Водный поток в мостах и трубах

Водный поток таит большую разрушительную силу и не раз; приводил к серьезным повреждениям мостов, труб и насыпей из-за просчетов при их строительстве и упущений при эксплуатации.

Пересекая реку, мосты изменяют естественные (бытовые) условия 'водного потока. Особенно наглядно это в период половодья, когда реки выходят из берегов, затопляя прилегающие к руслу поймы. Уровень воды намного повышается против обычного меженного, резко возрастает скорость течения, а с ней и разрушительная сила потока. Поток на поймах в мостовых переходах преграждают насыпи подходов. Поэтому вода с пойм устремляется вдоль насыпей к отверстию моста. Следовательно, вся вода главного русла и с пойм, достигающих нескольких километров в ширину, должна проходить в отверстие моста, значительно суженное против бытовой ширины потока.

Устройство мостов на всю ширину потока неэкономично. Поэтому величину отверстия мостов и труб ограничивают до размеров, безопасных для пропуска всей воды, или, как говорят, ее расхода, возможного в период службы сооружения.

Расходом считают количество воды в кубических метрах, протекающей через поперечное сечение водотока за 1 с. В трубах расход редко превышает 100 м³/с, а в мостах через большие реки он достигает десятков тысяч кубических метров в секунду.

Расход водотока является исходным для определения отверстия сооружения. Но с расходом связаны площадь сечения потока (живое сечение) и скорость течения; при одном и том же расходе с уменьшением сечения потока увеличивается скорость течения и наоборот. Эту закономерность легко проследить на реке: в более широком и глубоком русле течение медленнее, а неподалеку, в более узком и мелком русле, как и под мостом, течение быстрее.

Скорость потока в пределах живого сечения неодинакова. К поверхности воды она больше, у дна реки — меньше. Подобно этому скорость уменьшается и по горизонтали в направлении от так называемого стрежня (оси наибольших скоростей) к берегам.

Увеличение скорости течения опасно, так как может вызвать размыв грунта в русле и оснований опор.

Это происходит, когда скорость потока превышает допускаемую для данного грунта.¹

Слишком стесненное отверстие сооружения вызовет увеличение скорости течения в нем, приведет к размыву грунтов. Но после размыва живое сечение увеличится и скорость снизится. Поэтому при глубоком заложении опор, необходимом по условиям опирания их на прочные грунты, проектировщики сознательна

При глубине потока 1 м для песка крупностью частиц 0,15—2,5 мм допускаемая средняя скорость составляет соответственно 0,4—0,8 м/с; для камня размером 7—40 см — 1,9—3,0 м/с. допускают неглубокий размыв, выгадывая при этом в ширине отверстия и длине моста. В больших мостах нередко специально производят срезку грунта для углубления русла в створе пойменных пролетов, чем достигается увеличение живого сечения под мостом.

Там же, где размыв недопустим, например, при мелком заложении опор, как это чаще бывает в малых мостах, слабые, легко размываемые грунты укрепляют камнем в виде наброски или мощения, одиночного или даже более надежного — двойного (в два ряда). В малых мостах иногда прибегают к еще более прочной защите грунта, устраивая бетонный лоток. По сравнению с каменным мощением бетонный лоток может безопасно пропустить поток со скоростью в 3 раза большей (12—16 м³/с).

Водопропускная способность сооружения определяется не только величиной отверстия. В немалой степени она зависит от плавности протекания потока под мостом, от равномерности распределения скоростей течения по ширине отверстия. Перед мостом пойменный поток вдоль насыпи, сталкиваясь под углом с русловым потоком, вызывает водовороты, завихрения. Это тормозит течение, сбивает его в сторону. В одних пролетах скорость увеличивается, в других, наоборот, снижается. Самые завихрения способствуют непредвиденному местному размыву.

Чтобы поток более равномерно и прямоструйно, без завихрений и косины, протекал по всей ширине отверстия, т. е. для наибольшей водопропускной способности моста, при значительном поступлении воды с пойм устраивают регуляционные сооружения. Более распространены верховые и низовые струенаправляющие дамбы (рис. 28). Их отсыпают в виде насыпей из грунта на высоту, превышающую уровень самых высоких вод. От размыва водой и повреждения льдом речные откосы дамб укрепляют мощением (в последние годы распространено укрепление бетонными, железобетонными плитами), а со стороны пойм — одерновкой. Для плавного огибания дамб пойменным потоком им придают криволинейное очертание в плане.

Помимо русловых дамб, при широких поймах и сильном течении воды вдоль насыпи отсыпают несколько коротких дамб — траверсов, которые отжимают пойменный поток от насыпи, направляя его к вершине верховой дамбы. Отрегулированный таким образом поток более плавно проходит в отверстии моста. Пущенные по течению с верховой стороны поплавки в данном случае прошли бы по направлениям (траекториям), условно изображенным на рис. 28 сплошными линиями со стрелками. Для сравнения траектории поплавков при отсутствии дамб и траверсов приведены там же точечным пунктиром.

При проектированииопределяют не только отверстие (в частности, его ширину), а также заглубление опор, но и необходимое возвышение низа пролетных строений и верха опор над водой.

Водный поток, его расход и соответствующий уровень воды неодинаковы в разные годы. Для определения отверстия мостов и труб принимают расчетный расход (и расчетный уровень воды), который можно ожидать в среднем 1 раз за 100 лет (а на железнодорожных линиях III категории за 50 лет), но не менее наблюдавшегося на данном водотоке. Помимо расчетного расхода и уровня высоких вод с указанной, как принято говорить, вероятностью превышения 1 : 100, т. е. 1% (или 1 : 50, т. е. 2%), определяют наибольший расход (и уровень) высоких вод с вероятностью превышения 1 : 300, т. е. 0,33%. С запасами над этими уровнями и размещают низ пролетных строений и верх опор (стр. 23).

Регуляционные сооружения, бровку насыпей подходов по высоте назначают также с некоторым превышением над наибольшим уровнем. В необходимых случаях учитывают также высоту подпора воды, который образуется от стеснения водотока мостом, а также высоту волны при волнобое.

На судоходных реках размеры судоходных пролетов определяются, кроме того, подмостовыми габаритами (стр. 23).

Наряду с размывами из-за стеснения потока мостам угрожает ледоходв районах с суровыми зимами. Для защиты от сильного ледохода мостовые опоры облицовывают прочным камнем или искусственной облицовкой, в деревянных мостах применяют льдозащитные ограждения (стр. 75, 130, 137).