Продольные сооружения из грунта и их расчет

Продольные дамбы в зависимости от морфологических особенностей затруднительных участков имеют различное назначение и расположение, и по-разному влияют на поток и русло реки.

Продольные дамбы, перекрывающие (изолирующие) побочневые протоки и затонские части перекатов, а также выбоины в расширениях русла, устраняют растекание потока, обеспечивают его сосредоточение на выправительной трассе для благоприятного распределения скоростей течения в районе судового хода. В конечном итоге такая дамба способствует транзитному движению наносов из верхней плесовой лощины через гребень переката в нижнюю плесовую лощину, обеспечивая поддержание гарантированных габаритных размеров пути.

Продольные дамбы, возводимые на приверхе и в ухвостье островов, регулируют движение потока и наносов на разветвленном участке русла. При этом обеспечивается благоприятное деление и соединение потоков и отвлечение наносов в несудоходный рукав. Это способствует размыву гребней перекатов судоходного рукава и поддержанию там необходимых для судоходства глубин. Продольные дамбы, соединяющие острова, побочни и осередки в большие пойменные или русловые массивы, создают благоприятные условия для движения основной части потока воды в пределах выправительной трассы, способствуя углублению дна (рис. 10.34).

Рис. 10.34. Продольные струенаправляющие дамбы:

а – между смежными островами; б – между побочнем и осередком

Кроме того, имеются специальные продольные дамбы для обвалования меженного русла, чтобы предотвратить затопление плодородных сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов, а также для защиты территорий судостроительных и судоремонтных объектов от весеннего паводка и ледохода и др.

Наиболее часто встречающимся видом продольных струенаправляющих дамб при улучшении судоходных условий являются грунтовые намывные и насыпные сооружения, которые возводятся на перекатах с целью изоляции затонских частей от влияния верхних плесовых лощин, а также от выправительной трассы и судового хода. Корень такой дамбы обычно примыкает к высокой части верхнего побочня или непосредственно к берегу, а голова ее заканчивается вблизи границы выправительной трассы. При таком расположении продольная дамба оказывается наклоненной в плане под незначительным углом к весеннему потоку, что благоприятно сказывается на ее сохранности от размыва.

Полезная работа такой продольной дамбы заключается в ликвидации на перекате свального (бокового) течения в затонскую часть и направлении основного потока по выправительной трассе, что существенно улучшает судоходные условия и способствует устойчивости судового хода. При этом могут быть два случая обтекания потоком дамбы, примыкающей к верхнему побочню.

В первом случае, при высоком побочне и сравнительно низких уровнях воды (в конце спада паводка и в меженный период), дамба обтекается потоком только с речной стороны, а со стороны затонской части течение отсутствует. При повышении уровня воды выше гребня дамбы под действием поперечного уклона начинается интенсивный перелив воды через ее гребень в затонскую часть.

Во втором случае, когда имеется пониженная прикорневая часть побочня, дамба обтекается потоком с двух сторон и при повышении уровня большого перелива воды через ее гребень не наблюдается.

При проектировании продольной грунтовой дамбы, прежде всего определяют отметку ее гребня и выполняют расчеты по проверке на размыв ее верхнего откоса в незатопленном состоянии и гребня дамбы при работе в затопленном состоянии. Состав и порядок расчетов при этом следующие.

Отметку гребня продольной дамбы находят на основе построенных или полученных из натурных исследований (например, путем пуска поплавков) при трех-четырех значениях отметок уровней воды планов течения на затруднительном участке. С помощью этих планов течения устанавливают уровень, при котором начинается заметное отвлечение расхода воды в затонскую часть.

Основное назначение продольной дамбы на перекате заключается в том, чтобы по возможности свести до минимума отвлечение расхода из верхней плесовой лощины в затонскую часть в конце паводка и при меженных уровнях воды. Отметку гребня дамбы обычно принимают вровень с уровнем начала отвлечения расхода воды с выправительной трассы в затонскую часть или несколько выше этого уровня. При этом отметка гребня корневой части дамбы не должна быть выше отметки побочня, к которому она примыкает, чтобы не образовалась протока в обход сооружения.

Практика проектирования и возведения продольных грунтовых дамб показывает, что в большинстве случаев отметки их гребня принимаются на 2-3 м выше проектного уровня. При этом продольный уклон гребня дамбы обычно делается равным продольному уклону воды при расчетном уровне, или несколько больше этого уклона.

Для проверки возможности размыва верхового откоса продольной дамбы из грунта необходимо знать распределение скоростей течения вдоль этого откоса при расчетном уровне. Для подсчета скоростей течения в струе у верхового откоса предварительно строят план течения на перекате при уровне, совпадающем с отметкой гребня дамбы, т.е. когда дамба не затоплена (рис. 10.35).

Рис. 10.35. План течения на перекатах в районе незатопленной продольной дамбы:

(u_п – продольная и u_н – нормальная скорости течения)

При этом на плане участка реки назначают поперечные сечения в районе дамбы (около корня и головы сооружения и несколько по длине тела дамбы, обычно 5-10 поперечных сечений) и вычерчивают поперечные профили до расчетного уровня. По способу М.А. Великанова на каждом поперечном профиле строят интегральные кривые распределения расхода по ширине русла, проводят разбивку на 5-10 струй и выделяют струю, проходящую вблизи дамбы (рис. 10.36).

В каждом поперечном сечении выделенной струи подсчитывают значения средней скорости течения

, (10.34)

где: Q_стр = Q/N (N – принятое число струй);

w_стр – площадь выделенной струи.

Рис. 10.36. План течения на перекатах в районе незатопленной продольной дамбы: (uп – продольная и uн – нормальная скорости течения)	Рис. 10.37. График изменения скоростей uп=f(l), uнр=f(l) и uразм=f(l) для струи, примыкающей к дамбе (uп – средняя скорость течения в струе)

Кроме того, вычисляют значения неразмывающей u_нр и размывающей u_разм скоростей течения. По данным выполненных расчетов строят графики изменения скоростей по длине выделенной струи u_n=f(l), u_нр=f(l) и u_разм=f(l), как это показано на рис. 10.37.

Сравнение значений средних в струе скоростей течения u_n с неразмывающей u_нр и размывающей u_разм скоростями позволяет сделать заключение о возможности деформаций верхнего откоса дамбы. В местах, где средние скорости течения больше размывающих, необходимо либо укрепить откос дамбы, либо предусмотреть работы по периодическому ремонту продольной грунтовой дамбы.

Для оценки возможных деформаций верхового откоса дамбы при низких уровнях воды, подобные расчеты по проверке верхового откоса дамбы на размыв могут быть выполнены и при других уровнях воды. Проверка гребня затопленной дамбы на размыв делается в целях обоснования необходимости его укрепления.

Для большинства возводимых грунтовых дамб достаточно ограничиться расчетом при начальной стадии перелива воды через гребень дамбы, когда уровень на перекате возвышается на 0.3-0.6 м над гребнем дамбы (рис. 10.38). При этом расход воды, переливающийся через гребень дамбы, составляет небольшую долю от полного расхода в верхней плесовой лощине. При расчетах могут встречаться два случая работы дамбы как водослива.

Рис. 10.38. Расчетная схема перелива воды через гребень затопленной дамбы:

Z₁ – отметки свободной поверхности воды в основной части русла (верхний бьеф дамбы);

Z₂ – отметки свободной поверхности воды в затонской части русла (нижний бьеф дамбы);

Z_г – отметки гребня дамбы

1. Случай незатопленного бокового водослива, при условии

, (10.35)

где: Z ₂ – отметка свободной поверхности воды в затонной части (нижний бьеф дамбы);

Z_г – отметка гребня дамбы;

h_кр – критическая глубина на гребне дамбы;

g – ускорение свободного падения.

2. Случай затопленного бокового водослива, при условии

. (10.36)

В первом случае, когда водослив не затоплен, расчет ведется в следующем порядке.

1. Строят кривую свободной поверхности в верхней плесовой лощине по полному расходу воды Q, соответствующему расчетной отметке уровня Z_н ниже головы дамбы. Для этого вычисляют падения уровня на расчетных участках DZ_i=Q²F_i и определяют отметки уровня воды в каждом поперечном сечении верхнего бьефа дамбы Z₁=Z_н+DZ_i.

2. Вычисляют значения элементарного расхода перелива в каждом расчетном сечении по формуле незатопленного водослива

, (10.37)

где: j_с = 0.8¸0.9 – скоростной коэффициент;

Н = Z₁ – Z_г – напор воды на гребне дамбы.

3. Подсчитывают в каждом сечении значения нормальных к оси дамбы скоростей перелива

. (10.38)

4. Определяют в каждом сечении значения абсолютной скорости течения на гребне дамбы

, (10.39)

где: u_п– продольная скорость в струе, примыкающей к верховому откосу дамбы в соответствующем сечении (которую находят из плана течения при уровне перелива).

5. Сравнивают полученные в расчетных сечениях дамбы абсолютные скорости перелива воды с размывающими скоростями на гребне дамбы, что позволяет выявить возможность размыва гребня и определить соответствующее для него укрепление.

Одним из наиболее простых способов укрепления является покрытие гребня грунтовой дамбы наброской из крупного гравия, гальки или щебня, а иногда из камня. Для определения крупности частиц такого укрепления можно пользоваться приближенной формулой

, (10.40)

которая получена из формулы неразмывающей скорости по В.Н. Гончарову. При этом коэффициент неоднородности грунта принимают равным j_н=0.4 и пренебрегают численным слагаемым 0.0014.

Во втором случае, когда водослив затоплен, расчеты выполняют аналогично предыдущему случаю, но расчетная формула для нахождения удельного расхода перелива имеет следующий вид

. (10.41)

Нормальные к оси сооружения скорости переливающегося потока в этом случае вычисляют по формуле

. (10.42)

У некоторых продольных дамб условия перелива воды могут быть такими, что верхняя часть его работает как незатопленный водослив, а нижняя часть – как затопленный водослив. Приступая к расчету, точно нельзя знать заранее, какой водослив будет в расчетном сечении. Поэтому, выполнив расчет по формуле (10.37) или (10.41), проверяют по полученному значению расхода q соответствие выбранной формулы условиям (10.35) и (10.36).

Для продольных грунтовых сооружений сильно распластанного профиля при выборе скоростного коэффициента j_с необходимо учитывать потери по длине

, (10.43)

где: b_г – ширина гребня дамбы;

С – коэффициент Шези для потока, переливающегося через гребень;

h_г – глубина потока на гребне дамбы.

На практике часто встречаются случаи, когда продольные грунтовые сооружения располагаются на разветвлениях русла: в районе приверха или ухвостья острова или на перекатах с побочневой протокой. При расчете таких сооружений, а также дамб, соединяющих острова и осередки в крупные массивы, состав вычислений остается, в основном, таким же, как это было рассмотрено выше. Отличие заключается в том, что предварительно находят распределение расхода воды по рукавам или между основным руслом и протокой. Значения этих расходов используют для построения кривых свободной поверхности воды в верхнем и нижнем бьефах дамбы.