Мостовые переходы. Основы гидрометрических и морфометрических изысканий.

При пересечении дорогой водного препятствия возводится комплекс инженерных сооружений, называемый переходом. По типу главного инженерного сооружения переходы могут быть мостовыми, тоннельными, паромными, может быть возведена фильтрующая насыпь. Тоннельные переходы в свою очередь разделяются на подземные и подводные, которые также имеют несколько разновидностей.

К средним относятся мосты длиной свыше 25 до 100 м; мосты длиной свыше 100 м, а также автодорожные (в том числе городские) длиной менее 100 м, но пролетами свыше 60 м относятся к большим. За длину моста принимают расстояние между концами береговых опор (закладных щитов).

В комплекс сооружений мостового перехода входят (рис. 1.1):

- собственно мост;

- пойменные мосты;

- насыпи подходов к мосту;

- струенаправляющие дамбы;

- срезки;

- отбойные дамбы;

- траверсы;

- оградительные валы;

- защитные и берегоукрепительные сооружения.

В зависимости от конкретных условий те или иные из перечисленных сооружений могут отсутствовать.

Собственно мост является сложным инженерным сооружением, перекрывающим, как правило, русло реки и участки пойм, непосредственно прилегающих к руслу. Воды реки проходят под мостом, как во время паводка, так и в период наинизшего уровня воды. Пойменные мосты, в соответствии с их названием, располагаются на поймах и служат для пропуска воды только во время паводка. Расчету и проектированию несущих конструкций мостов посвящены специальные курсы.

Насыпи подходов к мосту отличаются от обычной насыпи полотна дороги тем, что располагаются в пределах зоны подтопления паводковыми водами. Струенаправляющие дамбы служат для возможно более плавного направления паводковых вод, проходящих в пределах пойм, в отверстие моста и предотвращения нежелательного местного размыва под мостом. Срезка представляет собой искусственное уширение русла в подмостовой зоне. Отбойные дамбы предназначены для отжима мощных пойменных течений от конусов и устоев. Траверсы выполняют ту же функцию по отношению к насыпям подходов. Оградительные валы применяются на так называемых блуждающих реках для предотвращения или ограничения смещений русла.

Рис. 1.1. Схематический план мостового перехода

 

 

Перечисленные сооружения (кроме срезки) представляют собой земляные незатопляемые дамбы, откосы которых могут быть укреплены.

К защитным и берегоукрепительным сооружениям относятся:

- продольные затопляемые дамбы;

- поперечные шпоры;

- полузапруды;

- укрепление берегов в виде подпорных стенок, тюфяков.

Продольные затопляемые дамбы применяются для регулирования русловых процессов и перемещения наносов в желаемом направлении. Поперечные шпоры представляют собой сооружения, выполненные в виде земляных укрепленных насыпей или из бетона, железобетона, каменной наброски, габионной кладки. Поперечные шпоры выступают в русло от защищаемого берега и наклонены вниз по течению. Отметка верха шпор соответствует отметке бровки русла. Полузапруды сходны со шпорами, но отличаются меньшей высотой и бывают частично или полностью затоплены потоком, проходящим в бровках русла.

Укрепление берегов, а также откосов струенаправляющих дамб, подходных насыпей, траверсов может иметь различную конструкцию от засева трав до каменной наброски, мощения, устройства монолитного или сборного покрытия из железобетона. Наиболее серьезным берегоукрепительным сооружением является подпорная стенка или набережная.

Все перечисленные элементы мостового перехода взаимодействуют с водным потоком, который может нанести им повреждения или полностью разрушить.

При проектировании мостового перехода решаются следующие задачи:

· обеспечение пропуска через водное препятствие автомобильной (или железной) дороги заданной категории;

· устойчивость перехода против разрушающего действия речного потока;

· обеспечение беспрепятственного прохода судов под мостом;

· обеспечение оптимальных экономических показателей всего комплекса сооружений при строительстве и дальнейшей эксплуатации;

· обеспечение экологических требований.

Морфометрические работы в районе мостового перехода касаются внешнего вида и строения речной долины и русла реки. Они позволяют получить расчетные гидрологические характеристик водотока через измерения формы речной долины, определение ее геоботанических и гидроморфологических особенностей.

Сроки производства изысканий обычно не совпадают со сроками половодий или паводков, а в случае такого совпадения величины максимальных уровней и расходов воды оказываются, как правило, значительно ниже расчетных.

Отметки характерных уровней воды. Даже если на реке существует водомерный пост, многие высокие уровни воды могли иметь место до начала наблюдений на нем. Для того чтобы уточнить гидрологическую характеристику водотока в этом случае, отметки высоких уровней (УВВ, УВЛ, УППЛ, УМВ) определяются по результатам обследования долины реки в месте перехода. Половодье, как правило, оставляет следы. Признаками высокого подъема уровня воды являются отложения на берегах предметов, принесенных водой в половодье, чаще всего это мусор, смытые водой деревья и т.п. На скалистых берегах, на опорах мостов, на стенах старых зданий, находящихся около реки и т.п. происходит так называемый "смыв загара" или смыв растительности. Граница смыва соответствует уровню среднего расхода. Весьма большое значение имеют сохранившиеся документы или свидетельства старожилов о случаях исключительно высоких половодий с указанием года и места, до которого поднималась вода. Так или иначе, установленный на местности уровень подъема воды фиксируется, и отметка его определяется нивелировкой. Такие уровни называются "высокими историческими уровнями" (ВИУ).

Коэффициенты шероховатости. Наиболее сложной задачей морфометрии водотока является надежная оценка гидравлической работы пойм. Пока не существует общепринятой системы характеристик сопротивления движению паводковых вод по пойменному массиву. В настоящее время сопротивление движению воды, как на поймах, так и в русле оценивается через коэффициенты шероховатости.

Коэффициенты шероховатости можно определять по таблицам. Однако имеющиеся таблицы М. Ф. Срибного, Н. М. Носова или В. Т. Чоу дают лишь ориентировочные величины этих коэффициентов.

В особо благоприятных условиях протекания воды значения коэффициентов шероховатости для прямолинейных русел с большими глубинами и малыми уклонами достигают m=50 и для совершенно ровных пойм с низкой травой m=33. В наименее благоприятных условиях значения могут достигать для русел горных рек, m=10 и для пойм с таёжной растительностью m=5.

Для уточнения коэффициентов шероховатости в процессе морфометрического обследования существуют методики учитывающие рельеф, характер и густоту растительности, глубину потока во время паводка. При этом в процессе морфометрических работ производятся, например такие замеры как средняя высота затопления растительности водой; средние диаметры стволов и веток кустов и деревьев, среднее расстояние между отдельными кустами, среднее количество стволов на определенной площади и т.п. Оценивается степень вертикальной сплошности многоствольной растительности и густота травяного покрова.

Продольный профиль реки. Геодезическая съемка продольного профиля реки в месте перехода необходима для определения уклона свободной поверхности потока. При этом производится нивелировка по урезу воды и бровок берегов, промер глубин по фарватеру.

Рис. 4.1. Продольный профиль реки Оять на Северо-Востоке Ленинградской

области от истоков до пос. Винницы

Протяженность съемки зависит от конкретных условий. Для рек не имеющих гидротехнических сооружений профиль снимают на протяжении:

· суммарной длины одного плеса и одного переката - для больших рек;

· двух плесов и двух перекатов - для средних рек;

· трех-пяти плесов и перекатов - для малых рек.

Для определения уклона водной поверхности при уровнях высокой воды используют следы прошедших паводков, т. к. меженный уклон может в 5-6 раз отличаться от паводочного.

Назначение и разбивка морфоствора. Морфостворнеобходим для дальнейшего определения площадей живого сечения водотока и построения эпюры распределения максимального расхода по ширине потока.

Как правило, морфоствор располагают в наиболее узких местах пойм с наименьшим числом стариц и проток перпендикулярно к направлению течения. При проведении морфометрических работ производится разбивка от одного до трех морфостворов, в зависимости от степени изученности реки.

Морфостворы располагаются по оси мостового перехода или с верховой и низовой его стороны. Морфомтвор разбивается с помощью теодолита, по его оси производится нивелировка пойм и промеры глубин в русле.

Промеры глубин, как правило, проводятся с лодки, положение которой на линии створа фиксируется с берега при помощи теодолита методом угловой засечки. Глубины до 3-4 м измеряют мерной рейкой (так называемой наметкой), а свыше 3-4 м - лотом. В настоящее время широко применяются эхолоты различных систем.

Основными характеристиками створа являются: распределение глубин воды по его ширине, величина коэффициента шероховатости в разных частях створа

Наблюдения за ледовыми явлениями в районе перехода выполняются ежедневно в течение всего срока существования на водотоке ледовых образований. При этом фиксируются:

· даты появления ледяного сала, внутриводного льда, заберегов, шуги, ледохода, ледостава, появления закраин, подвижек льда, ледохода и очищения реки от льда;

· толщина льда при ледоставе и ледоходе;

· размеры и скорости движения льдин при ледоходе и пр.

Работы по исследованию водотоков с наледями проводятся в три этапа: на стадии технико-экономического обоснования; на стадии проекта; на стадии рабочей документации. Осенне-зимние обследования проводятся:

· в октябре-ноябре когда малые водотоки при отсутствии ледового и снежного покрова испытывают максимальное охлаждение;

· в декабре-январе, когда окончательно формируются наледи временных поверхностных водотоков.

· в апреле, когда крупные наледи достигают максимального развития.

Такие наблюдения целесообразно выполнять ежегодно до составления рабочей документации или в течение трех лет.

Гидрометрические работы проводятся в период весеннего половодья или прохождения высоких вод другого происхождения и дополняют морфометрическое обследование. Вследствие трудоемкости и большой стоимости эти работы выполняются, как правило, на малоизученных водотоках при сооружении больших переходов. В состав гидрометрических работ входит:

· замеры уровней воды;

· замеры скоростей течения;

· определение направлений струй и траекторий движения льдин, судов, плотов.

До начала половодья проводятся подготовительные работы:

· обозначаются на местности и разбиваются гидростворы;

· оборудуются тросовые перетяжки;

· оборудуются водомерные посты;

· строятся вышки для засечек поплавков;

· производятся промеры глубин в русле.

В период половодья выполняются:

· наблюдения за уровнями воды;

· измерения скоростей;

· наблюдения направлениями течений, судовых ходов, сплава и ледохода,

· промеры глубин в русле и в необходимых случаях повторные промеры после прохода половодья.

При проведении гидрометрических работ, как правило, разбивается три гидроствора. Главный гидроствор совмещается с осью перехода, два других выше и ниже по течению на расстоянии от 0,5 до 3 км. Все три гидроствора должны быть связаны нивелирным ходом. Требования к назначению и разбивке гидростворов аналогичны требованиям к морфостворам. Если поймы заросли лесом, то прорубается просека шириной 5-6 м для свободного плавания лодок.

Рис. 4.3. Схема оборудования главного гидроствора

Все три гидроствора оборудуются для замеров уровней воды аналогично постояннымводпостам. Наблюдения за уровнями воды ведутся 3 раза в день, а в период пика паводка значительно чаще. Замеры уровней воды на всех створах производятся синхронно по времени.

По ходу главного гидроствора закрепляются так называемые вертикали, на которых будут производиться замеры во время прохождения паводка. Вертикали на пойме закрепляются вехами или поплавками, привязанными к якорям. Для проведения замеров в главном русле вертикали закрепляются специальными марками на тросовой перетяжке при ширине реки до 60 м, при большей ширине – геодезическими методами с помощью угловых засечек.

Для замеров скоростей применяются специальные приборы – вертушки, которые опускаются в воду с плавсредства. По вертикали скорости замеряются на нескольких уровнях, количество которых изменяется в зависимости от глубины. Для полноты материалов измерения должны включать подъем, пик паводка и его спад до межени. С одного плавсредства можно измерить в день скорости на 8-10 вертикалях.

В период половодья или паводка уровень воды в реке и связанные с ним скорость течения и расход довольно быстро изменяются. Поэтому при изысканиях необходимо обеспечить значительное количество плавучих отрядов изыскателей одновременно, чтобы за возможно короткое время провести замеры и полную обработку гидрометрического створа. По результатам замеров строятся эпюры скоростей и элементарных расходов.

Рис. 4.4. Пример построения эпюр скоростей и элементарных расходов

Промеры глубин на вертикалях производятся аналогично изложенному выше в разделе 4.1.1.

Определение направлений струй и поверхностных скоростей течения производится поплавковым способом. Однако этот способ при своей простоте и дешевизне имеет недостаток – зависимость точности от состояния погоды

Для определения направлений и измерения скоростей течений используют поплавки, изготовленные из дерева в виде круглого диска диаметром около 25 см и толщиной около 5 см. В центре диска укрепляют стержень высотой до 15 см с цветным флажком. Если расстояние от вышки до поплавков более 1 км, применяют поплавки треугольной формы. При длине каждой стороны 0,5 м вершины треугольников снабжают стержнями с флажками высотой 15-20 см. При плохой видимости поплавки сопровождаются лодкой. Длина участка наблюдений принимается не менее двойной ширины русла.

Траектории движения поплавков засекаются с помощью теодолита со специальной наблюдательной вышки. Для каждой засечки отмечается время по секундомеру.

8. Проектирование плана и продольного профиля железных дорог в пределах искусственных сооружений.Расчет отверстия ИССО.

Мосты, на которых путь уложен на балласте, а также трубы могут распола­гаться при любых сочетаниях плана и профиля, допускаемых нормами проекти­рования, ибо в пределах таких искус­ственных сооружений возможно уст­ройство вертикальных сопрягающих кривых, возвышение наружного рельса, уширение балластной призмы.

Мосты с безбалластной проезжей ча­стью должны располагаться на прямой и, как правило, на площадке либо на уклоне не круче 10°/₀₀. При расположе­нии мостов на уклонах учитывают до­полнительные усилия, возникающие в конструк-циях сооружения. Если путь на мосту укладывается не на бал­ласте, то устройство вертикальной со­прягающей кривой в пределах такого мо- ста по конструктивным соображениям также крайне затруднительно. Поэтому переломы профиля должны располагать­ся вне мостов, путь на которых уложен не на балласте, на расстоянии не менее тангенса вертикальной кривой от кон­цов их пролетных строений.

Расположение тоннелей в плане должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к плану открытых участков железной дороги. Предпочти­тельнее располагать тоннели напрямых, как кривые усложняют проходку тоннелей, ухудшают их вентиляцию и видимость пути.

Величина и местоположение отверстия моста должны обеспечивать минимум строительных и эксплуатационных затрат на мостовой переход с учетом хозяйственных интересов землепользователей и заинтересованных организаций и охраны природной среды. При этом необходимо учитывать: морфологические и ситуационные условия в районе перехода; распределение расчетных расходов воды в русле, протоках, на поймах; тип, интенсивность и направленность руслового процесса; геологическое строение долины в створе перехода; использование реки для хозяйственных нужд и пр.

На реках с выраженным руслом назначают, как правило, одно водопропускное отверстие. При концентрации расчетного расхода воды в двух и более местах живого сечения по створу перехода (наличие проток и рукавов) рассматривают вариант устройства группы водопропускных отверстий или пропуск всего расхода в одно отверстие (через главное русло).

На малых водотоках на пойме, когда отвод их в русло затруднителен, а также для выпуска оставшейся после паводка воды из пониженных участков поймы желательно предусматривать мост с закрепленным руслом или трубу. Эти сооружения следует рассчитывать на скорости протекания, соответствующие перепаду уровней у насыпи в расчетный паводок.

К основным видам малых водопропускных сооружений относятся трубы и малые мосты длиной менее 25м.

Трубы ≈95% от общего кол-ва малых водопропускных сооружений.

«+» труб: могут размещаться на любых участках дороги, при различных сочетаниях элементов плана и продольного профиля дороги, не стесняя проезжей части и обочин, не меняя условий движения а/м. Тип дорожной одежды над трубами сохраняется таким же, как и на смежных участках дороги. Трубы просты по конструкции и имеют большую V течения воды.

Малые мосты устраивают в тех случаях, когда применение труб нецелесообразно или недопустимо по местным условиям.

За расчетный расход при назначении отверстия трубы или малого моста принимают наибольший из двух полученных расходов.

В зависимости от величины расчетного расхода возможны три варианта малого водопропускного сооружения: круглая труба, прямоугольная труба и малый мост.

Гидравлический расчет труб

могут быть Ò или □ сеч, одно, два или три очка. Мин D круглых труб 0,75м (на съездах- 0,5м) при длине трубы до 15 м, 1,0- при длине труб до 20м и 1,25м- при большей длине труб.

Их следует проектировать, как правило, на безнапорный режим работы. Как исключение на автомобильных и особенно городских дорогах допускается полунапорный и напорный режимы протекания воды, позволяющие уменьшить высоту насыпи.

Расчет отверстия трубы рекомендуется выполнить в следующей последовательности

:• выбирают тип трубы (Ò или □), тип оголовков и режим работы трубы;

• по формулам или таблицам подбирают диаметр круглой трубы или размер сечения прямоугольной трубы;

• определяют глубину подпёртой воды перед трубой H и скорость на выходе из трубы ;