Расчет необходимости установки регуляционных сооружений на мостовой переход

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гидрологические расчеты

По значениям, данным из наблюдений за уровнем воды на водомерном посту, составим ранжированный ряд уровней Н, и найдем эмпирические вероятности превышения Р по формуле

Р = m/ n+1*100% , где

m - порядковый номер члена ранжированного ряда,

n - число лет наблюдений.

Таблица 1.

№	год	H ранж., см	Р,%
1	1996	690	5
2	1989	650	10
3	1992	625	15
4	2001	605	20
5	1988	590	25
6	2000	565	30
7	1995	550	35
8	1999	520	40
9	1987	490	45
10	1998	470	50
11	1994	450	55
12	2003	440	60
13	2002	430	65
14	1997	420	70
15	1991	410	75
16	1986	390	80
17	1993	350	85
18	1990	310	90
19	1985	290	95

Данные значения уровней Н и соответствующие эмпирические вероятности превышения Р наносим на клетчатку вероятностей, по ней определяем расчетный уровень воды вероятностью превышения 1% (H_1%), а затем находим абсолютную отметку расчетного уровня высокой воды РУВВ:

РУВВ = H_1% +"0"

где "0" - отметка нуля водопоста

H_1% =722 см

"0"=203.0 м

РУВВ=203.0+7.22=210.22 м.



2. Морфометрические расчёты

По эмпирической кривой вероятности находим для расчетной вероятности превышения Р_э = 1% расчетное значение уровня (в отсчетах реки водопоста) H_1% = 7.22 м.

Определяем абсолютную отметку расчетного уровня высокой воды РУВВ_Р% по формуле:

РУВВ _Р%=Н _Р% + "0"

где H_1% = 6.93 м - уровень расчетной вероятности превышения;

"0" = 203.0 м отметка "0" графика водопоста.

РУВВ _Р% =203.0+7.22=210.22 м.

По имеющемуся морфоствору, морфологическому и геометрическому описанию русла и пойм, вычисляем на j-ом уровне воды для каждого i-го характерного участка:

> среднюю глубину потока h_ij

h_ij=щ_ij /В_ij ,

где щ_ij - площадь живого сечения долины на i-ом участке при j-ом уровне воды; В_ij - ширина i -го участка при j-ом уровне;

> среднюю скорость течения v_ij:

v_ij=m_ih^2/3_ijI^1/_б² ,

где т_i - показатель ровности; h_ij - средняя глубина потока на i-ом участке при j-ом уровне воды; I_б - бытовой уклон свободной поверхности;

> расход Q_y:



Q_y = щ_ij v_ij ;

> общий расход Q_i:

Q_i = ? Q_ij .

Результаты расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2

№	Отметка H?, м	измеритель	участки	Всего Q? , м?/c
			левая пойма	русло	правая пойма
1	200,5	B? , м		75,00		5,09
		щ? , мІ		18,75
		h? , м		0,25
		V? , м/с		0,27
		Q? , м?/с		5,09
2	201	B? , м		150,00		32,35
		щ? , мІ		75,00
		h? , м		0,50
		V? , м/с		0,43
		Q? , м?/с		32,35
3	201,5	B? , м		200,00		96,87
		щ? , мІ		162,50
		h? , м		0,81
		V? , м/с		0,60
		Q? , м?/с		96,87
4	202	B? , м		250,00		200,63
		щ? , мІ		275,00
		h? , м		1,10
		V? , м/с		0,73
		Q? , м?/с		200,63
5	202,5	B? , м		269,08		363,83
		щ? , мІ		404,77
		h? , м		1,50
		V? , м/с		0,90
		Q? , м?/с		363,83
6	203	B? , м		288,16		569,05
		щ? , мІ		544,08
		h? , м		1,89
		V? , м/с		1,05
		Q? , м?/с		569,05
7	203,5	B? , м		307,24		815,90
		щ? , мІ		692,93
		h? , м		2,26
		V? , м/с		1,18
		Q? , м?/с		815,90
8	204	B? , м		326,32		1104,58
		щ? , мІ		851,32
		h? , м		2,61
		V? , м/с		1,30
		Q? , м?/с		1104,58
9	204,5	B? , м		345,39		1435,68
		щ? , мІ		1019,24
		h? , м		2,95
		V? , м/с		1,41
		Q? , м?/с		1435,68
10	205	B? , м		364,47		1810,00
		щ? , мІ		1196,71
		h? , м		3,28
		V? , м/с		1,51
		Q? , м?/с		1810,00
11	УМВ 205,5	B? , м		383,55		2228,45
		щ? , мІ		1383,72
		h? , м		3,61
		V? , м/с		1,61
		Q? , м?/с		2228,45
12	206	B? , м	12,50	383,55	10,20	2767,43
		щ? , мІ	3,13	1575,50	2,01
		h? , м	0,25	4,11	0,20
		V? , м/с	0,16	1,76	0,14
		Q? , м?/с	0,51	2766,64	0,28
13	206,5	B? , м	62,50	383,55	25,82	3349,83
		щ? , мІ	21,88	1764,87	11,01
		h? , м	0,35	4,60	0,43
		V? , м/с	0,20	1,89	0,23
		Q? , м?/с	4,46	3342,80	2,56
14	207	B? , м	112,50	383,55	41,45	3997,44
		щ? , мІ	65,63	1956,64	27,83
		h? , м	0,58	5,10	0,67
		V? , м/с	0,29	2,03	0,31
		Q? , м?/с	18,82	3969,85	8,77
15	207,5	B? , м	162,50	383,55	57,07	4716,98
		щ? , мІ	134,75	2150,76	52,46
		h? , м	0,83	5,61	0,92
		V? , м/с	0,36	2,16	0,39
		Q? , м?/с	48,86	4647,75	20,37
16	208	B? , м	212,50	383,55	72,70	5495,96
		щ? , мІ	228,13	2342,60	84,90
		h? , м	1,07	6,11	1,17
		V? , м/с	0,43	2,29	0,46
		Q? , м?/с	98,25	5359,03	38,68
17	208,5	B? , м	287,13	383,55	88,32	6341,40
		щ? , мІ	353,13	2534,38	125,16
		h? , м	1,23	6,61	1,42
		V? , м/с	0,47	2,41	0,52
		Q? , м?/с	166,52	6110,01	64,87
18	209	B? , м	362,50	383,55	103,93	7267,77
		щ? , мІ	515,63	2726,15	173,22
		h? , м	1,42	7,11	1,67
		V? , м/с	0,52	2,53	0,58
		Q? , м?/с	267,90	6899,84	100,03
19	209,5	B? , м	437,50	383,55	120,61	8270,02
		щ? , мІ	715,63	2915,58	229,36
		h? , м	1,64	7,60	1,90
		V? , м/с	0,57	2,65	0,63
		Q? , м?/с	408,12	7717,28	144,62
20	210	B? , м	512,50	383,55	137,28	9324,04
		щ? , мІ	953,13	3096,42	293,84
		h? , м	1,86	8,07	2,14
		V? , м/с	0,62	2,76	0,68
		Q? , м?/с	592,12	8531,44	200,48
21	РУВВ1% 210,22	B? , м	516,90	383,55	144,61	9923,43
		щ? , мІ	1066,36	3194,09	324,85
		h? , м	2,06	8,33	2,25
		V? , м/с	0,67	2,81	0,70
		Q? , м?/с	709,89	8984,65	228,89

3. Определение ширины срезки

На клетчатке вероятностей по кривой H = f(P) определяем частоту затопления пойм: H_п = 512 см, тогда P_п = 42 % < 75 %, река не принимает никакого искусственного уширения русла:

, где

в_% - степень стеснения потока на пике паводка с рассчитываемой вероятностью превышения (%) при отверстии моста, близком к ширине устойчивого русла под мостом,

Q_р% - полный расчетный расход, Q_р% 9923,43 м³/с,

Q_б% - бытовой расход в русле, Q_рб% = 8984,65 м³/с.

, следовательно срезку устраивать не надо.

Проверяем целесообразность устройства срезки:

, следовательно срезка нецелесообразна.

Определяем ширину устойчивого русла:

, где

В_рб - бытовая ширина русла, В_рб= 383,55 м,

К_п - коэффициент, учитывающий влияние полноты расчетного паводка



так как <4,5, Р_п<95%

П - полнота расчетного паводка

,

1,08 м - средняя высота водомерного графика над поймой,

h_max = 210,22-205,5 -2,62=2,1м - максимальная высота водомерного графика над поймой,

П = 0,514

К_р% - коэффициент, учитывающий частоту затопления пойм в месте перехода

так как Р_п <95%,

(м),

Определяем степень уширения русла:

, где



q_рб - бытовой погонный расход в русле,

(м²/с)

q_пб - бытовой погонный расход на пойме,

(м²/с).

,

3.1 Определение отверстия моста

Отверстие моста определяется по формуле:

, где

д - гарантийный коэффициент запаса на возможную погрешность, д = 1.1,

Уb_оп - суммарная ширина опор, Уb_оп = 0,

Уl_укр - ширина укреплений подошв конусов, Уl_укр = 10м,

m - коэффициент заложения конусов, m = 2,

h_п - глубина на пойме у конусов при РУВВ, h_п = 2,1 м.

(м).



Схема к определению отверстия моста:



4. Расчет общего размыва

4.1 Определение нижнего предела общего размыва и времени, необходимого для его достижения

Нижний предел общего размыва - наибольший размыв, вызываемый длительным воздействием на подмостовое русло расчетного паводка постоянной высоты.

Глубина нижнего предела общего размыва тем больше, чем больше степень стеснения потока подходами к мосту в.

Глубина нижнего предела общего размыва определяется по расчетному паводку постоянной высоты или по формуле:

,где

h_рб - средняя глубина в русле до размыва, h_рб = 8,33м,

в - степень стеснения потока подходами

,

л - относительная ширина русловой опоры, , принимается л = 0.05,

(м).

Время, необходимое для достижения нижнего предела общего размыва - важнейшая характеристика мостового перехода и определяется по следующей формуле:

, где

l_сж - длина зоны сжатия потока перед мостом

,

В₀ - ширина разлива реки

(м),

l_мп - ширина разлива малой поймы, l_мп = 144,61 м,

l_бп - ширина разлива малой поймы, l_бп = 516,90 м,

(м),

К_ф - коэффициент формы ямы перед мостом

ч - относительная длина верховых струенаправляющих дамб, ч = 0, т.к. в_% < 1.2,

g_б - погонный бытовой расход руслоформирующих наносов при РУВВ

, где

А_д, А_в - функции свойств аллювия

- для донных наносов

r - порозность наносов - отношение объема пор к объему беспустотной среды,

r = 0.65,

g - ускорение свободного падения, g = 9,81м/с²,

d_ср - средняя крупность наносов, т.к. гравий средний, то d_ср = м,

г- плотность материала наносов, г = 2650кг/м³,

,

- для взвешенных наносов

W- гидравлическая крупность наносов (скорость выпадения частиц в стоячей воде), определяется по шкале Архангельского в зависимости от среднего диаметра частиц (d_ср),

W = 0,249м/с,

V_нер - неразмывающая средняя скорость течения, для несвязных грунтов определяется по формуле:

,

V_нд - неразмывающая донная скорость, определяется по таблицам в зависимости от разновидности грунта,

(м/с),

V_рб - средняя русловая бытовая скорость течения, V_рб = 2,81 м/с,

(м²/с),

(сут).

4.2 Определение гипотетического предела общего размыва

Гипотетический предел общего размыва - размыв, возникающий в результате воздействия на подмостовое русло многих реальных (имеющих подъем и спад) и проходящих одним за другим расчетных паводков.

Глубина гипотетического предела общего размыва тем больше, чем больше степень стеснения потока подходами к мосту в и полнота расчетных паводков П.

Глубина гипотетического предела определяется по формуле:

,

(м).

4.3 Определение верхнего предела общего размыва

Верхний предел общего размыва - размыв, вызываемый единичным расчетным паводком, который проходит первым по неразмытому дну.

Глубина верхнего предела общего размыва тем больше, чем больше степень стеснения потока подходами к мосту в, длительность расчетного паводка (t_пв) и его полнота (П), чем меньше крупность размываемого грунта (d_ср) и длина зоны сжатия (l_сж).

Глубина верхнего предела определяется по формуле:

, где

К_t - коэффициент, учитывающий влияние длительности паводка

- при К_t0.8, - при <0.8, где

мостовой переход регуляционный сооружение

t_пв - длительность расчетного паводка над поймой, определяемая по водомерному графику, t_пв = 12 сут,

,

(м).

4.4 Определение группы мостового перехода и максимального размыва

Все мостовые переходы делятся на 4 группы в зависимости от потенциальной размывающей способности паводка Э, которая определяется по формуле:

Наш мостовой переход относится к 1 группе, так как выполняются следующие условия принадлежности к этой группе:

1) - 9,836 >9,328

2) -

Для перехода от расчетной средней глубины после размыва к максимальной используют физический показатель - коэффициент формы русла б, который определяется по формуле:

, тогда

общий (максимальный) размыв будет определяться по формуле:

(м).



5. Расчет местного размыва

Местный размыв является результатом локального нарушения гидравлической структуры потока при обтекании опор мостов, голов струенаправляющих дамб и т.д. Местный размыв наиболее опасен для опор мостов. Развиваясь у передней грани, он может привести к потере устойчивости.

Существуют два метода определения местного размыва, их разработали Ярославцев и Журавлев.

Журавлев в механизме формирования местного размыва выделил две главные составляющие: лобовое давление потока на опору и турбулентный перенос наносов.

Если V_оп > V_нер, то местный размыв считается по формуле:

.

Если V_оп < V_нер, то местный размыв считается по формуле:

.

К_ж - коэффициент, учитывающий форму опоры , принимаем К_ж = 1,

b_оп - ширина опоры по фасаду, b_оп = 1м,

V_оп - скорость набегания потока на опору



V_рм - средняя скорость течения в русле под мостом после завершения общего размыва

(м/с)

(м/с),

V_взм - взмучивающая скорость турбулентного потока перед опорой, для несвязных грунтов определяется по формуле:

(м/с),

n - показатель степени, принимаемый равным

n = 1 при

n = 0,67 при

, следовательно n = 0,67.

Так как V_оп < V_нер (0,3342<1,2102), то местный размыв будет равен:

(м).



6. Расчет подпора на мостовом переходе

Стеснение паводочного потока подходами к мосту приводит к нарушению его бытового режима на значительном протяжении вверх и вниз от оси моста: увеличению скоростей течения, деформациям русла и свободной поверхности потока. Расчет кривых свободной поверхности на мостовых переходах - одна из наиболее сложных и важных задач. Для оценки величины деформации свободной поверхности необходимо определить величину подпоров (см. рисунок):

· начального подпора ДZ₀ в начале сжатия потока;

· полного подпора ДZ в створе с максимумом подпора;

· подпора у насыпи ДZ_н;

· подмостового подпора ДZ_м в створе самого моста.

Начальный подпор необходимо знать для построения кривой свободной поверхности вверх и вниз по течению от начала сжатия потока. Без знания величины полного подпора невозможно вычислить подпор у насыпи, необходимый для назначения минимальной отметки бровки земляного полотна на подходах к мосту. В соответствии с величиной подмостового подпора назначают отметки бровок струенаправляющих дамб.

6.1 Определим начальный подпор:

, (1)

К - корректив начального подпора

при

при

Р_щ - коэффициент размыва под мостом на пике расчетного паводка

W_пр, W_др - площади живых сечений под мостом до и после размыва

, так как Р_щ>1,2

е - относительный начальный подпор

(2)

h_б - средняя глубина всего потока, h_б = 4,388м.

Начальный подпор по формуле (1) определяется методом последовательных приближений. На первом этапе задаются е₁ = 1, затем вычисляется начальный подпор ДZ₀₁ при е₁= 1. На втором этапе по формуле (2), подставив в нее значение ДZ₀₁, находят относительный подпор е₂ и соответствующий ему подпор ДZ₀₂. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет выполнено условие /е_i- е_i-1/0,01.

е₁ = 1, тогда

(м),

.

(м),

Принимаем ДZ₀ =-0,079284м.

6.2 Полный подпор определяется по формуле:

, где

l_z - расстояние от моста до створа полного подпора

Так как е = 1, то l_z = l_сж = 471,727 м, тогда ДZ = ДZ₀ = -0,079284 м.

6.3 Определим подпор у насыпи:

(м).

6.4 Определим подмостовой подпор:

, где

К_м - корректив подмостового подпора, так как Р_щ>1.2, то



б_б, б_м - коэффициенты Кориолиса определяются по формулам:

- в бытовом сечении, где

V_б - средняя скорость течения всего потока, V_б = 1,468м/с

- в подмостовом сечении

е_м - относительный подмостовой подпор

.

Подмостовой подпор определяется методом последовательных приближений.

е_м1 =1, тогда

.

Принимаем ДZ_м = - 0,7446 м



7. Проектирование подходов к мостовому переходу и регуляционных сооружений

7.1 Проектирование пойменных насыпей

Насыпи подходов проектируют исходя из самых неблагоприятных условий их работы. Пойменная насыпь может быть разделена на характерные участки: спуск с берега речной долины на пойму (проектируется как обычная дорога), участок насыпи с минимально допустимым возвышением бровки насыпи над водой, подъём к мосту (обычно возвышается над уровнем воды). Большая высота уровня проезда по мосту по сравнению с участком насыпи минимальной высоты объясняется необходимостью выдержать подмостовой габарит, а также значительной конструктивной высотой пролетных строений, особенно с ездой поверху.

Минимальную отметку бровки насыпи определяют по формуле:

, где

h_наб - высота набегания волны на откос

К_ш - коэффициент относительной шероховатости откоса, зависит от типа покрытия, принимаем К_ш = 0,9 ( для сборных бетонных плит)

h_в - высота волны

(м)



(м)

Д_зап - конструктивный запас, Д_зап = 0,5м

(м).

Минимальная отметка проезжей части для мостов через судоходные реки:

,где

h_кон - высота конструкции, h_кон = 2,1м

Г - судоходный габарит, для III класса водных путей Г = 13,5м

РСУ - расчетный судоходный уровень.

Для определения РСУ сначала находим расчетную продолжительность навигации Т = 180сут, затем определяем дополнительное время стояния уровней воды выше РСУ - , где К - коэффициент дополнительного уменьшения продолжительности навигации (для III класса водных путей К = 6), тогда сут. Наносим на водомерный график t и получаем РСУ = 208,36м.

(м)

7.2 Проектирование укреплений

Находится ширина упора при откосах круче 1:2 по следующей формуле:

где - искомая ширина упора;

l= 21,75 (м) - длина укрепления по откосу;

- толщина укрепления вместе с подстилающим слоем щебня или гравия (толщину подстилающего слоя приму равной 0,16 м);

- ожидаемая глубина размыва;

в - угол наклона откоса к горизонту ();

f - коэффициент трения при подвижке укрепления по грунтовому откосу (f?0,5);

- объемный вес камня и воды соответственно (= 2600 кг/м³, = 1000 кг/м³).

Ожидаемая глубина размыва может быть определена для несвязных грунтов по формуле:

где х₀ - скорость набега потока на откос (м/с), определяемая по формуле:

б - угол набега потока на откос;

g = 9.81(м/с²) - ускорение свободного падения;

m = 2 - крутизна откоса;

d_ср - крупность частиц (d_ср = 5*10^-3 м);

х_нер = 1,2102(м/с) - неразмывающая донная скорость.



Необходимая толщина плит укреплений определяется по формуле:

где - размер сторон плиты;

m - крутизна откоса;

- плотность бетона и воды соответственно (=2500 кг/м³,

=1000 кг/м³).

Тип укреплений - сборные бетонные плиты размером 1,0х1,0 м с толщиной всего слоя настила 0,22 м (толщина плиты и насыпи).

7.3 Проектирование регуляционных сооружений

Неблагоприятное развитие русловых деформаций на мостовом переходе может привести к повреждению сооружения. Чтобы сделать эти деформации безопасными, в состав мостового перехода включают регуляционные сооружения различной формы конструкции и назначения (струенаправляющие дамбы, валы и траверсы).

Так как степень стеснения потока подходами в = 1,095 < 1,2 , то регуляционные сооружения устраивать не надо.

Размещено на Allbest.ru

...