службы сооружения примерно 100 лет число превышений рассмотренных 100 и 1000 сооружений вместо 1 и 10 раз в год составят соответственно 100 я 1000 случаев в год. Следовательно, на транспортной сети СССР несколько тысяч сооружений ежегодно имеют превышения расчетного паводка. Однако замечают лишь те превышения расчетного паводка, при которых сооружение повреждается или разрушается.

Таким образом, увеличенные числа прохода высоких паводков и, следовательно, возрастание числа повреждений или разрушений транспортных сооружений в данном районе происходит вследствие увеличения количества сооружений и по мере возрастания срока их службы. Это четко выявляется, например, при анализе американской статистики по ущербам от наводнений за 50 лет [9, 10].

Возрастание числа редких паводков обусловливается также вмешательством человека в природные процессы. Использование земель, сопровождающееся вырубкой лесов и застройкой пойм водотоков, нарушает водный баланс, вызывает эрозию почв, что способствует увеличению разрушительного действия паводков.
 

Тенденция увеличения разрушительного действия паводков прослеживается как на железных, так и на автомобильных дорогах нашей страны (рис. XVI-13, а), где ежегодный ущерб от прохода паводков выражается значительными суммами.

Это свидетельствует о необходимости пересмотра расчета сооружений, ,в основу которого положены нормативные ВП паводков. Этот принцип, не учитывающий реальную возможность прохода более высокого паводка в любой год эксплуатации сооружения, должен быть заменен принципом проектирования по экономически целесообразной ВП паводков.

В последние 15—20 лет появилось несколько исследований по обоснованию ВП паводков для проектирования гидротехнических и транспортных водопропускных сооружений: Н. П. Чеботарева, Со-юздорнии — МАДИ, С. Н. Крицкого—М. Ф. Менкеля, Ю. А. Тюрина, Д. JT. Соколовского и др. Из иностранных источников следует отметить работу У. В. Гулда (Австралия). В этих исследованиях наметилось два подхода к решению проблемы: технико-экономический и формально-статистический. К исследованиям прогрессивного, технико-экономического подхода к решению проблемы относится работа Н. П. Чеботарева, развитая позже С. Н. Крицким и М. Ф. Менкелем [64], Союздо>рнии — МАДИ [9, 47] и У. В. Гулда [158].

В работе С. Н. Крицкого и М. Ф. Менкеля факторы, определяющие эффективность капиталовложений, учитываются с достаточной полнотой. Однако, приняв связь максимального расхода со средним расходом и ВП в виде степенной функции (исходя из биноминальной кривой Пирсона III типа), авторы завысили значение максимумов в зоне редких ВП. Исходную зависимость для расчета авторы приводят в виде сложного уравнения с параметрами, определение которых представляет большие трудности.

Уравнение (XVI-34) содержит доступные для определения параметры. Решение уравнения производится графо-аналитически (см. рис. XVI-13, б), оптимальной ВП паводка соответствует наименьшая стоимость сооружения.

Недостатками методики Союздорнии — МАДИ 1963 г. являются неоправданный учет амортизационных отчислений (этим текущие эксплуатационные расходы учитываются по существу 2 раза), а также неразработанность вопросов оценки возможных ущербов от прохода редких паводков. В частности, расчетная зависимость (XVI-34) не учитывает народнохозяйственный ущерб, а эксплуатационный ущерб в ней принят постоянным (y = const).

Группа авторов в разное время выступила с обоснованием ВП расчетных паводков с формально-статистических позиций (А. А. Морозов, 1952 г., Ю. А. Тюрин, 1957—1969 гг. и др.). Они рассматривают возможное число превышений нормативных ВП за срок службы сооружения исходя из распределения максимальных расходов по биноминальной кривой Пирсона III типа. Это распределение (см. главу VI) вследствие резкого возрастания конца интегральной кривой в зоне экстраполяции по сравнению с физически более обоснованными кривыми, имеющими предел (например, кривые Пирсона I типа, Е. В. Болдакова, Г. П. Калинина — Н. В. Никольской), дает в значительной степени преуменьшенные ВП.

Попытки обоснования ВП паводка для определения размеров гидротехнических и транспортных сооружений с формально-статистических позиций нельзя признать убедительными. В этом вопросе решающую роль должны играть технико-экономические критерии вложения средств на постройку и эксплуатацию сооружений.

Из рассмотренных подходов к решению проблемы, как наиболее отвечающая специфике транспортных водопропускных сооружений, заслуживает внимания зависимость (XVI-34), но и она нуждается в ряде поправок.

Как и в зависимости (XVI-34), примем, что возможные ущербы от прохода паводка пропорциональны вероятности этого паводка р, %, а расходы на ремонт и содержание мостового перехода, не зависящие от паводка, постоянны.

Строительный ущерб. За срок службы мостовой переход, сооружения которого рассчитаны на нормативный паводок, могут быть подвергнуты действию более высокого паводка, в том числе и разрушающего. Следовательно, необходимо предусмотреть проход в сооружении всей серии возможных паводков, превышающих расчетный.

Критерием сохранности сооружения при этом будут гидравлические параметры потока, сравниваемые с допускаемыми. Такими параметрами, в первую очередь, являются: подпор перед сооружением, скорость в русловой и пойменных частях отверстия моста, коэффициент размыва, глубина перелива насыпи и время размыва грунтов по д м о ст о.в о го русла и земляного полотна высоким паводком.

Подпор перед сооружением, даже достаточно высокий для широкого земляного полотна автомобильных дорог, с точки зрения фильтрации воды через тело насыпи обычно не представляет опасности.

Увеличение глубины размыва опасно при перегрузке отверстия моста максимальным расходом ориентировочно в 1,2—1,4 раза.

Перелив насыпи автомобильной дороги безопасен при глубине потока над осью дороги не более 0,10—0,20 м и сравнительно коротком действии высокого паводка. Дальнейшее увеличение глубины перелива, вследствие больших скоростей потока на низовом откосе [21], вызывает разрушение земляного полотна. Разрушение будет тем большим, чем продолжительнее перелив земляного полотна.

Методика расчета элементов мостового перехода на паводки разной ВП освещена в литературе [9, 21, 47]. При паводках весьма редкой ВП (0,01% и реже) в расчет вводятся уменьшенные по сравнению с нормативными запасы на возвышение бровки земляного полотна и низа конструкций пролетных строений — 0,25 ж, на заложение опор на естественном основании ниже наибольшего размыва — 1,0 ж.

При расчете фундаментов массивных опор глубокого заложения на грунтовом основании на 'Д -ширины фундамента допускается зона пластических деформаций; расчетное сопротивление свай по грунту повышается на 20%'.

Таким образом имеются основные параметры для определения генеральных размеров мостового перехода. Это, однако, не означает, что перечисленных параметров достаточно для определения теоретическим путем строительного ущерба.

Методика определения строительного ущерба теоретическим путем сводится к следующему. Назначают отверстия сооружений на серию паводков от нормативных до весьма редких, в том числе паводка ВП 0%. Затем каждое из сооружений рассчитывают на более редкие паводки по сравнению с расчетным и, пользуясь описанными критериями, определяют степень разрушения моста и подходов.

Однако ряд факторов, влияющих на степень разрушения перехода, теоретической оценке не поддается. Сюда относится, в первую очередь, время, в течение которого грунты подмостового русла и земляного полотна будут размыты паводочной волной; нельзя оценить и такие факторы, как качество строительных работ и содержания сооружения в эксплуатации.

Поэтому необходимо использовать натурные данные, характеризующие размеры разрушений элементов мостового перехода высокими паводками.

Собранные данные о разрушении около 300 переходов высокими паводками 1963, 1966, 1969 и 1970 гг. позволили установить ориентировочные величины строительного ущерба в зависимости от генеральных размеров сооружений.

В преобладающем большинстве случаев разрушение происходит, как (Показано на рис. XVI-14.
 

Эксплуатационный и народнохозяйственный ущерб. Исследования показывают, что наиболее значимым параметром, определяющим минимум приведенных затрат (XVI-35), является эксплуатационный ущерб, возникающий при повреждении или разрушении перехода редкими паводками. Вместе с тем это и наиболее трудно определимый параметр, зависящий от большого количества факторов (интенсивность движения на дороге, развитость дорожной сети и дислокация строительно-эксплуатационных организаций в данном
районе, рельеф местности, грунтовые и климатические условия, сезон перевозок). На эти факторы накладывается трудоемкость работ по восстановлению перехода.

Поэтому определение ущерба только теоретическим путем вряд ли даст достоверные результаты.

Другим путем решения вопроса является ориентировочная оценка ущерба на основе рассмотрения ряда моделей транспортных условий, складывающихся при разрушении перехода, и увязка полученных результатов со статистическими данными эксплуатационных организаций.

Обычно восстановление движения на дороге при разрушении перехода паводковыми водами производится:

с сохранением движения транспортных средств путем устройства временного объезда, что вызывает потери из-за снижения скорости;

с переключением движения на смежные дороги, что связано с перепробегом транспортных средств;

с закрытием движения по дороге, что вызывает простой транспортных средств.

Объезд поврежденного участка дороги автомобилями может производиться по естественной грунтовой дороге или по специально построенному обходу с покрытием Низшего типа. В последнем случае для постройки обхода даже небольшой протяженности (0,5— 1 км) требуется несколько суток, т. е. время во многих случаях, превышающее восстановление искусственного сооружения и дороги. Поэтому в преобладающем числе случаев (по крайней мере на дорогах IV—V категорий) проезд транспортных средств организуют по естественной грунтовой дороге.

Число прохода автомобилей по одной колее ограничено и определяется плотностью (консистенцией) грунта и грузоподъемностью автомобиля. При мягкопластичных грунтах проезд невозможен из-за образования глубокой колеи и высокого' коэффициента сопротивления при движении. При твердопластичных грунтах условия проезда удовлетворительны, а при твердых — хорошие. В период прохода паводков из-за насыщения грунтов водой возможность проезда автомобилей резко снизится. В этих условиях при применении тракторной тяги можно рассчитывать на пропуск в течение суток лишь 20—50 автомобилей грузоподъемностью 3 т, что соответствует дороге V категории.

Отсюда видно, что грунтовой объезд может быть использован на дорогах V (в некоторых случаях — IV) категорий, а для дорог более высоких категорий необходимо построить объезд с твердым покрытием. В последнем случае эксплуатационный ущерб возрастает за счет удлинения срока строительства объезда.
 

Ущерб народному хозяйству из-за задержки доставки грузов определяется по формуле (XVI-22).

Возможность переключения движения автомобилей, на смежные дороги зависит от развитости дорожной сети в данном районе, рельефа местности, от количества автомобилей, которое необходимо направить в обход, и интенсивности движения на смежных дорогах.

Чем больше развита дорожная сеть, тем больше .возможностей для организации движения в обход того или иного участка дороги, поврежденного паводковыми водами. Поэтому при одинаковом объеме перевозок в двух сравниваемых районах эксплуатационный ущерб в случае выхода из строя участка дороги будет больше в том районе, где менее развитая дорожная сеть.

Это положение подтверждает анализ данных по транспортным условиям, сложившимся на автомобильных дорогах ряда областей и краев РСФСР и УССР в выдающийся паводок 1970 г. Такого рода данные позволили определить суммарные эксплуатационные ущербы и сопоставить их (рис. XVI-16) с характеристиками развитости дорог с твердым покрытием в данном районе.