Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур»

Теоретический метод расчета уширений русел на мостовых переходах по уравнению баланса наносов (32.5), разработанный в Гипротрансмосте в 1973 году Г.А. Федотовым и реализованный в виде программы «Рур» (Программа «Рома» для персональных компьютеров IBM PC разработана С.Э. Шпаком), сводится к следующему.

Изучая ежегодные графики колебания уровней воды в реках, можно заметить, что чем выше уровень воды, тем короче время, в течение которого он бывает превышен более высокими. Самые высокие уровни достигаются далеко не каждый год, а лишь в редкие и исключительные по высоте паводки. Наинизший уровень межени, наоборот, в течение любого годового цикла бывает превышен более высокими уровнями. Рассматривая многолетний ход уровней во времени для каждого створа водотока на основе данных многолетних наблюдений за уровнями, может быть построен график Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №1 - открытая онлайн библиотека характеризующий среднемноголетнюю продолжительность превышения любого j-го уровня амплитуды более высокими (рис. 32.15). Эта среднемноголетняя характеристика гидрологического режима водотока - основа расчета возможных уширений русел на мостовых переходах.

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №2 - открытая онлайн библиотека

Рис. 32.15. Схема к построению графика Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №3 - открытая онлайн библиотека

Каждому уровню графика Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №4 - открытая онлайн библиотека отвечает вполне определенный общий и русловой бытовой расходы. Наименьший расход будет при наинизшем уровне меженних вод, однако время его воздействия на русло наибольшее и, наоборот, наибольший русловой расход будет при уровне «максимум-максиморум», время же его воздействия практически равно нулю.

Уровень, при котором воздействие расхода на русло наибольшее, называют руслоформирующим уровнем воды (РУВ).

Задача определения размеров возможного уширения русла на мостовом переходе сводится, главным образом, к определению руслоформирующего уровня (РУВ). При частом затоплении пойм РУВ обычно лежит выше средней отметки поймы, при редком затоплении - ниже. Если руслоформирующий уровень лежит ниже средней отметки поймы, то влияние мостового перехода на формирование русла оказывается ничтожным, поскольку наибольшие объемы стока, определяющие размеры русла, будут проходить при уровнях, когда отсутствует слив в русло пойменных вод и перегрузка его дополнительным расходом, т.е. руслоформирующий расход не изменится. Река в этом случае не потерпит принудительного изменения ширины подмостового русла и через некоторое время восстановит его бытовые размеры.

При частом затоплении пойм РУВ расположен выше средней отметки поймы, а соответствующий ему руслоформирующий расход окажется увеличенным за счет слива в русло под мост дополнительного расхода с части пойм, занятой непереливаемыми подходами. Очевидно, этому новому руслоформирующему расходу должно отвечать подмостовое русло большей ширины Врм ³ Врб и большей глубины hрм ³ hрб.

Изменение отношения ширины к глубине русла при увеличении руслоформирующего расхода в bру раз за счет слива пойменных вод можно найти из известного, установленного многими исследователями русловых потоков, соотношения пропорциональности hВ1|4 ~ Q1|2.

Откуда степень возможного уширения русла под мостом:

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №5 - открытая онлайн библиотека

Согласно закону сохранения материи новое уширенное русло будет устойчивым во времени только в том случае, если среднемноголетний объем притока наносов к подмостовому сечению будет равен среднемноголетнему объему выноса наносов из-под моста. Если среднемноголетний объем притока наносов к мосту превалирует над их выносом, то назначенное уширение русла излишне, и река частично или полностью заилит искусственное уширение. Если выносимый объем наносов из-под моста превалирует над объемом их поступления, то можно еще уширить русло до размеров, при которых размывы и заносы подмостового русла за расчетный период будут взаимно компенсироваться.

Таким образом, расчет боковых деформаций русел, также как и глубинных, базируется на основе решения уравнения баланса наносов (32.5), т.е. на законе сохранения твердой фазы руслового потока.

Порядок детального расчета уширений подмостовых русел состоит в следующем.

Методика расчета уширений подмостовых русел, реализованная в виде программы «Рур», позволяет при проектировании мостовых переходов решать следующие задачи:

определять координаты зоны возможного самоуширения русла (т.е. определять ту наиболее вероятную плановую конфигурацию русла, которую обязательно выполнит сама река после строительства мостового перехода);

определять координаты зоны искусственного уширения (т.е. определять плановые очертания того наибольшего искусственного уширения русла, которое река в месте перехода еще способна принять без заиления в течение длительного периода времени);

рассчитывать вероятное естественное уширение (самоуширение), а также искусственное уширение русел (срезку) при геологическом ограничении глубинному размыву;

определять оптимальные отверстия мостов с учетом уширения подмостовых русел;

исследовать влияние различных факторов на степень возможного уширения подмостовых русел.

В основу методики расчета уширений русел на мостовых переходах положено уравнение баланса наносов (32.5). Таким образом, физическая основа расчета боковых и глубинных деформаций русел одна и та же - закон сохранения материи. Результаты расчета боковых деформаций русел служат для обоснованного назначения генеральных размеров мостовых переходов и, в частности, отверстий мостов и срезок под мостами. Эти основные характеристики используют для изложенного выше комплексного расчета мостовых переходов.

Порядок детального расчета размеров срезок пойменных берегов следующий.

1. Используя график функции Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №3 - открытая онлайн библиотека (см. рис. 32.15) с шагом Dtj определяют по формуле (32.9) расходы наносов руслоформирующих фракций для каждого j-го уровня и вычисляют среднемноголетний объем Wб притока наносов к мосту:

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №7 - открытая онлайн библиотека где

Gбj - бытовой расход наносов руслоформирующих фракций, м3/с;

Dtj - расчетный интервал времени, с.

2. Задавшись руслоформирующим уровнем РУВ выше средней отметки поймы, определяют в первом приближении ширину русла в m-м створе по формуле:

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №8 - открытая онлайн библиотека где

bру - степень стеснения потока, определяемая по формуле:

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №9 - открытая онлайн библиотека где

Q, Q - общий и русловой бытовой расходы при руслоформирующем уровне РУВ, м3/с;

qпб - погонный бытовой расход на пойме, м3/с/м;

Вт - ширина потока в m-м створе, м;

B, Врт - бытовая ширина русла и ширина русла в m-м створе, соответственно, м. Определяют также среднюю высоту (отметку) размытого дна русла:

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №10 - открытая онлайн библиотека где

h - средняя бытовая глубина в русле при руслоформирующем уровне РУВ.

3. Используя график функции Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №11 - открытая онлайн библиотека с шагом Dtj определяют по формуле (32.9) расходы наносов руслоформирующих фракций для каждого j-го уровня и вычисляют среднемноголетний объем Wm выноса наносов за пределы т-го створа для предварительно вычисленных Врт и Hpm:

Программа расчета уширений русел на мостовых переходах «Рур» - №12 - открытая онлайн библиотека где

Gmj - расход наносов руслоформирующих фракций при j-м уровне воды в m-м створе.

4. Если выносимый объем наносов превалирует над объемом притока наносов к m-му створу русла, т.е. Wm > Wб, то руслоформирующий уровень РУВ несколько повышают, а при Wm < Wб, наоборот, понижают и при новых значениях Врт и Hpm вновь вычисляют среднемноголетний объем Wm выноса наносов. Расчет повторяют до тех пор, пока объем выноса наносов не станет равным бытовому их притоку к т-у створу русла, т.е. Wm = Wб.

5. Вычислив окончательно новые размеры русла в m-м створе, все вычисления повторяют для m+1-го створа и т.д.