§ XXI,4. Конструкции регуляционных сооружений

При выборе материалов и конструкций для регуляционных соору­жений следует ориентироваться на местные материалы. Только в тех случаях, когда они не могут обеспечить необходимую прочность за­щитных сооружений и укреплений, необходимо применять привозные и искусственно приготовляемые материалы. Тенденция к использова­нию местных ресурсов часто приводит к применению для постройки ре­гуляционных сооружений таких материалов, как грунт, дерн и камень. Эти материалы имеют предел применения.

Грунт может быть использован с достаточно высокой степенью ме­ханизации работ. Следует стремиться как можно шире применять грунт в качестве основы для сооружений. В большинстве случаев это удается, особенно на равнинных реках. Исключение составляют те случаи, когда грунт по своим физико-механическим свойствам непри­годен для возведения сооружений.

Грунт в сооружениях может быть использован только при условии надежного его укрепления. Использование в этих целях дерна и камня характеризуется низкой степенью механизации строительных работ. Лишь каменная наброска может быть механизирована, хотя и здесь затрачивается значительное количество ручного труда, так как без ручных отделочных работ расход камня на укрепление получается не­обоснованно большим. Укрепление хворостом берегов и откосов также не поддается механизации.

Чтобы повысить степень механизации на укрепительных и регуля­ционных работах, все чаще стремятся применять габионы (камень в металлических сетках), бетон и железобетон, а также другие материа­лы, позволяющие индустриализировать изготовление элементов укреп­лений, заготавливать эти элементы заблаговременно вне места непо­средственной укладки в сооружение и механизировать их укладку. В ряде случаев, когда требуется особо надежная защита, применение этих материалов диктуется и соображениями прочности, - например

107

при защите насыпей и других сооружений ог волн на водохранилищах, при защите участков еще деформируемою дна, при высоких скоростях течения и т. п. Эти современные конструкции и материалы находят все большее применение и становятся основными в регуляционных и защитных работах па больших мостовых переходах.

Земляным регуляционным сооружениям придается трапецеидаль­ное поперечное сечение с крутизной откосов, как правило, 1:2. Откосы, соприкасающиеся с текущей водой, укрепляют, причем тип укрепле­ния назначают в зависимости от скорости потока, обтекающего эти со­оружения или иабе1ающего па них.

Речные откосы регуляционных сооружений, непосредственно со­прикасающиеся с быстро текущей водой, приходится защищать кам­нем, бетонными или железобетонными плитами. Дерн пригоден для этого только в редких случаях, так как паводковые скорости даже на равнинных реках превышают 1,5—2,0 м/с, поэтому дерн разрушается. Дерновые укрепления используют лишь для полевых откосов соору­жений, около которых вода почти неподвижна.

Ширина гребня сооружений должна обеспечивать проезд транс­портных средств, доставляющих ремонтные материалы, а также раз­мещение этих материалов во время ремонта. В связи с этим ширину гребня струенаправляющих сооружений не следует делать меньше 2 м, лучше 3 м (рис. XX 1.16). В головной части сооружений ширина гре­бня должна быть увеличена, так как именно здесь возникает необхо­димость в срочных паводочных ремонтных работах (см. рис. XXI. 16, б) и создании запаса ремонтных материалов.

У регуляционных сооружений на равнинных реках наиболее уяз­вимой частью является верхняя по течению. У голов струенаправляю­щих дамб и поименных траверсов развиваются местные размывы, в

Рис XXI 13. Конструкции струенаправляющих дамб: а — обычное поперечное сечение; б —уширение гребня в головной части дамбы:

в — укрепление подошвы откоса тюфяком; а — рисберма у подошвы дамбы. 1 — положение тюфяка до размыва; 2— положение тюфяка после размыва; 3 — он косное укрепление; 4 — рисберма

связи с чем сооружениям угрожает не только опасность размыва по­верхности откосов текущей водой, но и подмыв подошвы, что может по­вести за собой сползание откоса.

Подошву головы струенаправляющей дамбы или траверса можно укрепить гибкими защитными покрытиями (тюфяками) или рисберма­ми (см. рис. XXI. 16, в, г). Рисбермы применимы только в случае неглубокого местного размыва у подошвы откоса. Размеры тюфяка, обеспечивающего защиту от подмыва, назначают на основании расчета ожидаемого местного размыва.

Расчетной формулой для определения глубины местного размыва у голов и откосов регуляционных сооружений является уравнение, ко­торое при лобовом набеге (а — 90°) получает вид

/_{1л =} _Ц_=г_-*1 , (XX 1.16)

ц У 1 + ш^а 8

где V — скорость набегающей струи; а₀ — размывающая скорость для грунта, в котором происходит местный размыв; т — крутизна откоса

Для пойменных почти эллиптических струенаправляющих соору­жений, обтекаемых с постоянной скоростью, скорость набега поймен­ного потока на голову сооружения практически равна скорости пой­менного потока под мостом, т, е. V = или V = р_п с„._б, если поймен­ный участок отверстия моста сохраняется. Для аллювиальных грунтов равнинных рек, в которых заканчивается местный размыв; размыва­ющая скорость невелика. Поэтому, считая набег потока на голову со­оружения нормальным (а = 90°) и пренебрегая сопротивляемостью грунта размыву, получим упрощенную формулу

/]„- ^ . (XX117)

Глубины местного размыва у регуляционных сооружений часто до­стигают значительных размеров, а в отдельных случаях превышают глубины в русле под мостом (например, па переходе р. Оки в Муроме).

Длина тюфяка, достаточная для того, чтобы закрыть размываемый откос, может быть найдена по формуле (см, рис. XXI. 16, о)

1^ = Н_ЪУ 1+'т²_т, (XX 1.18)

где /я_т — крутизна наклона тюфяка после размыва

Тюфяк может опускаться в размыв и прикрывать разрушаемый от-" кос с очень большой крутизной. Обычные углы наклона тюфяков 60—70° к горизонту. Поэтому, как правило, т_Т = 0,8—1.

В простейшем случае, когда /п_т = ш, для откоса дамбы

/_т = - 2>², . (XX 1.19)

и

где V — скорость потока, м/с; /_т — длина тюфяка, м.

Тюфяки могут быть сделаны из различных материалов, В настоя­щее время освоено изготовление тюфяков из бетонных сочлененных, мас­сивов, Долгое время применяли каменно-хворостяные тюфяки, однако

10

9они страдают существенными недостатками: хворост, находящийся в условиях переменного смачивания и высыхания, что неизбежно для пойменных сооружений, быстро сгнивает; устройство каменно-хворо- стяных тюфяков возможно только ручным способом.

Если все же каменно-хворостяпые тюфяки используются, ю раз­меры их необходимо определять расчетом. Длину тюфяка назначают по формуле (XX 1.18), исходя из необходимости пологого очертания от­коса, закрываемого тюфяком, так как тюфяк этой конструкции прак­тически не воспринимает разрывающих усилий и должен удерживать­ся на откосе силами трения. В этих условиях крутизна защищаемого откоса должна вводиться в расчет равной т, > 2.

Толщнна хворостяного тюфяка назначаеюя конструктивно, обыч­но от 0,25 до 0,6 м, а толщина каменной его пригрузки — равной 60% толщины слоев хвороста. Крупность камня пригрузки должна быть такова, чтобы он не был снесен текущей водой.

Допускаемые скорости для камней различных размеров могут быть определены по табл. XX. 2. При этом необходимо учитывать, что кам­ни на тюфяке будут лежать на довольно крутом откосе, в связи с чем допускаемая скорость для них должна быть снижена на 25—30%.

Тюфяки из сочлененных бетонных элементов имеют довольно боль­шие зазоры между блоками, поэтому могут укладываться только на достаточно крупных грунтах (галька, гравий), которые не вымываются через зазоры. При обычных землистых грунтах, распространенных на равнинных реках, необходимо закрыть зазоры между блоками, чтобы исключить возможность вымывания грунта. Это может быть осуществ­лено путем использования «бризола» (или «редерина») — хорошо рас­тягивающегося битумно-резннового изоляционного материала, накле­иваемого горячим битумом на нижнюю поверхность сочлененных бе­тонных блоков. При деформациях покрытия бризол растягивается, но не разрывается. Изготавливать элементы таких тюфяков можно инду­стриальным способом.

При использовании тюфячных покрытий необходимо иметь в виду, что развитие растительности под тюфяком может привести к повреж­дениям как асфальтовых тюфяков, так и бризольного слоя бетонных тюфяков. Поэтому перед укладкой тюфяков следует удалить из-под них растительную землю и протравить нижележащий грунт.

Простыми и долговечными являются тюфяки из габионов, т. е. из камня, заключенного в металлические сетки из оцинкованной желез­ной проволоки, которым приданы необходимые размеры в плане н вы­сота, равная толщине тюфяка.

Конструкции тюфяков должны быть проверены расчетом. В ходе размыва вымываемый грунт увлекает за собой тюфяк, в результате чего продольное усилие, разрывающее тюфяк, оказывается больше его веса и равно, как показал И. А. Ярославцев,

(XX 1.20)

где О_х — вес тюфяка; / — коэффициент трения между грунтом и шфяком.

Разрывающее усилие должно восприниматься арматурой тюфяков и их анкерным закреплением. В тех случаях, когда пофяк все время будет находиться в воде, следует учитывать уменьшение его веса от погружения в воду.

Укрепления откосов сооружений, работающих во время полово­дий в условиях волнобоя и ледохода, должны быть соответственным образом проверены на удар и давление льда и волн. Размеры плитных укреплений, подверженных действию волн, можно рассчитывать по формулам, приведенным в§ XXI Л. Силу ледового давления рассчиты­вают по формуле

Р_п =-= 4,Зо_л 6_Л У~Ы$т а 5тп р, ' (ХХ1.21)

где % — скорость движения льдин, м/с; 6_Л — толщина плывущих льдин, принимаемая равной 80% от наибольшей наблюдавшейся в период Ледостава, м; Ы —.ширина и длина льдины, м; а, |3 — углы наклона откоса к горизонту и подхода льдины к откосу сооружения

Величина давления льда определяет необходимую суммарную тол­щину защитного покрытия откоса и его основания. Эта телщина должна быть равна

2/-]/" (XX 1.22;

У ЯЯдоп

1де Од_0и — допускаемое давление на грунг.

Необходимо иметь в виду, что сила давления льдин, определяемая по формуле (XX!.21), получается в тоннах (тс), поэтому и допустимое давление на грунт а_доп должно быть взято в тс/м².

Расчет на отрыр плит при подвижке льда обычно не производят. Укрепления сооружений соприкасаются с ледяным покровом только па водохранилищах, где лед тает на месте.

На блуждающих реках в качестве материалов для постройки регуляционных сооружений до последнего времени применяли ка- менно-хворостяпую (таштугайную) кладку, т, е, послойную укладку хвороста и камня. Эта кладка, выполняемая только вручную, может сыть применена практически с вертикальными откосами и допускает некоторую осадку сооружений. При постройке таких сооружений в годе иногда применяют сипайно-таштугайную кладку, где деревян­ные пирамиды-сипаи служат для поддержания кладки в сохранности даже при значительных деформациях подмываемого основания.

В условиях деформируемого дна для постройки сооружений успеш­но применяют габионную кладку из элементов объемом 1—2 м³, вы­полненных в виде проволочных сеток, наполненных камнем и удер­живающих его от расползания.

Применение тюфяков новых типов (в том числе бетонно-бризольных и бетонных) позволяет использовать грунт для постройки регуляцион­ных сооружений даже па блуждающих и горных реках. Земляной мас­сив из гальки или другого грунта, закрытый сплошными неразмывае- мымн коврами, будет прочным даже при значительных русловых де­формациях, характерных для блуждающих и горных рек. Работы по устройству таких сооружении могут быть механизированы,Следует иметь в виду, что излишне широкие участки русел блужда­ющих рек характеризуются некоторой постоянной средней глубиной, не зависящей от ширины русла, и максимальной глубиной, которая, как правило, возрастает по мере увеличения ширины. В связи с этим наибольшую угрозу подмыва, т. е. возникновения большой глубины у сооружения на блуждающих реках, испытывают головные, т. е. на­иболее удаленные от моста, части береговых валов, расположенные на участках русла большой ширины. Непосредственно около моста, где поток сильно сжимается, глубина также может быть значительной, но не из-за излишней ширины русла, а в связи с уменьшением ширины фронта переноса наносов. Наименьшая глубина русла будет наблю­даться у средних частей сооружения, где уже исключено блуждание и ширина потока между валами равна ширине активной зоны В₀, по которой перемещаются наносы.

Вопрос о защите от подмыва головных частей фронтов регулирова­ния при любой конструкции сооружений должен быть решен особен­но серьезно не только потому, что глубина в широких сечениях реки велика, но и потому, что разрушение головной части сооружений при­водит к прорыву потока за береговой вал, к заполнению всего этого пространства водой, а затем к переливу через береговой вал непосред­ственно около моста и к смыву этого вала. Последнее происходит по­тому, что блуждающие реки характеризуются значительными уклона­ми; следовательно, разница между отметками потока у головной части сооружения и у моста достаточно велика. Даже небольшое количест­во воды, зашедшее за береговой вал и немедленно в силу наличия ук­лона переместившееся вниз по течению, приводит к значительному по­вышению уровня воды у насыпи.

В целях предотвращения возможного прорыва водного потока за береговые валы можно применить заполнение грунтом всего простран­ства между старой границей русла, пойменной насыпью и новой гра­ницей русла —береговым валом. Для снижения стоимости земляных работ целесообразно применить кольматаж, т. е заиливание этого пространства оседающими наносами реки. Кольматаж осуществляется последовательными напусками речной воды, несущей много взвеси, ос­ветлением ее путем отстаивания и спуском осветленной воды в реку. Для осуществления работ по кольматажу необходимо устраивать надежно работающие входные и сбросные сооружения для речной во­ды. В связи с большими уклонами блуждающих рек кольматаж следует проводить ступенями с возведением поперечных валов из осевшего груша.

Продольные и поперечные регуляционные сооружения на блуждаю­щих реках следует строить сплошными, так как иначе они не будут от­клонять поток от берега или берегового вала.

Для укрепления берегов у мостов через блуждающие и горные реки, характеризуемые сильными течениями, часто применяют мощные бе­тонные сооружения. Такие стены нередко подмываются, в связи с чем применяют различные способы защиты фундаментов стен от действия размыва, в частности защитные устройства в виде массивных коротких деформируемых шьор. Кроме того, вместо подпорной стены, требу ю- 112 щей защиты от подмыва, можно применять «сползающие массивы», опускающиеся по специальным направляющим по мере размыва у берега. Чтобы эти массивы были подвижны, нельзя допускать их за­клинки при опускании. С этой целью они должны иметь между собой некоторые зазоры, под которыми должен лежать грунт такой крупно­сти, чтобы вымывание его через зазоры было невозможно.

При эксплуатации мостовых переходов, особенно через блуждаю­щие и меандрирующие реки, часто возникает необходимость непосред­ственной пассивной защиты берегов русел от размыва. Очень важны та­кие укрепления при смещении излучин русла к насыпям подходов -и при искусственном их спрямлении. Материалы и конструкции, упот­ребляемые для защиты берегов речных русел от размыва, не отличают­ся от рекомендованных выше для укреплений откосов регуляционных сооружений. Для сохранности береговых укреплений, предохранения их от сползания необходимо укладывать надводные укрепления (вы­ше межени) на заранее спланированный откос с крутизной не более 1:2, а подводный откос защищать гибкими тюфяками достаточной длины или каменной наброской. Особое внимание следует обратить па аике- ровку тюфяков, для чего выше уровня межени следует устроить ранд- балку с анкеровкой ее тягами за специально забитые короткие сваи. Боковые кромки (концы) участков надводного укрепления следует за­водить в грунт «зубом», так как около этих элементов укрепления всегда возникает местный размыв, и необходимо защитить грунт от размыва, а укрепление от подмыва.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Андреев О В Проектирование мостовых переходов М., Авто- трансиздат, 1960 296 с

Андреев О В, Журавлев М М , Рассказов О А Вопросы мостовой гидравлики и гидрологии М , «Транспорт», 1967 200 с

Андреев О В., Федотов Г. Л, Глаголева Т. Н, Аб­рамов Ю В Основы расчета мостовых переходов. М., «Высшая шкода», 1971 146 с

Андреев О В, Федотов Г, А Проектирование мостовых пере­ходов с применением ЭЦВМ. М, изд-ие МАДИ, 1976 Ч I, 128 с. Ч II, 120 с Федотов Г. А Расчеты мостовых переходов с применением ЭЦВМ ,М , «Транспорт», 1977 208 с

Справочник инженера-дорожника Изыскания и проектирование автомо­бильных дорог М , «Транспорт», 1977. 559 с.Раздел седьмой

прор.ктно-изыскательские работы