2.11.5. Определение расчетного судоходного уровня.

Отметка расчетного судоходного уровня, от которого отсчитывается высота подмостового габарита (таблица 2.49), является одной из основных данных для определения проектной отметки железнодорожной линии на мостах через судоходные реки.

Исходными для определения отметки судоходного уровня Н_рсу являются: многолетний ряд годовых максимальных уровней в створе моста, данные водомерных наблюдений о колебаниях уровней воды в течении года и класс реки (характеристики классов внутренних водных путей России, соответствующие действующим нормам [27] приведены в таблице П20.2 приложения 20).

Таблица 2.48. Для определения расчетного судоходного уровня [27]

Класс водного пути	I	II	III	IV	V	VI	VII
Расчетная вероятность превышения Нрсу р,%	2	3	4	5	5	4	4
К, %	5	6	6	5	3	2	2

Пример. Необходимо определить расчетный судоходный уровень для реки III класса. Исходный ряд наблюденных на реке за 20 лет наивысших уровней в порядке убывания приведен в таблице 2.47.

Согласно ГОСТ 26775-85 на реках III класса за расчетный для определения Н_рсу принимается год, в котором наивысший уровень воды имеет вероятность превышения р = 4% (таблица 2.48).

Находим порядковый номер этого расчетного года в ряду, где уровни расположены в порядке убывания:

Принимаем m = 1, т.е. расчетный год – 1956 -й с наивысшей отметки уровня 1431 см над нулем графика гидрологической станции.

Далее устанавливаем число суток t в расчетном году, в течении которых уровни могут быть выше

уровней Н_рсу. Это число суток определяется в виде процента К от фактической продолжительности

навигации в расчетном году t_нав. Для рек III класса К = 6% (таблица 2.48).

В примере примем, что фактическая продолжительность навигации в 1956г. по данным гидрологической станции составила t_нав = 222 суток (рисунок 1). Следовательно,

суток.

Принимается t = 13 суток и по графику колебаний уровней в 1956 г. (рисунок 2.39) устанавливается , что уровнем, выше которого уровни воды стояли в течении 13 суток, является уровень с отметкой 1130 см. Этот уровень принимается за расчетный судоходный уровень с отметкой 1130 см. Этот уровень и принимается за расчетный судоходный уровень. Его абсолютная отметка (с учетом отметки 0 графика – смотри рисунок 2.39) Н_рсу= 114,9 + 11,3 = 126,20 м.

Рисунок 2.39. Определение расчетного судоходного уровня по графику колебания

уровней в расчетном году

2.11.6. Проектирование продольного профиля железных дорог на мостовых переходах.

Минимальная отметка проектной линии в пределах судоходных пролетов определяется по формуле:

Н_пр= Н_рсу + Н_{габарит} + h_стр – (h_бал + h_шп + h_сп), (2.91)

где Н_рсу – расчетный судоходный уровень, м;

Н_{габарит} – высота подмостового габарита в средней части пролета над РСУ,

зависит от класса рек, м (принимаем по таблице 2.49);

h_стр – строительная высота наибольшего судоходного пролетного строения моста,

в расчетах принимаем от низа конструкции в пролете до подошвы рельса, м

(принимаем по таблице 2.50);

h_бал – толщина балластного слоя, м ( принимается по приложению 16);

h_шп – толщина шпалы, м (для железобетонных шпал h_шп = 0,23м; для деревянных

h_шп = 0,18м);

h_сп – высота сливной призмы, м (для однопутной ж.д. h_сп = 0,15м).

Расчетный судоходный уровень воды (Н_рсу) определяется по многолетнему ряду наблюдений (пункт 2.11.5). Расчетный судоходный уровень всегда принимается ниже расчетного уровня высоких вод (при выполнении дипломного проекта Н_рсу назначается по согласованию с руководителем проектирования).

При большой ширине пойм в месте мостового перехода для уменьшения объема подходных насыпей следует, выдерживая на мосту площадку необходимой по нормам проектирования продольного профиля длины, спуститься от нее возможно более крутым уклоном (вплоть до руководящего) до минимально допустимой отметки на пойме (рисунок 2.40). Если длина моста превышает минимальную длину площадки, то можно располагать на уклонах даже береговые пролеты моста (при условии применения в них пролетных строений с устройством пути на балласте).

Рисунок 2.40. Схематический продольный профиль линии в пределах мостового перехода

и кривые подпора и спада:

а – при наличии струенаправляющих дамб; б – при отсутствии струенаправляющих дамб; 1 – подпор с верховой стороны; 2 – спад с низовой стороны

Таблица 2.49. Подмостовые габариты судоходных пролетов мостов

В метрах

Класс водного пути (участка)	Высота подмостового габарита H, не менее	Ширина подмостового габарита В, не менее, для пролета
		неразводного	разводного
1	2	3	4
1	17,0	140	60
2	15,0	140	60
3	13,5	120	50
4	12,0	120	40
5	10,5	100/60	30
6	9,5	60/40	-
7	7,0	40/30	-

Примечания: 1. Приведенные в таблице 2.49 значения являются габаритами судового хода под судоходными пролетами.

2. В знаменателе приведена ширина для второго и последующих судоходных пролетов.

3. Значения ширины В, указанные в графе 4, приведены для разводного пролета, предназначенного для пропуска только судов с большой надводной высотой (превышающей значения, указанные в таблице П20.2 приложения 20). Если разводной пролет предназначен для пропуска составов, то его ширину следует принимать в соответствии с графой 3.

Таблица 2.50. Характеристики металлических пролетных строений.

Вид пролетного строения	Полная длина, м	Расчетный пролет, м	Строительная высота от подошвы рельса до низа конструкции, м
Пролетные строения с ездой поверху*	18,8 23,6 27,6 34,2 45,8 55,8	18,2 23,0 27,0 33,6 45,0 55,0	1,68/2,19 2,28/2,44 2,33/2,94 2,84/2,97 - /4,86 - /4,91
Пролетные строения с ездой понизу**	18,80 23,68 27,68 34,28 33,79 44,79 55,79 66,96 77,96 89,14 111,40 221,14 265,14 353,14 419,14	18,2 23,0 27,0 33,6 33,0 44,0 55,0 66,0 77,0 88,0 110,0 2 х 110,0 2 х 132,0 110,0 + 132,0 + 110,0 132,0 + 154,0 + 132,0	0,80/- 0,82/- 0,82/- 0,84/- - /1,20 - /1,20 - /1,20 - /1,57 - /1,57 - /1,85 - /1,85 - /1,85 - /1,85 - /1,85 - /1,85

*В числителе – для пути на поперечинах, в знаменателе – для пути на балласте.

** В числителе – для пути на металлических поперечинах, в знаменателе – для пути на деревянных поперечинах.

Минимальная отметка бровки насыпи на пойме определяется по формуле:

Н_min^насыпи =УВВ_р℅ + z + ∆h_set + ∆h_run + 0,5 м, (2.92)

где УВВ_р℅ – наибольший уровень высокой воды заданной вероятности превышения

(для линий I - III категории р = 0,33℅, для линии IV категории p =1‰);

z – величина максимального подпора перед насыпью, вызванный стеснением

водотока мостовым переходом, м;

∆h_run – высота наката ветровой волны на откос сооружения, м;

∆h_set – высота ветрового нагона, м.

Водная поверхность на участке мостового перехода представляет собой с верховой стороны воронку подпора, а с низовой стороны – конус растекания (рисунок 2.41). Подбор перед мостом образуется вследствие того, что мостовой переход вызывает стеснение живого сечения реки, и пойменный поток, преграждаемый подходной насыпью, направляется в отверстие моста с повышенной скоростью. В связи с этим перед мостом создается уклон водного зеркала в поперечном направлении (вдоль насыпи) от границ поймы к мосту. Возвышение z^’ гребня подпора в продольном направлении над бытовым уровнем воды (рисунок 2.41) теоретически определяется по известной формуле гидравлики:

(2.93)

где v_м – средняя скорость под мостом, м/с;

v_б – средняя бытовая скорость течения нестесненного потока в живом сечении перед

мостом, м/с.

Рисунок 2.41. Схема воронки подпора и конуса растекания:

а – при наличии струенаправляющих дамб; б – при отсутствии дамб

Наблюдения над существующими мостовыми переходами показывают, что в действительности величина подпора во многих случаях оказывается больше получающейся по приведенной формуле. Поэтому возвышения гребня подпора над бытовым уровнем воды определяется по формуле:

(2.94)

где v_м – средняя скорость под мостом, м/с;

η – коэффициент, зависящий главным образом от доли расчетного расхода, пропу-

скаемой поймами, и принимаемый в пределах от 0,03 до 0,14 (большая величина

для равнинных рек, на которых поймы пропускают до 60-80% расчетного

расхода).

Для более точных расчетов подпор определяется по методу И.С. Ротеннбурга [25]. Величину z^’ определяют для двух значений средней скорости под мостом – до размыва и после размыва. При назначении высоты подходной к мосту насыпи в расчет принимается средняя арифметическая величина возвышения z^’ при неразмытом и размытом подмостовых руслах.

Как следует из рисунка 2.40 и 2.41 подпор z в формуле (2.92) составляет при наличии струенаправляющих дамб z = z ^’+ i_бl_в + i_в(l – b_в); при отсутствии струенаправляющих дамб z = z ^’+ i_в(l – L),

где l_в – проекция верховой струенаправляющей дамбы на нормаль к оси земляного

полотна;

b_в – проекция той же дамбы на ось земляного полотна;

l – расстояние от точки пойменной насыпи, где требуется определить отметку бровки

земляного полотна, до речной грани ближайшего устоя моста, м;

i_в – уклон подпертого потока вдоль земляного полотна с верховой стороны перехода;

i_б – бытовой уклон потока.

Уклон водной поверхности с верховой стороны насыпи можно определять по приближенной формуле i_в = ψ i_б, где ψ – коэффициент, принимаемый в зависимости от отношения средней глубины на пойме h₁ к той же глубине с учетом предмостового подпора h₂ = h₁ + z^’:

h₁/ h₂= h₁ + z^’………… 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6

ψ………….0,50 0,35 0,24 0,15 0,09

Уклон растекания потока с низовой стороны насыпи подходов обычно принимается равным i_н = 0,5 i_б.

При значительной ширине поймы ее следует разбивать на несколько участков и определять z в конце каждого из них, что даст возможность изменять минимальную отметку бровки полотна на протяжении подходов и за счет этого несколько снизить объем земляных работ.

Сильный ветер, устойчиво дующий в одном направлении, может вызвать сильный нагон (подъем) воды, который тем выше, чем больше глубина воды в акватории h_а (м), скорость ветра v_ω (м/с) и длина разгона L(м). Высоту ветрового нагона ∆h_set (м), при отсутствии натурных наблюдений, рассчитываем по приближенной формуле:

∆h_set = (0,25∙h_a² + k_ω∙v_ω²/g ∙ L∙ cos α_ω )^1/2 – 0,5∙ h_a, (2.95)

где α_ω – угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

к_ω – коэффициент, принимаемый в зависимости от расчетной скорости ветра v_ω.

Значение v_ω и k_ω приведены в таблице 2.51.

Таблица 2.51. Значение v_ω и k_ω.

vω, м/с	20	30	40	50
kω	2,1∙10-6	3,0∙10-6	3,9∙10-6	4,8∙10-6

Примечание. Расчетную скорость ветра определяют на высоте 10 м над уровнем воды.

Рисунок 2.42. Профиль волны и ее накат на откос сооружения:

1 – расчетный уровень воды (УВВ_р℅); 2 – средняя волновая линия; 3 – гребень волны;

4 – вершина волны; 5 – ложбина волны; 6 – подошва волны; 7 – откос сооружения

Высота наката волны h_run на откос насыпи, дамбы или траверса (рисунок 2.42) зависит от параметров ветровой волны – высоты h и длины λ и материала укрепления откоса. Высота ветровой волны зависит от скорости и направления ветра, длины разгона волны, глубины воды на участке разгона волны, конфигурации акватории в районе перехода, характера растительности на поймах. Значение h_run для расчетов принимаем по таблице 2.52.

Длина разгона волны L (м) определяется по плану мостового перехода как наибольшее расстояние от границ разлива высоких вод до насыпи подходов к мосту.

Таблица 2.52. Высота наката волн на откос насыпи h_run,м.

Средняя глубина воды на подъеме, м	Разгон волн, м
	0,8			1,5				3,0
	Скорость ветра, м/с
	10	20	30		10	20	30		10	20	30
1 2 3 4 5	0,5/0,4 - - - -	0,9/0,6 1,5/1,0 1,7/1,2 - -	1,1/0,8 1,9/1,3 2,4/1,6 2,8/1,4 -		0,5/0,4 0,8/0,5 - - -	0,9/0,6 1,7/1,2 2,1/1,4 2,2/1,6 -	1,1/0,8 1,9/1,3 2,5/1,8 2,9/2,0 3,3/2,3		0,5/0,4 0,9/0,6 1,1/0,7 - -	0,9/0,6 1,7/1,2 2,2/1,5 2,8/1,9 3,0/2,1	1,1/0,8 1,9/1,3 2,6/1,8 3,3/2,3 4,1/2,8

Примечания: 1.Числитель – крутизна откоса насыпи 1: 2, знаменатель – 1:3.

2. Высота наката волны соответствует откосам укрепленных бетоном; при других типах укрепления вводятся коэффициенты: 0,9 – мощение камнем; 0,8 – укрепление растительным грунтом или гравием; 0,7 – наброска из валунов; 0,6 – то же из рваного камня