Расчет ширины и кривизны выправительной трассы

Выправительная трасса характеризуется ее шириной B_т и радиусом кривизны r_т (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Ширина и кривизна выправительной трассы:

1 – ось судового хода; 2 – геометрическая ось трассы

Под шириной выправительной трассы понимают ширину выправленного русла при расчетном уровне воды. За расчетный уровень обычно принимают проектный уровень путевых работ. На перекатных участках русла ширина выправительной трассы представляет собой свободную от выправительных сооружений часть ширины русла, где располагается судовой ход.

Под радиусом кривизны выправительной трассы понимают радиус поворота ее геометрической оси на криволинейном участке русла. При этом гарантированная ширина b_сх судового хода всегда меньше ширины выправительной трассы.

Выбор наименьшего радиуса поворота судового хода определяется стремлением обеспечить удобство и безопасность судоходства. Необходимо обеспечить, чтобы радиус кривизны трассы был больше минимального радиуса r_сх судового хода и одновременно обеспечивал безотрывное движение потока на участке поворота русла для обеспечения стабильности выправленного русла.

Ширина и радиус кривизны выправительной трассы зависят от многих факторов: режима жидкого и твердого стока реки; состава донных отложений; грунтового строения берегов; особенности морфологии русла; габаритов судового хода; объема и состава путевых работ и др.

В настоящее время для расчета ширины выправительной трассы используются два способа: способ, основанный на использовании устанавливаемой по натурным данным связи между глубинами и ширинами русла и гидравлико–морфометрический способ.

Для построения расчетного графика по планам съемок русла выбирают значения ширин и максимальных глубин русла на гребнях перекатов, в серединах плесовых лощин и на участках перехода плесовых лощин в перекаты при проектном уровне. Выбор сечений делается в пределах бесприточного и морфологически однородного участка русла.

По полученным данным строят график h_max=f(B), на котором проводится нижняя огибающая поля точек, которая принимается за расчетную кривую (рис. 3.4). Использование нижней огибающей кривой дает уверенность в том, что заданная глубина потока в пределах судового хода после выправления будет обеспечена на затруднительном участке.

Значение ширины выправительной трассы снимают с этого графика по значению расчетной глубины потока

где: Т_г – гарантированная глубина судового хода;

Dh – поправка на неточность планового материала, которая для рек с гарантированными глубинами до 2,0 м принимается равной 0,2–0,3 м, а для рек с гарантированными глубинами более 2,0 м – равной 0,4–0,5 м.

Гидравлико–морфометрический способ, разработанный Гришаниным К.В., основан на следующих исходных положениях.

1. Шероховатость подвижного русла полностью регулируется самим потоком. Обычно это имеется на реках с песчаным дном, для которого соблюдается неравенство (d₅₀/h)£10^–3, где d₅₀ – диаметр частиц дна с обеспеченностью 50% по кривой гранулометрического состава.

Рис. 3.4. График зависимости h_max=f(B)

2. Коэффициент шероховатости подвижного русла определяется соотношением В.М. Маккавеева n=a(hI)^1/6, где а – коэффициент пропорциональности, равный 0,08–0,09.

3. Уклоны свободной поверхности воды до и после выправления русла изменяются незначительно.

С учетом принятых допущений расчетная формула для определения ширины выправительной трассы записывается в виде

. (3.1)

В практических расчетах может быть рекомендована приближенная зависимость

, (3.2)

Для вычисления радиуса кривизны выправительной трассы на практике используются результаты исследований Н.И. Маккавеева, согласно которым была установлена зависимость радиуса кривизны устойчивых извилин в функции руслоформирующего расхода воды и уклона свободной поверхности. Расчетная формула записывается в виде

, (3.3)

где: Q_p – руслоформирующий расход воды;

I – продольный уклон свободной поверхности при руслоформирующем расходе воды.

Руслоформирующим считается такой расход воды, при котором в реке наблюдается максимум твердого стока, и происходят интенсивные русловые переформирования. Этот расход на равнинных реках предполагается пропорциональным произведению Q²pI, где Q – расход воды в реке, р – частота (вероятность) его наблюдения, I – продольный уклон свободной поверхности.

Для нахождения руслоформирующего расхода воды необходимо иметь кривую расходов воды Q=f₁(Z), связь уклонов свободной поверхности и уровней воды I=f₂(Z) и кривую вероятности расходов p=f₃(Q). Эти построения показаны графически на рис. 3.5.

Рис. 3.5. К определению руслоформирующего расхода воды

На кривой зависимости Q²pI=f(Q) наблюдается два максимума значений Q²pI, которым отвечают две величины руслоформирующих расходов воды. Верхнее значение приблизительно соответствует весеннему уровню выхода воды на пойму. В это время в реке наблюдаются значительные скорости течения и происходят интенсивные переформирования в русле реки. Нижнее значение руслоформирующего расхода отвечает примерно середине интервала уровней воды между отметками меженных бровок и отметками гребней побочней.

Частота повторения таких уровней воды в реке больше, а транспортирующая способность потока в это время остается достаточно высокой для переформирования речного русла. Для расчета радиуса кривизны выправительной трассы обычно используется нижнее значение руслоформирующего расхода воды, так как для выправления русла чаще всего применяются полузапруды меженного принципа действия.

При отсутствии сведений об уклонах свободной поверхности или повторяемости расходов за руслоформирующий расход воды принимается среднеквадратичное значение расхода за навигационный период среднего по водности года

, (3.4)