Аналитическое определение расчетного расхода (по Фостеру)

Государственный технический университет

(МАДИ)

Кафедра мостов, транспортных тоннелей и строительных конструкций

 

 

Дисциплина: «Изыскания и проектирование мостовых и тоннельных переходов»

 

 

Курсовая работа: «Гидрологический и морфометрический расчеты мостового перехода».

 

 

Выполнила: Тимашова Е.А.

Группа: 4МС3 Преподаватель: Андрианов Ю.А.

Проверяющий:

Москва 2018

 

Содержание

1. Гидрологический очерк бассейна реки Москва и участка реки в районе

мостового перехода……………………………………………………………………….…………………….…………..стр.3

2. Гидрологические расчёты…………………………………………….……………………………………….стр.4

3. Морфометрические расчёты в створе перехода…………………………….……………………стр.8

4. Аналитическое определение расчётного расхода (по Фостеру)………………………….стр.9

5. Определение расчётного судоходного уровня (РСУ). Определение отметки низа конструкции пролетного строения. Определение отметки проезжей части на мосту……….……………………………………………………………………………………………………………………….стр.10

6. Русловые расчеты. Определение частоты затопления пойм и степени стеснения потока для установления величины отверстия моста и отметки предельного размыва…………………………………………………………………………………………………………….…….....……стр.11

Литература……………………………………………………….…………………………………………………………..….стр.12

Гидрологический очерк бассейна реки Москва и участка реки в районе

мостового перехода

Москва река- приток реки Оки, которая входит в бассейн реки Волги. Москва впадает в Оку рядом с городом Коломна.

Характеристики реки: длина реки до створа перехода – 498 км, площадь бассейна – 17580 км, средний уклон реки – 0,03, бытовая ширина русла – 250-300 м, толщина льда 0,85 м, класс реки по судоходству – III.

Свой исток Москва-река берет на склоне Смоленско-Московской повышенности, также река на всём своём пути сильно зарегулирована.

Питание реки- снеговое на 61%, дождевое на 12% и грунтовое на 27%.

Река замерзает в ноябре-декабре, вскрывается в конце марта-апреля, Из-за сброса тёплых вод в черте города Москва температура вод зимой в центре на 6 градусов выше, чем на окраинах, и ледостав неустойчив.

Проектируемый мост находится вблизи города Коломна.

В трех с половиной километрах от створа моста выше по течению реки находится водпост. На нём проводились наблюдения за уровнями воды. Результаты наблюдений приведены в хронологическом ряду (рис. 1).

Отметки даны в балтийской системе координат. Размеры поперечника речной долины приведены на рисунке 8.

Геологические условия: песок крупнозернистый, крупностью 1мм. Коэффициент шероховатости на пойме - 0,05, в русле - 0,03.

Требования по 3 классу судоходства:

2 судоходных пролёта: для движения судов вверх по реке - 80м, для движения вниз по реке - 120м, высота судового габарита 13м, коэффициенты а=1/25 и к=1/16 (характеристики 3 класса судоходства).

Створ моста находится в подтоплении от главной реки Ока. Все отметки генеральных параметров отсчитываются от ПУВВ1%.

Подпор от реки Ока является причиной работы мостового перехода в особых условиях.

 

 

 

Гидрологические расчеты

Для определения генеральных параметров мостового перехода необходимо выполнить гидрологические, морфометрические, русловые, гидравлические и волновые расчеты. Целью гидрологических расчетов является определение расчетного уровня высокой воды 1% вероятности, расчетной скорости и расчетного расхода.

Для определения РУВВ1% вероятности необходим хронологический ряд наблюдений.

По хронологическому ряду строим гистограмму хронологических наблюдений за уровнями.(рис. 1).

Ранжируем ряд наблюдений в порядке убывания и по ней строим гистограмму ранжированных наблюдений за уровнями (рис. 2).

Определяем эмпирические вероятности по формуле P= .

Для определения РУВВ1% строим эмпирическую кривую вероятности превышения уровней на клетчатке вероятности (рис.3) по значениям ранжированного ряда уровней (рис.2) и значениям эмпирической вероятности.

Переносим полученный РУВВ1% с помощью схемы расположения створа водпоста и мостового перехода (рис.4) или графика связи створа водпоста и мостового перехода (рис.5), взятого из архивных материалов. Получаем значение H_РУВВ=108,90м.(табл.1)

106,71 42.22   106,61 44.44   106,52 46.67   106,51 48.89   106,47 51.11   106,45 53.33   106,44 55.56   106,2 57.78   106,13 60.00   106,13 62.22   105,9 64.44   105,78 66.67   105,73 68.89   105,71 71.11   105,67 73.33   105,52 75.56   105,48 77.78   105,41 80.00   105,4 82.22

105,33 84.44   105,24 86.67   105,23 88.89   105,06 91.11   104,97 93.33   104,26 95.56   102,74 97.78

ЭМПИРИЧЕСКАЯ КРИВАЯ МАКСИМАЛЬНЫХ УРОВНЕЙ (Таблица №1)

№	Н,м БС	Р,%
		1.00
	108,81	2.22
	108,48	4.44
	108,45	6.67
	108,27	8.89
	108,2	11.11
	108,06	13.33
	108,03	15.56
	107,63	17.78
	107,59	20.00
	107,54	22.22
	107,5	24.44
	107,24	26.67
	107,2	28.89
	107,14	31.11
	107,05	33.33
		35.56
	106,92	37.78
	106,81	40.00

 

 

Перенос максимальных (годовых) уровней с В.П. в М.П. (таблица №2)

№	Уровни В.П.	106,47 106,37   106,45 106,35   106,44 106,34   106,2 106,1   106,13 106,03   106,13 106,03   105,9 105,8   105,78 105,68   105,73 105,63   105,71 105,61   105,67 105,57   105,52 105,42   105,48 105,38   105,41 105,31   105,4 105,3   105,33 105,23   105,24 105,14   105,23 105,13   105,06 104,96   104,97 104,87   104,26 104,16   102,74 102,64   Уровни М.П.
1%		108,9
	108,81	108,71
	108,48	108,38
	108,45	108,35
	108,27	108,17
	108,2	108,1
	108,06	107,96
	108,03	107,93
	107,63	107,53
	107,59	107,49
	107,54	107,44
	107,5	107,4
	107,24	107,14
	107,2	107,1
	107,14	107,04
	107,05	106,95
		106,9
	106,92	106,82
	106,81	106,71
	106,71	106,61
	106,61	106,51
	106,52	106,42
	106,51	106,41

 

 

Поскольку наблюдения за расходами в створе водпоста отсутствуют необходимо предварительно морфометрически построить кривую расходов в створе перехода.

· По кривой расходов переводим ранжированный ряд наблюдений за уровнями в эмпирический ряд расходов.(табл.3)

· По данным эмпирического ряда расходов строим эмпирическую кривую расходов на клетчатке вероятности (рис. 6).

· Продлеваем кривую до пересечения с 1% вероятностью и получаем значение Q_1%=1700 м^3/c.

 

	106,37	803.725
	106,35	799.175
	106,34	796.9
	106,1	743.725
	106,03	728.65
	106,03	728.65
	105,8	680.4
	105,68
	105,63
	105,61
	105,57	634.075
	105,42	604.875
	105,38	597.225
	105,31	583.925
	105,3	582.05
	105,23	568.95
	105,14	552.35
	105,13	550.525
	104,96	519.925
	104,87	504.075
	104,16	387.5
	102,64	382.55

Таблица №3

№	Отметки в М.П.	Максимальные расходы
	108,9
	108,71	1482.124
	108,38	1364.175
	108,35	1353.925
	108,17	1293.875
	108,1	1271.2
	107,96	1226.875
	107,93	1217.575
	107,53	1098.875
	107,49	1087.55
	107,44	1073.5
	107,4	1062.375
	107,14	992.175
	107,1	981.7
	107,04	966.125
	106,95	943.1
	106,9	930.475
	106,82	910.525
	106,71	883.6
	106,61	859.575
	106,51
	106,42	815.15
	106,41	812.85

 

Ранжированный ряд расходов и их вероятности (таблица №4)

799.175 53.33   796.9 55.56   743.725 57.78   728.65 60.00   728.65 62.22   680.4 64.44     66.67     68.89     71.11   634.075 73.33   604.875 75.56   597.225 77.78   583.925 80.00   582.05 82.22   568.95 84.44   552.35 86.67   550.525 88.89   519.925 91.11   504.075 93.33   387.5 95.56   382.55 97.78

№	Q,м2/с	Р,%
		1.00
	1482.124	2.22
	1364.175	4.44
	1353.925	6.67
	1293.875	8.89
	1271.2	11.11
	1226.875	13.33
	1217.575	15.56
	1098.875	17.78
	1087.55	20.00
	1073.5	22.22
	1062.375	24.44
	992.175	26.67
	981.7	28.89
	966.125	31.11
	943.1	33.33
	930.475	35.56
	910.525	37.78
	883.6	40.00
	859.575	42.22
		44.44
	815.15	46.67
	812.85	48.89
	803.725	51.11

 

 

3.Морфометрические расчёты в створе перехода

Целью морфометрических расчетов является установление распределения общего расхода между руслом и поймой, а также построение кривой расходов [Q=f(H)], график изменения площади живого сечения потока [ω=f(H)] и кривая скорости [V=f(H)].

Выполняем расчет морфоствора (рис. 8).

· По данным расчета из табл.3 строим графики.

- График изменения площади живого сечения потока (рис. 9).

- Кривые расходов (рис. 10).

- Кривая скорости в русле (рис. 11).

Морфометрические расчеты створа моста (Таблица №5)

Уровни, м	РУВВ1%=108,90	УВВ=108,71	УБ=106,70	УМВ=102,78
Участки	Пойма	Русло	Пойма	Русло	Пойма	Русло	Пойма	Русло
Площадь сечения (ω, м2)	2204.61	2122.027	1935.7825	2050.72	-	1441.2125	-	585.096
Средняя глубина участка (h,м)	1.46	8.1	1.28	7.827	-	5.5	-	2.233
Средняя скорость (v, м/с)	0.141	0.736	0.129	0.719	-	0.569	-	0.312
Расход (Q, м3/с)	311.512	1561.458	249.989	1475.95	-	819.95	-	182.55

; ;

Общий уклон i=0.00003

Ширина поймы ∑В_i=B_пб=1510 м

Ширина русла ∑В_i=B_рб=262 м

Коэффициент шероховатости: поймыn_пб=0,05, руслаn_рб=0,03

Аналитическое определение расчетного расхода (по Фостеру)

Для определения аналитического значения расчетного расхода используем биноминальный закон распределения (метод Фостера). Это значение является определяющим и оно будет использоваться в последующих расчетах.

Результаты расходов, полученные различными методами, должны находится в диапазоне +-20%. В случае выполнения данного условия принимаем аналитическое значение.

· Определение среднего многолетнего расхода:

· Коэффициент относительного расхода: 50,692

· Коэффициент вариации: 0.360; где

· Коэффициент ассиметрии:

Расход заданной вероятности превышения

	568.95	0,661	0,437
	552.35	0,642	0,412
	550.525	0,640	0,409
	519.925	0,604	0,365
	504.075	0,586	0,343
	387.5	0,450	0,203
	382.55	0,445	0,198

883.6 1,027 1,054   859.575 0,999 0,998     0,972 0,944   815.15 0,947 0,897   812.85 0,945 0,892   803.725 0,934 0,872   799.175 0,929 0,863   796.9 0,926 0,858   743.725 0,864 0,747   728.65 0,847 0,717   728.65 0,847 0,717   680.4 0,791 0,625     0,762 0,581     0,751 0,564     0,746 0,557   634.075 0,737 0,543   604.875 0,703 0,494   597.225 0,694 0,482   583.925 0,679 0,461   582.05 0,676 0,458

Таблица №6

№	Q	K	к2
		1,969	3,878
	1482.124	1,722	2,967
	1364.175	1,585	2,513
	1353.925	1,573	2,476
	1293.875	1,504	2,261
	1271.2	1,477	2,182
	1226.875	1,426	2,033
	1217.575	1,415	2,002
	1098.875	1,276	1,629
	1087.55	1,264	1,597
	1073.5	1,248	1,556
	1062.375	1,235	1,524
	992.175	1,153	1,330
	981.7	1,141	1,302
	966.125	1,123	1,261
	943.1	1,096	1,201
	930.475	1,081	1,169
	910.525	1,058	1,120

Замечание: Коэффициент Фостера одного процента Ф_1%= 3.0, берем из таблицы 3,2(«Проектирование мостовых переходов» О.В. Андреев) в зависимости от коэффициента ассиметрии С_s =1,297.

Вывод: Аналитический результат или аналитическое значение расхода Q_р из всех вариантов определения расхода является основным для производства последующих расчетов.

5.Определение расчётного судоходного уровня (РСУ). Определение отметки низа конструкции пролетного строения. Определение отметки проезжей части на мосту.

Расчетный судоходный уровень (РСУ) необходим для определения генеральных параметров мостового перехода, таких как: отметка низа конструкции, отметка проезжей части.

Из-за совпадения пика паводков на главной реке Ока и реке Москва, в которой находится створ мостового перехода, возникает подпорный уровень ПУВВ1%=109.24м, который выше РУВВ1%=108,9м. Следовательно, отметка расчетного судоходного уровня отсчитывается от ПУВВ1%.
• Номер расчетного года для судоходства

N=a*(n+1)=(1/25)*(1+44)=1.8~2

• Допустимое время перерыва движения

T=k*T=(1/16)*150=9.375~9

a,k – коэффициенты по судоходным нормам

n – число членов ряда наблюдения за уровнями

Т – время навигации = 150

Габариты для 3 класса судоходства – 13м

Отметка низа конструкции – 109,24 + 13 = 122,24 м

Отметку проезжей части принимаем из отношения строительной высоты к длине пролета, равного 1/30. Отсюда находим, что строительная высота равна ~4м. Следовательно, отметка верха конструкции ВПЧ равна 126.24 м.

 

 

6.Русловые расчеты.Определение частоты затопления пойм и степени стеснения потока для установления величины отверстия моста и отметки предельного размыва.

Целью русловых расчетов является определение величины отверстия моста и соответствующей глубины общего размыва под мостом, а также других разновидностей размыва: местного, природного, техногенного (от влияния соседних сооружений).

В результате русловых расчетов определяется отметка предельного (суммарного) размыва, от которой отсчитывается глубина заделки свай высокого свайного ростверка. Именно эти параметры прежде всего обеспечивают надежность работы мостового перехода.

Определение стеснения потока:

1. С графика кривой расходов (рис.9) снимаем значения Qрб и Qобщ при РУВВ1% и находим степень стеснения потока насыпью подходов β.

2. На клетчатке вероятностей с эмпирической кривой уровней откладываем на оси ординат отметку УБ(106,80), проводим прямую, параллельную по оси абсцисс до пересечения с кривой уровней, затем проецируем эту точку на ось абсцисс и получаем вероятность Р_n%, которая является частотой затопления пойм. Таким образом получаем:

3. Полученные значения Р_n% и β сверяем с табличным (если пара значений окажется слева от ближайших соседних, то размыв будет происходить только в глубину; если пара значений окажется справа от ближайших соседних, то размыв будет происходить и в глубину и в ширину).(табл.7)

Условие уширения русла (по Федотову)

Таблица №7

Степень стеснения потока насыпью подходов β	1.7	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5
Вероятность Затопления Рn%

 

Вывод: Поскольку найденная пара значений находится слева (меньше) от ближайших табличных значений, размыв будет развиваться только в глубину (без уширения русла).

Литература

- Г.Г. Наумов, В.И. Пуркин, А.С. Холин “Изыскания и проектирование мостовых переходов”

- СНиП 2.05.03.84 “Мосты и трубы” 2011г.

- Федотов Г.А. “Изыскания и проектирование мостовых переходов”, Москва 2010 г.

- Андреев Ю.А. “Проектирование мостовых переходов”, Москва 1980г.