Промывка моста – это удаление отложений , таких как песок и гравий , вокруг опор или опор моста . Гидродинамический размыв , вызванный быстрым течением воды, может привести к образованию дыр , нарушающих целостность конструкции. [1]
В Соединенных Штатах размыв мостов является одной из трех основных причин выхода из строя мостов (остальные — столкновения и перегрузка). Подсчитано, что 60% всех отказов мостов происходят из-за размыва и других причин, связанных с гидравликой. [2] Это наиболее распространенная причина разрушения автомобильных мостов в США, [3] где 46 из 86 крупных разрушений мостов произошли из-за размыва возле опор с 1961 по 1976 год. [4]
Вода обычно течет быстрее вокруг пирсов и устоев, что делает их уязвимыми для местного размыва. В проемах моста может произойти размыв сжатия, когда вода ускоряется, когда она течет через отверстие, которое уже, чем канал вверх по течению от моста. Деградационный размыв происходит как вверх, так и вниз по течению от моста на больших площадях. В течение длительного периода времени это может привести к опусканию русла ручья . [2]
Нестабильность русла реки, приводящая к речной эрозии и изменению углов атаки, может способствовать размыву мостов. Обломки также могут оказывать существенное влияние на размыв мостов по нескольким причинам. Накопление материала может уменьшить размер водного пути под мостом, вызывая размыв русла. Накопление мусора на абатменте может увеличить площадь обструкции и усилить местное размывание . Обломки могут отклонять поток воды, изменяя угол атаки и усиливая местное размыв. Обломки также могут сместить весь канал вокруг моста, что приведет к увеличению потока воды и ее размыванию в другом месте. [3]
Наиболее часто встречающиеся проблемы размыва мостов обычно связаны с рыхлым аллювиальным материалом, который легко поддается эрозии. Не следует полагать, что общий размыв связных или сцементированных грунтов будет не таким большим, как несвязных грунтов; просто для развития поноса требуется больше времени.
Многие уравнения размыва были получены в результате лабораторных исследований, область применимости которых трудно определить. Большинство исследований было сосредоточено на опорах и сваях , хотя большинство проблем размыва мостов связано с более сложной конфигурацией опор моста. Некоторые исследования были проверены с использованием ограниченных полевых данных, хотя их также сложно точно масштабировать для целей физического моделирования. Во время полевых измерений после размыва яма, образовавшаяся на этапе подъема паводка или на пике, может быть снова засыпана на этапе спада. По этой причине максимальную глубину размыва невозможно просто смоделировать после события.
Размыв также может вызвать проблемы с гидравлическим анализом моста. Промывка может значительно углубить русло через мост и эффективно уменьшить или даже устранить подпор . Однако на это сокращение подпора не следует полагаться из-за непредсказуемого характера происходящих процессов.
При рассмотрении размыва принято различать несвязные или несвязные (аллювиальные) отложения и связный материал. Первые обычно представляют наибольший интерес для лабораторных исследований. Когезионные материалы требуют специальных технологий и мало изучены.
Первым важным вопросом при рассмотрении размыва является различие между размывом чистой воды и размывом живого дна . Критический вопрос заключается в том, является ли среднее напряжение сдвига слоя потока перед мостом меньше или больше порогового значения, необходимого для перемещения материала слоя.
Если напряжение сдвига перед мостом меньше порогового значения, материал слоя перед мостом находится в состоянии покоя. Это состояние называется состоянием чистой воды, поскольку приближающийся поток чист и не содержит осадка. Таким образом, любой донный материал, удаленный из местной выгребной ямы, не заменяется осадками, переносимыми приближающимся потоком. Максимальная локальная глубина размыва достигается, когда размер промывочного отверстия приводит к локальному уменьшению напряжения сдвига до критического значения, при котором поток больше не может удалять материал слоя из размытой области.
Размыв живого русла происходит там, где напряжение сдвига вверх по течению превышает пороговое значение, а материал русла перед переходом движется. Это означает, что приближающийся поток непрерывно переносит осадок в местную выгребную яму. Само по себе находящееся русло в однородном канале не вызовет промывной ямы — для ее создания необходимо некоторое дополнительное увеличение напряжения сдвига, например, вызванное сжатием (естественным или искусственным, например, мостом) или местное препятствие (например, опора моста). Равновесная глубина промывки достигается, когда материал транспортируется в промывочную яму с той же скоростью, с которой он выносится наружу.
Обычно максимальный равновесный размыв чистой воды примерно на 10% превышает равновесный размыв живого дна. Условия, благоприятствующие размыву чистой воды, включают слишком крупный материал дна для транспортировки, наличие покрытых растительностью или искусственно укрепленных каналов, где скорости достаточно высоки только из-за местного размыва, или плоские склоны дна во время низкого расхода воды.
Вполне возможно, что размыв может происходить как в чистой воде, так и в живом русле. Во время наводнения напряжение сдвига дна может меняться по мере изменения паводковых потоков. В начале наводнения могут быть условия чистой воды с переходом в живое русло перед возвращением к условиям чистой воды. Обратите внимание, что максимальная глубина размыва может возникнуть в начальных условиях чистой воды, а не обязательно во время пика уровня паводка и размыва живого дна. Аналогичным образом, относительно высокие скорости могут наблюдаться, когда поток просто удерживается внутри берегов, а не распространяется по поймам рек во время пикового расхода.
Урбанизация приводит к увеличению масштабов наводнений и к более раннему достижению пика гидрографов, что приводит к увеличению скорости рек и их деградации. Улучшение русла или добыча гравия (выше или ниже рассматриваемого участка) могут изменить уровень воды, скорость потока, наклоны дна и характеристики переноса наносов и, следовательно, повлиять на размыв. Например, если аллювиальный канал выпрямляется, расширяется или изменяется каким-либо другим образом, что приводит к увеличению состояния энергии потока, канал будет стремиться вернуться к более низкому энергетическому состоянию за счет деградации вверх по течению, расширения и ухудшения состояния вниз по течению.
Значение размыва при проектировании моста заключается в том, что инженер должен решить, будет ли существующая высота русла постоянной в течение срока службы моста или она изменится. Если изменение вероятно, оно должно быть учтено при проектировании водного пути и фундамента.
Боковая устойчивость русла реки также может влиять на глубину размыва, поскольку движение русла может привести к неправильному расположению или выравниванию моста по отношению к приближающемуся потоку. Эта проблема может быть серьезной при любых обстоятельствах, но потенциально очень серьезной в засушливых или полузасушливых регионах и с эфемерными (прерывистыми) потоками. Темпы боковой миграции во многом непредсказуемы. Иногда русло, которое было стабильным в течение многих лет, может внезапно начать двигаться, но значительное влияние оказывают наводнения, береговой материал, растительность берегов и пойм, а также землепользование.
Размыв в местах мостов обычно классифицируется как размыв в результате сжатия (или сужения) и локальный размыв. Сжатие размыва происходит по всему поперечному сечению в результате повышенных скоростей и напряжений сдвига дна, возникающих из-за сужения русла такой конструкцией, как мост. В общем, чем меньше коэффициент раскрытия, тем выше скорость водного пути и выше вероятность размыва. Если сток сокращается из широкой поймы, может произойти значительный размыв и обрушение берегов. Относительно серьезные сужения могут потребовать регулярного обслуживания в течение десятилетий для борьбы с эрозией. Очевидно, что один из способов уменьшить размыв при усадке – это сделать отверстие шире.
Местный размыв возникает из-за увеличения скорости и связанных с ней вихрей, когда вода ускоряется вокруг углов устоев, пирсов и отрогов. Схема течения вокруг цилиндрического пирса. Приближающийся поток замедляется по мере приближения к цилиндру и останавливается в центре пирса. Возникающее в результате застойное давление является самым высоким у поверхности воды, где скорость приближения наибольшая, и меньшим ниже. Нисходящий градиент давления на поверхности пирса направляет поток вниз. Размыв локального пирса начинается, когда скорость нисходящего потока вблизи критической точки становится достаточно сильной, чтобы преодолеть сопротивление движению частиц слоя.
Во время наводнения фундамент моста может не пострадать, но насыпь за устоями может размыться. Повреждения такого типа обычно возникают в однопролетных мостах с вертикальными устоями стен.
Процесс обследования обычно проводится гидрологами и техниками -гидрологами и включает в себя анализ исторической инженерной информации о мосте с последующим визуальным осмотром. Записывается информация о типе камня или отложений, переносимых рекой, а также об угле, под которым река течет к мосту и от него. Территория под мостом также проверяется на предмет ям и других следов размыва.
Осмотр моста начинается с служебного расследования. Следует отметить историю моста и любые предыдущие проблемы, связанные с его очисткой. Как только мост будет признан потенциальным мостом для размыва, он приступит к дальнейшей оценке, включая проверку на местах, анализ уязвимостей в результате размыва и определение приоритетов. Мосты также будут классифицироваться по различным категориям и иметь приоритет по риску размыва. Как только мост будет оценен как критический для очистки, владелец моста должен подготовить план действий по очистке для устранения известных и потенциальных недостатков. План может включать установку контрмер, мониторинг, проверки после наводнений и процедуры закрытия мостов, если это необходимо.
Альтернативно, для оценки размыва также внедряются сенсорные технологии. Уровень обнаружения размыва можно разделить на три уровня: общий осмотр моста, сбор ограниченных данных и сбор подробных данных. [5] Существует три различных типа систем мониторинга размыва: стационарные, портативные и системы геофизического позиционирования. Каждая система может помочь обнаружить повреждения от размыва, чтобы избежать разрушения моста, тем самым повышая общественную безопасность.
Циркулярное руководство по гидротехнике № 23 (HEC-23) содержит общие рекомендации по проектированию мер по борьбе с размывом, применимых к опорам и устоям. Нумерация в следующей таблице соответствует разделу рекомендаций по проектированию HEC-23: [6]
Изгибы водосливов, отрогов и направляющих берегов могут помочь выровнять поток вверх по течению, в то время как каменная наброска , габионы , шарнирные бетонные блоки и заполненные раствором маты могут механически стабилизировать откосы опор и опор. [6] Каменная наброска остается наиболее распространенной мерой, используемой для предотвращения размыва опор моста. Ряд физических дополнений к опорам мостов может помочь предотвратить размыв, например, установка габионов и засыпка камней вверх по течению от фундамента. Добавление шпунтовых свай или взаимосвязанных сборных бетонных блоков также может обеспечить защиту. Эти контрмеры не изменяют промывной поток и носят временный характер, поскольку известно, что компоненты перемещаются или смываются паводком. [7] Федеральное управление автомобильных дорог (FHWA) рекомендует критерии проектирования в HEC-18 и 23, такие как предотвращение неблагоприятных режимов потока, оптимизация опор и проектирование фундаментов опор, устойчивых к размыву, без зависимости от использования каменной наброски или других контрмер.
Каналы трапециевидной формы, проходящие через мост, могут значительно уменьшить глубину местной промывки по сравнению с вертикальными устоями стен, поскольку они обеспечивают более плавный переход через проем моста. Это исключает резкие повороты, которые создают турбулентные зоны. Отроговые дамбы , колючки, буны и флюгеры представляют собой речные водоподготовляющие сооружения, которые изменяют гидравлику потока для уменьшения нежелательной эрозии или отложений. Обычно они используются на нестабильных каналах потока, чтобы помочь перенаправить поток потока в более желательные места через мост. Установка свай или более глубоких опор также используется для укрепления мостов.
Циркулярное руководство по гидротехнике № 18 (HEC-18) было опубликовано FHWA и включает несколько методов оценки глубины размыва. Эмпирические уравнения размыва для размыва живого русла, размыва чистой водой и локального размыва у опор и устоев показаны в главе 5 «Общие размывы». Общая глубина размыва определяется путем сложения трех компонентов размыва, которые включают долговременное ухудшение и деградацию русла реки, общий размыв на мосту и локальный размыв на опорах или устоях. [8] Однако исследования показали, что стандартные уравнения в HEC-18 завышают прогноз глубины размыва для ряда гидравлических и геологических условий. Большая часть зависимостей HEC-18 основана на лабораторных исследованиях лотков , проведенных с отложениями размером с песок, повышенными с факторами безопасности, которые нелегко распознать или отрегулировать. [9] Песок и мелкий гравий являются наиболее легко разрушаемыми материалами дна, но ручьи часто содержат гораздо более устойчивые к размыву материалы, такие как плотный тилл , жесткая глина и сланец . Последствия использования методов проектирования, основанных на одном типе грунта, особенно значительны для многих крупных физико-географических провинций с совершенно разными геологическими условиями и материалами фундамента. Это может привести к чрезмерно консервативным расчетным значениям размыва в условиях низкого риска или некритических гидрологических условиях. Таким образом, улучшения уравнений продолжаются, чтобы свести к минимуму недооценку и переоценку размыва.
