И малые водопропускные сооружения

Общие сведения о водотоках

Все водотоки подразделяются на два вида: постоянные и временные (периодические). Постоянные водотоки — это реки, ручьи, каналы, за­ливы, проливы. Временные или периодические водотоки несут только поверхностные воды, т.е. воды, выпавшие в виде атмосферных осадков — дождя или снега.

Вся территория, с которой вода стекает в реку (или ручей), называет­ся водосбором или бассейном данного водотока (рис. 2.1). Границами бассейна являются водоразделы. Водоразделом называется линия, про­ходящая по наивысшим точкам рельефа. Водоток образует русло — от­носительно узкий и наиболее пониженный участок долины. Линия, со­единяющая наинизшие точки долины, называется логом или тальвегом.

Начало реки (ручья) называется истоком, а часть водотока, располо­женная в месте его впадения в озеро или другой водоток, называется устьем. Если устье имеет разветвленную сеть проток, то оно называется дельтой. Истоки и устье находятся на разных уровнях, и разность их высот, деленная на расстояние между ними, определяет средний уклон водотока. Пониженная часть долины, прилегающая к берегам и перио­дически затопляемая при повышении уровня воды в водотоке, называ­ется поймой, наиболее глубокие участки русла — плесами, а наиболее мелководные — перекатами.

Реки или их участки подразделяются на три типа:

• равнинные реки (участки);

• предгорные реки;

• горные реки. Равнинные реки протекают в относительно неглубоких и широких

долинах с пологими склонами, они характеризуются небольшими про­дольными уклонами (не более 0,5 ‰), медленным течением (средняя

Рис. 2.1. Бассейн водотока: 1 — исток водотока; 2 — тальвег; 3 — искусственное сооружение на дороге; 4 — граница водосбора; Н_вод — отметка на водоразделе; Н_иссо — отметка у ис­кусственного сооружения; ΔН = Н_вод – Н_иссо; ΔН — перепад высот

скорость течения воды в русле во время паводка составляет 1—2 м/с), извилистостью русла в плане.

Предгорные реки имеют более узкие долины, рельеф бассейна холми­стый, продольный уклон русла изменяется в пределах от 0,5 до 5 ‰. Сред­няя скорость течения воды во время паводка от 1,5 до 3,0 м/с.

Горные реки протекают в узких долинах, которые часто приобретают характер ущелий (каньонов) с очень крутыми склонами. Пойма отсут­ствует. Рельеф бассейна — горный. Продольный уклон таких рек от 5 до 50 ‰ с высокими скоростями течения воды от 2,5 до 5 м/с.

Смоченная водой часть поперечного сечения водотока, перпендику­лярного направлению струй, называется живым сечением. Через живое сечение определяется важнейшая характеристика водотока — расход воды.

Расходом воды называется количество воды, протекающее через жи­вое сечение водотока в единицу времени.

Расход воды для постоянных водотоков определяется по формуле

Q = со •v(м³/с), где Q — расход воды в м /с;

ω — площадь живого сечения в м ;

v — скорость течения воды в м/с.

Расход воды для периодических водотоков определяется по специ­ально разработанному методу ЦНИИС — СоюздорНИИ, который учи­тывает все факторы, влияющие на величину стока:

• метеорологические условия района;

• размеры и очертания бассейна в плане;

• расчлененность бассейна внутренними водоразделами на бассейны второго порядка;

• величину продольного уклона лога и склонов бассейна;

• впитывающую способность почв;

• задерживающую способность бассейна;

• хозяйственную деятельность человека на территории бассейна.
Сток поверхностных вод по своему происхождению может быть

двух видов: ливневой, возникающий в результате сильных дождей, и снеговой, образующийся в результате весеннего снеготаяния.

По методу ЦНИИС — СоюздорНИИ определяется расход ливневого стока и стока от снеготаяния, и по большему из них производится рас­чет отверстий искусственных сооружений.

СНиП установлено, что гидравлические расчеты мостов и труб дол­жны осуществляться на пропуск двух расходов воды: расчетного (Q_р) повторяемостью один раз в 100 лет и максимального (Qmax) со средней повторяемостью один раз в 300 лет. Для обеспечения безопасности дви­жения поездов СНиП предусматривают необходимость возвышения бровки насыпи у малых мостов и труб не менее чем на 0,5 м над под­пертым уровнем воды перед сооружением при максимальном расходе.

Для наблюдения за уровнем воды на всех мостах и трубах устанав­ливают водомерные рейки с верховой стороны в доступных местах. Иногда сантиметровые деления наносят несмываемой краской на одной из граней массивной опоры или на оголовке трубы. На больших мостах наблюдения за колебанием уровня воды в реке ведутся водомерными постами. Результаты наблюдений наносят на график.

Наличие размыва дна реки и подмыва опор устанавливают промерами. Размыв русла может происходить во время прохода высоких вод, когда ско-

рость течения возрастает. Кроме периода паводков, русло промеряют два раза в год: в зимнее время (обычно со льда) перед вскрытием реки и весной после спада высоких вод. Помимо промеров русла и наблюдени­ем за горизонтом воды, ведут наблюдение за скоростью течения и обра­зованием водоворотов, направлением струй главного потока и поймен­ных вод.

Глубина русла реки измеряется по трем створам: по продольной оси моста и на расстоянии 25 м от оси вверх и вниз по течению реки. Для возможности сравнения глубины промеряют всегда в одних и тех же местах.

Рис. 2.2. График промеров русла водотока

Положение створов вне продольной оси моста закрепляется свайка­ми, забиваемыми на обоих берегах. Расстояния между точками проме­ров глубин в каждом створе берутся такие, чтобы можно было четко выявить конфигурацию дна русла. Промеры глубин по оси моста при небольшой его высоте производятся непосредственно с пролетного строения. Промеры по другим профилям (выше и ниже моста) выпол­няют с лодки; зимой глубину русла промеряют со льда через проруби (лунки). Результаты промеров русла обрабатывают в виде графика с на­несением отметок горизонта воды, подошвы рельса, низа ферм, заложе­ния фундаментов опор, абсолютных отметок русла. На каждый график наносят результаты предыдущего промера, а при наличии размыва со­ставляется сводный график за ряд лет (рис. 2.2).

Элементы мостового перехода

На пересечении постоянного водотока железной дорогой строится комплекс инженерных сооружений, называемый мостовым переходом (рис. 2.3). Мостовой переход включает в себя:

• мост, перекрывающий русло реки, и при низком уровне воды — часть поймы;

• подходы к мосту, состоящие из земляных насыпей, иногда выемок на спусках к реке;

• регуляционные и укрепительные сооружения, устраиваемые с це­лью улучшения условий движения речного потока у мостового перехо­да и защиты моста от повреждения протекающими водами.

Регуляционные сооружения в виде струенаправляющих дамб, тра­верс, запруд устраивают для плавного пропуска через отверстие моста руслового и пойменного потоков. С этой же целью для укрепления реч­ных берегов и земляных откосов применяют полузапруды, буны, заили-тели, лесонасаждения (рис. 2.4, 2.5, 2.6).

Рис. 2.3. Профиль и план мостового перехода а — профиль мостового перехода; б — план мостового перехода; 1 — насыпь подхода; 2 — струенаправляющие дамбы; 3 — мост; 4 — граница затопления поймы; 5 — укрепление берега; 6 — срезка берега; 7 — протока; 8 — траверса

Рис. 2.4. Схемы дамб: а — криволинейные; б — криволиней­ные с прямой вставкой; в — прямолинейные; г — грушевидные

Струенаправляющие дамбы по своему очертанию в плане могут быть криволинейными, криволинейными с прямой вставкой, прямолинейными и грушевидными. Криволинейная дамба служит для направления пойменного потока в отверстие моста, прямолинейная дамба от­жимает поток к противополож­ному берегу, криволинейная дамба с прямой вставкой слу­жит для обеих упомянутых це­лей. Для регулирования пой­менного потока применяются грушевидные дамбы. Дамбы представляют собой грунтовые насыпи. Конец, дамбы, имею­щий большее сечение, называ­ется головой, а место сопряжения дамбы с конусом насыпи у устоя — корнем. Верхняя часть дамбы называется гребнем, а нижняя — подош­вой. Верх дамбы назначается на 0,5 м выше наивысшего горизонта вы­соких вод с учетом подпора и высоты волны. Ширина дамбы поверху не должна быть менее 2 м. Головы дамб имеют ширину в 2—2,5 раза больше нормальной.

Крутизна откосов дамб зависит от скорости течения, интенсивности ледохода, свойств грунта, из которого отсыпана дамба. Дамбы сооружа­ются с откосами с речной стороны не круче 1:2; со стороны поймы — 1:1,75. С речной стороны дамбы на всю высоту укрепляются бетонными плитами или каменным мощением, а с пойменной — одерновкой.

Траверсы служат для защиты от подмыва земляного полотна на под­ходах к мосту; они представляют собой короткие дамбы, устраиваемые в поперечном к оси насыпи направлении. При помощи траверс продоль­ное течение воды на пойме отклоняется от земляного полотна на подхо­дах и направляется к струенаправляющей дамбе. Траверсы устраивают с верховой стороны насыпи под прямым углом к земляному полотну. Откосы траверс укрепляют каменным мощением.

Запруды устраивают в районе мостового перехода тогда, когда соз­дается угроза подмыва земляного полотна имеющимися на пойме про­токами или рукавами.

Рис. 2.5. Регуляционные сооружения: 1 — струенаправляющая дамба; 2 — траверса; 3 — запруда; 4 — береговое ук­репление; 5 — фашинный тюфяк

Рис. 2.6. Регулирование водотоков: а — полузапруды; б — буны

Полузапруды сооружают для направления струй и отклонения пото­ка от берега или подтопляемого откоса насыпи. Полузапруды создают условия для отложения наносов, перемещаемых потоком. Полузапруды устраивают различных типов: земляные, из каменной отсыпки, бетон­ные, каменно-фашинные, плетневые и др. Голова полузапруды должна быть на 0,5 м выше горизонта ме­женных вод (ГМВ). Буны, в отли­чие от полузапруд, устраивают за­топляемыми. Длина бун от 1/5 до 1/3 ширины русла, а расстояние между ними в 3—4 раза больше их длины. В корне верх буны должен быть на 0,5 м выше волны при вы­соком подпорном уровне воды, но не выше бровки берега, а голова бу-ны — на уровне ГМВ. Буны соору-

жают из каменной кладки насухо или на растворе, каменной наброской, каменно-хворостяной кладки и др.

Заилители применяют на реках с большой скоростью течения для предотвращения размыва берега и дна русла. Заилители уменьшают скорость течения, содействуют отложению наносов и отклоняют струи в сторону динамической оси потока. Конструкция заилителей может быть разнообразна: различные щиты, волноломы, водобойные стенки, колодцы и др.

Лесонасаждения устраивают с целью укрепления берегов рек и регу­лирования речного потока (рис. 2.7). Лесонасаждения могут быть сплошными и ленточными, располагаемыми под углом 45° к течению в виде отдельных полос, находящихся на расстоянии 20—100 м друг от друга. Для этих целей наиболее применимы деревья и кустарники иво­вых пород.

Укрепительные сооружения. Откосы конусов насыпей подходов к мосту и регуляционных сооружений берегов и русла укрепляют от раз­мыва разного рода одеждами и защитными устройствами, которые вы­бирают в зависимости от характера действующих на них сил (ударов волн, давления льда, скорости течения и др.). Укрепление откосов про­изводится после требуемого уплотнения и осадки грунтов сооружения на высоту, предусмотренную СНиП так, чтобы от бровки сооружения до

Рис. 2.7. Укрепление пойменных насыпей продольными лесозащитными

полосами: а — посадка кустарника; б — посадка деревьев с кустарником в промежут­ках; в — посадка деревьев с расстановкой плетней

наивысшего уровня воды, с учетом подпора и высоты волны, оставался запас не менее 0,5 м.

К простейшим видам укреплений, выполняемых из местных матери­алов, относится одерновка (рис. 2.8), покрытие прорастающими выстил­ками, каменная наброска, каменное мощение, фашинное укрепление, габионные конструкции из коробчатых и цилиндрических габионов, георешетки, а также усиление насыпей сетчатыми конструкциями в ви­де гравитационных габионных стен и стен системы терромаш. Новое рождение переживают сейчас габионы. Хотя этот способ имеет ряд не­достатков:

• высокая трудоемкость;

• потребность значительных объемов дренирующих грунтов для об­ратной засыпки;

• высокие затраты на разработку и доставку сортированного камня.

• большая доля ручного труда (80—90 %).

Одерновка плашмя и в стенку применяется для укрепления откосов, подвергаемых действию текущей воды при скорости течения 0,9—1,5 м/с. Для одерновки используется дерн, нарезанный в виде плиток из плотного растительного слоя размером 30×50 см или в виде лент дли­ной 2—3 м и толщиной 6—10 см. Дернины, уложенные плашмя вдоль поверхности откоса или горизонтальными слоями (в стенку), прикреп­ляются к откосу деревянными спицами или ивовыми кольями.

Рис. 2.8. Укрепление откосов одерновкой: а — плашмя; б — в стенку; 1 — дернина; 2 — спицы; 3 — подсыпка

Более надежным креплением является каменная наброска, применя­емая для укрепления откосов и подошв насыпей, для заполнения вымо­ин в русле при скоростях течения до 4 м/с.

Каменное мощение оди­ночное или двойное (рис. 2.9, 2.10) выполняется из камня размерами 15—30 см по слою щебня, гравия или мха тол­щиной 10—15 см. Одиночное мощение применяется при крутизне откосов 1:1,5—1:2,0; двойное мощение состоит из двух рядов камня. Нижний слой укладывается камнями размером 15—20 см, верхний

Рис. 2.9. Укрепление откосов одиночным каменным мощением: а = УВВ + подпор + высота волны + 0,5 м

слой — камнями размером 20—30 см, при крутизне отко­сов до 1:1,5. Для предот­вращения сползания в нижней части откоса устраивают упор из крупного камня.

Фашинное укрепление

Рис. 2.10. Укрепление откосов двойным каменным мощением

применяется для защиты от размыва откосов насыпей и берегов (рис. 2.11). Фашины представляют собой связан­ные пучки хвороста свежей рубки, чаще всего ивняка, длиной 3—4,5 м и диаметром связки до 30 см. Укладывают фашины врасстилку и втычок и закрепляют ивовыми колья­ми. Для подводного укрепле­ния берегов применяются фа­шинные тюфяки (несколько фашин, соединенных между собой). При-гружаемые камнем фашинные укрепления допускают скорость течения потока до 3 м/с.

Наиболее употребляемыми видами укрепления в настоящее время являются сборные и монолитные железобетонные блоки и плиты (рис. 2.12). Железобетонные укрепления применяются для откосов берегов больших рек и водохранилищ. Сборные железобетонные плиты разме­ром 2,0×1,0×0,12 м предназначаются для откосов крутизной 1:2,5 при высоте волны до 1 м.

Рис. 2.11. Укрепление откосов фашинами: а — врасстилку; б — втычок

Монолитные железобетонные плиты размерами от 4×4 до 10×10 м бетонируют непосредственно на откосе по щебеночной подготовке тол­щиной 15 см. Толщина плит составляет от 20 до 30 см. Сопряжение нижней части покрытия с грунтом осуществляется при помощи упорно­го зуба. Бетонные плиты применяют вместо трудоемкого каменного мощения. Плита толщиной 8 см укладывается на место краном или из­готавливается непосредственно на укрепляемом откосе. Для изготовле­ния плит используется бетон марки 200, плиты укладывают на подго­товку из гравия или щебня толщиной 10 см.

Тюфяки из бетонных блоков, соединенные между собой стержнями и скобами, применяют для укрепления русел рек и защиты сооружений от подмыва при высоких скоростях течения воды (до 6 м/с). Размеры блоков от 50×50×20 до 100×100×30 см.

Для укрепления подводной части откосов применяются армиро­ванные асфальтобетонные плиты размером в плане 3×5 м и толщи-43

Рис. 2.12. Бетонный тюфяк: 1 — сборные бетонные плиты; 2 — монолитные бетонные плиты; 3 — щебе­ночная подготовка; 4 — бетонный упор; 5 — железобетонная свая

ной 5—7 см. Армируются они сеткой с диаметром проволоки 3—5 мм. Плиты укладывают краном с помощью траверс, снабженных специ­альными вакуумными грузозахватными приспособлениями.