Назначение и расчет отверстия моста

5.1.Общие требования при назначении моста

Отверстием моста называют длину в свету между устоями моста или между откосами конусов за вычетом ширины промежуточных опор, отсчитываемую по расчетному уровню высоких вод /3/.

Основные общие требования, которыми руководствуются при назначении отверстий мостов, заключаются в следующем: гарантировать бесперебойность и безопасность движения транспорта; избегать большой величины подпора, что может вызвать затопление ценных земель и населенных пунктов, находящихся выше по течению от мостового перехода; на судоходных и сплавных реках соблюдать условия беспрепятственного движения судов и плотов; обеспечивать минимальные затраты средств как на строительство мостового перехода, так и на его последующую эксплуатацию.

5.2.Распределение расхода воды между частями живого сечения реки

При проектировании мостового перехода (для расчета общего размыва дна реки под мостом, определения подпора воды перед мостовым переходом и т.д.) требуется распределить расчетный расход водотока Q_Р при соответствующем ему расчетном уровне высоких вод РУВВ между отдельными частями живого сечения в створе перехода.

Расчетный расход водотока обычно распределяют между предварительно выделенными морфологически однородными участками. К таким участкам относят части живого сечения реки в створе, объединённые хотя бы одним из следующих признаков: генезис образования подстилающих грунтов; режим наносов и затопления пойм; приблизительно одинаковые отметки дна и коэффициенты шероховатости. По этим признакам в створе мостового перехода основными морфологически однородными участками являются: коренное русло реки, левая и правая поймы, а также действующие протоки и староречья (если они имеются).

Распределение расчетного расхода водотока Q_Р между морфологически однородными частями живого сечения реки (руслом, участками пойм) устанавливается расчетом в определенной последовательности.

1. Строят поперечный профиль живого сечения реки в створе мостового перехода (М_Г 1:5000,М_В 1:500) по высотным отметкам дна водотока (рис.16)

 

Рис.16. Параметры живого сечения реки

2. На поперечном профиле выделяют части живого сечения реки с одинаковыми морфологическими характеристиками: левая пойма L_ЛП, коренное русло В_КР и правая пойма L_ПП с учетом уровня меженных вод УМВ и расчетного уровня высоких вод РУВВ.

3. Вычисляют средние глубины каждой части морфоствора: левой поймы h_ЛП, коренного русла h_КР и правой поймы h_ПП по формуле (12), которые в нашем случае будут иметь вид

Определяют площади живого сечения левой поймы ω_ЛП, коренного русла ω _КР и правой поймы ω _ПП

(27)

4. Расчетный расход Q_Р при РУВВ записывают в виде

(28)

где Q_ЛП – расход, проходящий при РУВВ через левую пойму;

Q_КР – соответственно через коренное русло;

Q_ПП – соответственно через правую пойму.

5. Рассчитывают отношение расходных характеристик

(29)

где К_ЛП, К_КР, К_ПП – расходные характеристики левой поймы, коренного русла и правой поймы;

y – показатель степени, определяемый из выражений: при глубине потока h < 1 м – у = 1,5 · , если h > 1 м – у = 1.3 · или по приложению 6;

n_ЛП, n_КР, n_ПП – коэффициенты шероховатости левой поймы, коренного русла и правой поймы.

6. Определяют расход воды, проходящий через коренное русло

(30)

7. Вычисляют расход воды, проходящий через левую Q_ЛП и правую Q_ПП поймы

(31)

8. Определяют удельный расход в левой пойме q_ЛП, в коренном русле q_КР и в правой пойме q_ПП

(32)

9. Подсчитывают среднюю скорость течения потока воды в каждой части живого сечения реки

(33)

По результатам расчетов строят осредненную эпюру удельных расходов (рис.16). Все характеристики водотока при РУВВ, полученные на основании предыдущих расчетов сводят в табл.23

Таблица 23

Характеристики живого сечения реки

Части живого сечения	Ширина Li, м	Расход Qi, м^3/с	Площадь живого сечения ωi, м^2	Средняя глубина hi, м	Средняя скорость Vi, м/с	Коэффи- циент шерохова- тости n	Удель-ный расход qi м2/с
Левая пойма Корен ное русло Правая пойма	LЛП     ВКР   LПП	QЛП     QКР   QПП	ωЛП     ωКР   ωПП	hЛП     hКР   hПП	VЛП     VКР   VПП	nЛП     nКР   nПП	qЛП     qКР   qПП

Пример. Распределить расчетный расход воды Q_Р между частями живого сечения реки: левой поймы Q_ЛП, коренного русла Q_КР и правой поймы Q_ПП.

Исходные данные. Расчетный расход Q_Р=1370м³/с, отметки дна живого сечения реки в створе мостового перехода (табл. 16), расчетный уровень высоких вод РУВВ=53,50м, уровень меженных вод УМВ=49,80м, коэффициенты шероховатости левой поймы n_ЛП=0,10, коренного русла n_КР=0,033 и правой поймы n_ПП=0,067.

Последовательность расчета.

1. По отметкам каждого пикета и плюсовым точкам, которые приведены в табл. 16 (М_Г 1:5000 и М_В 1:500) строим поперечный профиль живого сечения реки (рис.17). На этом поперечном профиле наносим уровни воды в реке – уровень средней межени УМВ=49,80м и расчетный уровень высоких вод РУВВ=53,50м.

Построенный поперечный профиль реки в створе мостового перехода включает в себя главное русло реки и проток. В этом случае для

 

 

дальнейших расчетов на поперечном профиле оставляем для отверстия моста только одно главное русло, а проток пересекаем подходной земляной насыпью, превращая его в элемент участка правой поймы.

2. На поперечном профиле выделяем части живого сечения с одинаковыми морфологическими характеристиками: левая пойма L_ЛП=280 м – расстояние от уреза воды в реке при УМВ до уреза воды при РУВВ, коренное русло В_КР=450 м – расстояние от уреза воды в реке левого берега до уреза воды правого берега реки при УМВ, правая пойма L_ПП=2260 м – расстояние от уреза воды в реке при УМВ до уреза воды при РУВВ.

3. По известным значениям УМВ, РУВВ, L_ЛП, В_КР, L_ПП с учетом масштабности построенного живого сечения реки (рис.17) определяем по формуле (12) средние глубины левой поймы, коренного русла и правой поймы.

Площади живого сечения левой поймы ω_ЛП, коренного русла ω_КР и правой поймы ω_ПП вычисляем по формуле (27)

4. Расчетный расход Q_Р выразим суммарными расходами, проходящими через поймы и коренное русло реки по формуле (28)

или

5. По формулам (29) вычисляем отношения расходных характеристик

где показатель степени у при средней глубине потока воды h >1м вычисляется: для левой поймы коренного русла правой поймы

6. Расход воды, проходящий через коренное русло реки определяем по формуле (30)

7. По формуле (31) вычисляем расход воды, проходящий через каждую пойму.

8. Определяем удельные расходы в левой пойме q_ЛП, в коренном русле q_КР и в правой пойме q_ПП по формуле (32)

По полученным результатам строим осредненную эпюру удельных расходов (рис. 17)

9. Среднюю скорость течения потока воды в каждой части живого сечения реки находим по формуле (33)

Все характеристики водотока при расчетном уровне высоких вод РУВВ, полученные в результате предыдущих расчетов, сводим в табл.24

 

 

Таблица 24

Характеристики живого сечения реки

Части живого сечения	Ширина Li,м	Расход Qi, м^3/с	Площадь живого сечения ωi, м^2	Средняя глубина hi, м	Средняя скорость Vi, м/с	Коэффи- циент шерохова- тости n	Удель-ный расход qi, м^2/с
Левая пойма Корен ное русло Правая пойма	280,0     450,0   2260,0	37,0     732,0   601,0	554,4     2133,0   5401,4	1,98     4,74   2,39	0,07     0,34   0,11	0,10     0,033   0,067	0,13     1,63   0,27

 

5.3. Расчет отверстия моста

Правильное определение отверстия моста и связанный с ним прогноз деформаций подмостового русла имеют важное значение для работы мостового перехода в процессе эксплуатации. Отверстие моста характеризует весь комплекс мостового перехода, поскольку от его размера зависят гидравлические условия в районе перехода.

Расчет отверстия моста имеет общую цель оценить изменение режима речного потока, вызванное стеснением его подходными насыпями. Главными задачами расчета отверстия являются: 1) определение размывов русел и пойм у моста, что определяет глубину заложения фундаментов опор; 2) нахождение величины подпора, от которого зависит необходимое возвышение подходов к мосту и регуляционных сооружений, а также затопление местности выше по течению от перехода /3/.

Эти две задачи тесно взаимосвязаны и при расчете отверстия моста объединяются в один общий комплекс.

Для устойчивости мостового перехода необходимо, чтобы отверстие моста было не меньше ширины коренного русла реки. Преграждение даже части русла подходными к мосту насыпями приводит к резкому нарушению руслового процесса и к глубокому опасному размыву дна реки у моста, поэтому предельная схема назначения отверстия моста на равнинной реке с поймами выглядит так: мост перекрывает основное русло (в некоторых случаях основное русло и часть поймы), на поймах возводят подходные земляные насыпи, стесняющие во время паводка речной поток.

В процессе расчета отверстия моста следует наметить конструктивную схему моста, целесообразную для условий в принятом створе перехода. Эти условия определяются профилем дна и берегов, геологическим разрезом, уровнями воды, типом реки, требованиями судоходства и ледовым режимом.

Составление конструктивной схемы моста включает в себя разбивку на пролеты, выбор материала пролетных строений и опор, назначение системы пролетных строений, выбор типа опор и фундаментов и назначение основных размеров моста.

Расчет отверстия моста выполняется в следующей последовательности

1. По удельному расходу воды в коренном русле реки q_КР определяют по табл. 25 допустимый коэффициент общего размыва Р_hР^доп по глубине коренного русла.

Таблица 25

Допустимый коэффициент общего размыва

Удельный расход в коренном русле q, м^2/с Допустимый коэффициент общего размыва по глубине коренного русла РhP^доп.

до 2   2.00

1.90

1.60

1.35

1.25

20 и более     1.20

 

2. Задаемся минимальным отверстием моста, равным ширине коренного русла реки l_М=В_КР

3. Для заданного отверстия моста lм определяют коэффициент общего размыва по глубине коренного русла реки

(34)

где Q_p – расчетный расход, м³/с;

Q_КР – расход в коренном русле реки, м³/с;

x– показатель степени, зависящий от среднего диаметра частиц грунта, слагающего дно реки.

Таблица 26

Показатели степени x и

d, мм	0,10	0,30	0,50	1,00	3,0	6,0	10,0	25,0	50,0	100,0
х	0,43	0,42	0,41	0,40	0,38	0,36	0,35	0,31	0,30	0,28
	0,70	0,705	0,71	0,72	0,725	0,76	0,76	0,78	0,78	0,785

 

Средний диаметр частиц грунта d устанавливают по приложению 7, а показатели степени x и по таблице 26

4. Рассчитанное значение коэффициента общего размыва по глубине коренного русла реки Р_hР по формуле (34) сравнивают с допустимым коэффициентом общего размыва Р_hР^доп (табл. 25).

Если Р_hP ≤ Р_hP^доп., то минимальным отверстием моста l_М=В_КР задаваться можно.

Если Р_hP > Р_hP^доп, то отверстие моста необходимо увеличить. Увеличенное отверстие моста можно подсчитать по формуле

(35)

5. Назначают конструктивную схему моста.

Предварительно производится разбивка отверстия моста на пролеты. При этом для судоходных и сплавных рек необходимо выполнять технические требования /4/, предъявляемые к подмостовым габаритам судоходных пролетов мостов. Основные нормативы этих требований приведены в приложении 1. Размеры пролетных строений автодорожных мостов следует принимать по СНиПу 2.05.03-84/10/ и СНиПу 2.05.03-84^*/11/ или по приложению 8, 9.

В качестве примера на рис. 18 приведена конструктивная схема моста.

После назначения конструктивной схемы определяют минимальную допустимую отметку проезжей части по оси моста vОМ над судоходными пролетами по формуле

vОМ =РСУ + Г + К + h_{Д. О.}, (36)

где РСУ – отметка расчетного судоходного уровня;

К – конструктивная высота пролетных строении принимается по приложению 8 или 9;

Г – величина подмостового габарита принимается по приложению 1;

h_д.о. – толщина дорожной одежды на мосту (для асфальтобетонных покрытий принимается равной 0,08 – 0,12 м)

Минимальную отметку бровки подходной насыпи у моста определяют по формуле

vБП^М= vОМ – f, (37)

где f – стрела выпуклости дорожного полотна

(38)

где в – ширина проезжей части подходной насыпи, м;

а – ширина обочины, м;

i_ПЧ и i_ОБ – поперечный уклон проезжей части и обочин.

Длину моста определяют по формуле

(39)

где l_М – отверстие моста, м;

- суммарная ширина всех промежуточных опор, м;

в_ЛЕВ и в_ПР – расстояния от бровок конусов до уреза воды при расчетном уровне, м;

∆- заглубление конструкции береговой опоры в конус подходной насыпи, принимаемое равным 0,75 – 1,0 м.

Ширину промежуточных опор принимают по приложениям 8,9.

Параметры в_ЛЕВ и в_ПР определяют по формулам:

- при наличии струенаправляющих дамб

в_ЛЕВ(ПР) = Нm + в₁; (40)

- при отсутствии струенаправляющих дамб

в_ЛЕВ(ПР) = Нm, (41)

где Н – разность между отметкой бровки земляного полотна у моста БП^М и расчетным уровнем высоких вод РУВВ;

m – коэффициент заложения сухого откоса конуса, который принимается равным 1:1,25 – 1:1,5;

в_I –ширина струенаправляющей дамбы поверху (в_I =3,0 м).

6. Проверяют возможность ограничения глубины размыва по геологическим условиям. Для этого на конструктивную схему моста с геологическим разрезом наносят линию общего размыва (рис.18). Предварительно определяют коэффициент общего размыва по площади Р.

(42)

где Р_hР – коэффициент общего размыва по глубине коренного русла реки;

h_КР – средняя глубина реки в пределах коренного русла, м;

h_БМ – средняя глубина в пределах конструктивной схемы моста, м.

Среднюю глубину h_БМ определяют по формуле (12) или по формуле которая имеет вид

(43)

где ω_БМ – площадь живого сечения в пределах принятой конструктивной схемы моста, м;

l_М – длина отверстия моста, м;

Затем глубину потока воды на каждом пикете и плюсовой точке h в пределах отверстия моста l_М, считая от РУВВ, умножают на коэффициент общего размыва по площади Р. Значения Рh откладывают на каждой соответствующей вертикали вниз от РУВВ. Полученные точки соединяют пунктирной линией, которая и будет являться линией общего размыва (рис.18).

При этом, если линия общего размыва не заходит в трудноразмываемый грунт, то ограничения размыва по геологическим условиям не будет. Если линия общего размыва будет заходить в трудно размываемый грунт, то отверстие моста l_М необходимо увеличить на l_q таким образом, чтобы площадь потока в дополнительном отверстии ω_q равнялась площади ω_Н неразмываемого грунта, расположенного выше линии общего размыва (рис.19).

Рис. 19. Схема к увеличению отверстия моста по геологическим условиям

Пример. Определить отверстие моста, проектируемого через реку Сок.

Исходные данные. Расчетный расход реки Q_P = 1370м³/с, расход воды, проходящий через коренное русло реки Q_КР =732м³/с (табл.24), ширина коренного русла реки В_КР =450м (рис.17), расчетный судоходный уровень РСУ равен 52.34 м, отметки дна реки в створе мостового перехода (табл.16), геологический разрез в створе мостового перехода (табл.27). Класс реки VII.

 

Таблица 27

Геологическое строение в створе мостового перехода

Наименование грунтов, пород	Скважины и их месторасположение
№2 ПК10+65	№3 ПК15+47	№4 ПК20+27	№5 ПК42+50
Песок мелкий	2,2	2,0	2,5	1,8
Песок средний	4,5	3,3	3,9	4,2
Глина	3,0	5,8	4,8	4,5

 

Последовательность расчета.

1. По удельному расходу воды в коренном русле реки (табл.24) q_КР=1,63м²/с определяем по таблице 25 допустимый коэффициент общего размыва по глубине коренного русла реки Р_hР^доп =2,0.

2. Назначаем минимальное отверстие моста, равным ширине коренного русла реки l_М = В_КР = 450м.

3. Для назначенного отверстия моста l_М =450м определяем коэффициент общего размыва по глубине коренного русла реки по формуле (34)

 

где показатель степени устанавливаем по таблице 26, средний диаметр частиц грунта d = 0,1 мм по приложению 7, а наименование грунта определяем по геологическому разрезу (табл.27)

4. Сравниваем рассчитанное значение коэффициента общего размыва по глубине коренного русла реки Р_hР с допустимым коэффициентом общего размыва Р_hР^доп. Так как Р_hР = 1.55< Р_hР^доп = 2.0, то минимальным отверстием моста l_М = 450м задаваться можно.

5. После установления отверстия моста переходим к назначению конструктивной схемы моста. При разработке конструктивной схемы моста, которая обеспечивала бы перекрытие пролетными строениями отверстие моста l_М = 450 м, в первую очередь решается вопрос о выполнении технических условий судоходства и сплава. Технические требования для VII класса реки предъявляемые к подмостовым габаритам судоходных пролетов, даны в приложений 1 и соответствуют следующим параметрам: ширина подмостового габарита для пролета низового направления движения судов Г – 40 м; для пролета взводного направления судов Г – 30 м; высота габарита в средней части каждого судоходного пролета, считая от РСУ равна 7,0м.

Исходя из этих размеров, можно полагать, что типовые пролетные строения длиной 42 м и 33 м, а также конструкции, превышающие эти размеры, обеспечат выполнения требований ГОСТа 26775 – 97 для VII класса реки.

Остальная часть отверстия моста может быть перекрыта типовыми пролетными строениями, основные размеры которых приведены в приложениях 8 и 9.

Для отверстия моста l_М = 450 м с учетом сопряжения с береговыми опорами моста назначается предварительная конструктивная схема моста, состоящая из 6 пролетных строений по 33 м, 2-х пролетных строений по 42 м и 6 пролетных строений по 33 м или в общем виде: 6х33+2х42+6х33, где судоходные пролеты перекрываются пролетными строениями длиной по 42 м.

После назначения предварительной конструктивной схемы моста по формуле (36) определяем минимальную допустимую отметку проезжей части по оси моста над судоходными пролетами

vОМ =РСУ + Г + К + h_{Д. О} = 52,34 +7,0 +2,33 +0,10 = 61,77 м

Отметка бровки подходной насыпи у моста вычисляется по формуле (37)

VБП^М = vОМ – f = 61,77 – 0,22 =61,55 м

где стрелу выпуклости дорожного полотна f вычисляют по формуле (38)

Перед определением длины моста L_М вычисляют параметры, входящие в расчетную формулу (39)

Устанавливается суммарная ширина тринадцати промежуточных опор конструктивной схемы моста. Ширина каждой опоры определяется по приложению 8, где указано что для пролетов длиной 33 м и 42 м ширина опоры в равна 2 м, тогда

Вычисляются расстояния от бровок конусов береговых опор до уреза воды при РУВВ – в_ЛЕВ и в_ПР по формулам (40,41)

Предварительно устанавливается необходимость проектирования струенаправляющих дамб. Струенаправляющая дамба предусматривается в случае, когда на участке поймы, перекрытой насыпью при РУВВ, проходит не менее 10 – 15% расчетного расхода воды в реке.

В табл.24 расход Q_ЛП =37м³/с составляет менее 10% от расчетного расхода Q_Р = 1370м³/с, а расход Q_ПП = 601 м³/с превышает 10% от Q_Р. Поэтому струенаправляющую дамбу следует проектировать только на правой пойме.

Подставив в выражения (40,41) численные значения получаем

в_лев = Н·m =8,05·1,5=12,08 м;

в_пр= Н·m + в₁=8,05·1,5+3,0 =15,08 м,

где Н =БП^М – РУВВ =61,55 –53,50 = 8,05 м; заложение сухого откоса 1:1,5; ширина дамбы поверху в₁ = 3 м; заглубление конструкции береговой опоры в конус подходной насыпи принимается Δ = 0,75м.

Подставляя известные значения в формулу (39) получаем расчетную длину моста

Выполненные расчеты дают возможность построить конструктивную схему моста (рис.20). При построении конструктивной схемы моста асштабы (горизонтальный, вертикальный и масштаб грунтов) назначают одинаковыми, т.е. М_Г=М_В=М_ГР.

6. Выполняем проверку возможности ограничения глубины размыва дна реки в створе моста по геологическим условиям. С этой целью на геологический разрез конструктивной схемы моста наносим линию общего размыва в пределах отверстия моста.

Для построения линии общего размыва на конструктивной схеме моста (рис.20) вычисляем коэффициент общего размыва по площади Р, используя формулу (42).

В этой формуле: коэффициент общего размыва по глубине коренного русла реки, полученный по расчету (34), равен Р_hР = 1,55, средняя глубина коренного русла реки h_КР=4,74м (табл.24), т.к. в нашем случае отверстие моста соответствует ширине коренного русла реки (l_М=В_КР), то средняя глубина в пределах конструктивной схемы моста h_БМ равна средней глубине коренного русла реки h_КР, т.е. h_БМ = h_КР

Решая уравнения (42), получаем

Затем глубину потока воды на каждом пикете и плюсовой точке в пределах отверстия моста h, считая от РУВВ, умножаем на коэффициент общего размыва по площади Р.

Обращаясь к рис.20 можно установить, что глубина потока воды в пределах отверстия моста h с учетом коэффициента Р составит:

h_ПК16+00Р =(РУВВ-Н_ПК16+00)Р=(53,50-48,88)1,55=7,16 м;

h_ПК17+00Р =(РУВВ-Н_ПК17+00)Р=(53,50-48,08)1,55=8,40 м;

h_ПК18+00Р =(РУВВ-Н_ПК18+00)Р=(53,50-48,08)1,55=8,40 м;

h_ПК19+00Р =(РУВВ-Н_ПК19+00)Р=(53,50-48,00)1,55=8,53 м;

h_ПК20+00Р =(РУВВ-Н_ПК20+00)Р=(53,50-49,75)1,55=5,81 м.

Рассчитанные значения hР откладываем на каждой соответствующей вертикали вниз от РУВВ на конструктивной схеме моста. Затем полученные точки соединяем пунктирной линией, которая и будет является линией общего размыва (рис.20)

После построения линии общего размыва, ориентируясь на геологический разрез можно заключить, что линия общего размыва не заходит в трудноразмываемые грунты и поэтому общий размыв дна реки в пределах конструктивной схемы моста не будет иметь ограничения в своем развитии по геологическим условиям.

В связи с этим, ранее назначенную предварительную конструктивную схему моста можно принять как окончательную и руководствоваться этой схемой моста в дальнейших расчетах.