Лабораторные исследования процессов размыва и намыва грунта в районе размещения мостовых опор

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса размыва дна при строительстве мостовых опор под защитой шпунтовой конструкции и ледорезного устройства. Обоснованы принципы моделирования процессов переноса речных наносов с учетом размеров переносимых частиц. Выполнены лабораторные исследования процессов формирования размывов и намывов для двух циклов параметров. Выполнена оценка влияния на величину размывов и намывов положения ледорезного устройства относительно шпунтового короба — ледорез располагался на различных расстояниях от шпунтового короба с шагом 0,1 м (5 м для натурных условий). Для нескольких вариантов расположения конструкций определены траектории и направления движения потока, что позволило составить сетку линий тока и определить значения поверхностных скоростей течения. Анализ распределения скоростей по поверхности и в объеме потока показал, что вокруг конструкции формируется подковообразный вихрь, вдоль крыльев которого на дне формируются рифели и гряды. Внутри «подковы» была установлена зона застоя с относительно гладким дном. При отсутствии ледореза основные зоны размыва грунта возникают в окрестности углов фронтальной грани короба, в тыловой части конструкции формируются намывы. При установке ледореза в форме треугольника, направленного острым углом навстречу набегающему потоку, зоны размывов перемещаются в окрестности углов основания ледореза, обращенных к коробу. При перемещении ледореза относительно короба вверх по потоку возникает зона намыва в промежутке между ледорезом и коробом. Максимальные значения размыва и намыва возникают при отсутствии ледореза и при его размещении на расстоянии 200–300 мм от короба. Минимальные значения размыва и намыва зафиксированы при размещении ледореза вплотную к коробу опоры. Установка ледорезного устройства улучшает гидравлические условия обтекания конструкции шпунтового короба, что приводит к уменьшению глубин размывов.

1. Саруханян А. А. Исследование русловых деформационных процессов на участках мостовых переходов георесурсных транспортных систем / А. А. Саруханян, П. О. Балджян // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2021. — Т. 332. — № 5. — С. 148–155. DOI: 10.18799/24131830/2021/05/3194.

2. Алибеков А. К. Оценка размыва у свайных опор сооружений, пересекающих водотоки, с учетом показателей надежности и неоднородности грунтов основания / А. К. Алибеков // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2018. — Т. 45. — № 1. — С. 181–192.

3. Беляков П. В. Анализ и оценка гидроморфологической ситуации на участке строительства мостового перехода через р. Зею в г. Благовещенске с помощью математического моделирования характеристик движения воды / П. В. Беляков, С. В. Конопацкий, П. С. Ржаковская // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2022. — Т. 14. — № 6. — С. 862–874. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-6-862-874.

4. Topczewski L. Monitoring of scour around bridge piers and abutments / Ł. Topczewski, J. Cieśla, P. Mikołajewski, P. Adamski, Z. Markowski // Transportation Research Procedia. — 2016. — Vol. 14. — Pp. 3963–3971. DOI: 10.1016/j.trpro.2016.05.493.

5. Arneson L. А. Evaluating scour at bridges / L. A. Arneson, L. W. Zevenbergen, P. F. Lagasse, P. E. Clopper. — Fifth Edition. — U. S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, 2012. — 340 р.

6. Калякин А. М. Модель процесса размыва перед препятствием типа мостовой опоры на основе представлений о вихре / А. М. Калякин // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений: межвуз. науч. сб. — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1997. — С. 33–43.

7. Unger J. Down-flow and horseshoe vortex characteristics of sediment embedded bridge piers / J. Unger, W. H. Hager // Experiments in Fluids. — 2007. — Vol. 42. — Pp. 1–19. DOI: 10.1007/s00348-006-0209-7.

8. Воскобойник А. А. Локальный размыв грунта при взаимодействии мостовых опор, находящихся в следе друг за другом / А. А. Воскобойник, А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник [и др.] // Прикладна гiдромеханiка. — 2006. — Т. 8. — № 3. — С. 16–26.

9. Калякин А. М. Обобщенная модель обтекания препятствия открытым турбулентным потоком / А. М. Калякин, Е. В. Чеснокова // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 3 (55). — С. 49–56. DOI: DOI: 10.5862/MCE.55.6.

10. Salaheldin T. M. Numerical modeling of three-dimensional flow field around circular piers / T. M. Salaheldin, J. Imran, M. H. Chaudhry // Journal of Hydraulic Engineering. — 2004. — Vol. 130. — Is. 2. — Pp. 91–100. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:2(91).

11. Никишов В. И. От гидравлики открытых потоков — к гидромеханике речных систем / В. И. Никишов // Прикладна гiдромеханiка. — 2007. — Т. 9. — № 2–3. — С. 103–121.

12. Laursen E. M. An analysis of relief bridge scour / E. M. Laursen // Journal of the Hydraulics Division. — 1963. — Vol. 89. — Is. 3. — Pp. 93–118. DOI: 10.1061/JYCEAJ.0000896.

13. Халфин И. Ш. Моделирование и расчет размыва дна вокруг вертикального цилиндра большого диаметра под воздействием волн / И. Ш. Халфин // Водные ресурсы. — 2007. — Т. 34. — № 1. — С. 56–67.

14. Воскобойник А. А. Визуализация сопряженного обтекания групповой мостовой опоры / А. А. Воскобойник, А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник // Вiсник Донецького унiверситету/Сер. А: Природничі науки. — 2008. — Вип. 1. — С. 219–227.

15. Михалев М. А. Физическое моделирование местного размыва у цилиндрических мостовых опор в несвязных грунтах / М. А. Михалев // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева. — 2012. — Т. 267. — С. 3–18.

16. Клавен А. Б. Экспериментальные исследования и гидравлическое моделирование речных потоков и руслового процесса / А. Б. Клавен, З. Д. Копалиани. — СПб.: Нестор-История, 2011. — 504 с.

17. Morgunov K. Experimental studies of the kinematics flow and bottom’s reformations in the area of bridge pier during the construction of the bridge crossing / K. Morgunov, G. Gladkov, Y. Ivanovsky // Journal of Physics: Conference Series. — IOP Publishing, 2021. — Vol. 2131. — Is. 3. — Pp. 032064. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/3/032064.