Фортуна Ю.А., В.М. Телятников, Т.И. Овчаренко, Кореневский В.В. Проектирование малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах - файл n1.doc

Фортуна Ю.А., В.М. Телятников, Т.И. Овчаренко, Кореневский В.В. Проектирование малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах
скачать (3669.4 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.doc1008kb.03.10.2003 14:26скачать
n2.doc3175kb.12.04.2006 11:50скачать

n1.doc



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ


Кафедра транспортных сооружений

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ
Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине

«Изыскание и проектирование транспортных сооружений »

для студентов всех форм обучения специальности 29.10.00

Автомобильные дороги и аэродромы

КРАСНОДАР 2000
УДК 625,72

Проектирование малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Изыскание и проектирование транспортных сооружений» для студентов всех форм обучения специальности 29.10.00 - Автомобильные дороги и аэродромы. Стр. 27; рис. 12; табл. 6.

Изложена методика гидрологических и гидравлических расчетов при проектировании переходов через малые водотоки. Даны рекомендации по назначению типа, размеров и конструкции малых водопропускных сооружений с учетом экономических и экологических требований. Представлен основной справочный материал.

Печатается по решению редакционно-издательской группы Кубанского Государственного Технологического Университета.

Составители: к.т.н., доц. Ю. А.Фортуна

к.т.н., доц. В. М. Телятников

ст. преп. Т.И. Овчаренко

асс. Кореневский В.В.


Рецензенты: Зав.кафедрой транспортных

сооружений, профессор К.А. Дараган
Начальник ТОО

« Краснодаравтодорпроект» А. А. Петрович

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.

1 Общие сведения о малых водопропускных сооружениях (МВС). . . . . . . . . . . . .4

2 Конструкция МВС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Конструкция водопропускных труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Конструкция малых железобетонных мостов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Сбор исходных данных для проектирования МВС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Определение величины расчетного расхода водотока и объема стока . . . . . . . . 16

4.1 Определение расхода ливневых вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

4.2 Определение общего объема стока ливневых вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.3 Определение расчетного расхода от талых вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5 Проектирование водопропускной трубы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

5.1 Установление режима протекания воды в сооружении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.2 Расчет отверстия водопропускной трубы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.3 Выбор варианта отверстия трубы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . …22

5.4 Конструирование водопропускной трубы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

5.5 Определение длины трубы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

5.6 Определение размеров укрепления за сооружением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6 Проектирование малого моста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

6.1 Определение расчетной схемы протекания воды под мостом . . . . . . . . . . . . . 24

6.2 Расчет отверстия малого моста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7 Требования к оформлению работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Приложение 1 Категория дороги от расчетной интенсивности

Приложение 2 Дорожно-климатическая зона

Приложение 3 Карта-схема ливневого района

Приложение 4 Вероятность превышения паводка

Приложение 5 Интенсивность ливня часовой продолжительности

Приложение 6 Коэффициент Кt

Приложение 7 Коэффициент потерь стока

Приложение 8 Коэффициент редукции

Приложение 9 Коэффициент дружности половодья

Приложение 10 Коэффициенты снижения стока при наличии на водосборном бассейне озер, заболоченных мест и леса.

Приложение 11 Карта средних слоев стока талых вод

Приложение 12 Поправочные коэффициенты для засушливых районов

Приложение 13 Карта коэффициентов вариации слоев стока талых вод

Приложение 14 Модульные коэффициенты

Приложение 15 Гидравлические характеристики типовых круглых труб

Приложение 16 Гидравлические характеристики прямоугольных труб с нормальным входным звеном

Приложение 17 Геометрические размеры круглых труб

Приложение 18 Геометрические размеры прямоугольных труб

Приложение 19 Графики пропускной способности круглых труб

Приложение 20 Графики пропускной способности прямоугольных труб

Приложение 21 Геометрические характеристики укреплений у круглых труб

Приложение 22 Геометрические характеристики укреплений у прямоугольных труб

Приложение 23 Допускаемые средние скорости течения воды для укрепления русел

Приложение 24 Основные размеры типовых пролетных строений мостов

Приложение 25 Относительные глубины размыва

ВВЕДЕНИЕ

Трасса любой автомобильной дороги неизбежно пересекает пониженные места рельефа местности, по которым стекает вода. Водотоки на этих участках могут быть как постоянными, так и периодическими. Постоянными водотоками являются реки и ручьи, в которых всегда происходит сток воды. В периодических водотоках вода стекает только лишь в периоды дождей, ливней или снеготаяния.

Земляное полотно автомобильной дороги, сооружаемое на пересечении водотока, нарушает естественный режим его работы. Для пропуска воды через земляное полотно проектируют малые водопропускные сооружения (МВС) — трубы или мосты. Количество искусственных сооружений достигает 3-4 шт. на 1 км. дороги и от качества их проектирования зависит долговечность и экономичность дороги в целом. Поэтому глубине проработки данного вопроса уделяется большое внимание при изучении дисциплины «Изыскание и проектирование транспортных сооружений».

В настоящих методических указаниях сделана попытка систематизировать разрозненный материал по проектированию МВС с целью сокращения непроизводительных затрат времени и повышения качества принимаемых проектных решений.
1 Общие сведения о малых водопропускных сооружениях (МВС)
К малым водотокам относятся ручьи, малые реки, с площадью водосборного бассейна менее 100 км2, а также овраги и суходолы, по которым после дождей или снеготаяния стекает вода.

Основными водопропускными сооружениями на автомобильных дорогах в местах пересечения ими малых водотоков являются трубы и малые мосты общей длиной до 25 м. Большую часть из них составляют трубы, как более предпочтительный вид сооружения. Трубы не меняют условий движения автомобилей, так как их можно располагать при любых сочетаниях плана и продольного профиля дорог, они не стесняют проезжую часть и обочины, и не требуют изменения типа дорожной одежды. Кроме того, они значительно дешевле мостов. Трубы, в отличие от мостов, представляют собой отверстия в теле земляного полотна, не нарушающие его цельности

В настоящее время трубы по конфигурации отверстия применяют круглые, прямоугольные, и реже, овоидальные.

По количеству отверстий трубы могут быть одно- и многоочковые, но обычно ограничиваются 2-х и 3-х очковыми трубами.

По материалу, из которого они изготавливаются, трубы бывают каменные, бетонные, железобетонные, асбоцементные, металлические, деревянные, стеклопластиковые.

Водопропускная труба состоит из входного и выходного оголовков, тела трубы (звеньев) и укрепления за трубой.

Минимальное отверстие трубы регламентируется СНиП 2.05.03-84, и составляет 1 м при длине трубы до 20 м и 1.25м при длине трубы 20 м и более.

Малые мосты представляют собой сооружения, состоящие из опор и пролетного строения, на котором конструкция земляного полотна и дорожной одежды прерывается.

Малые мосты предъявляют более высокие требования к продольному профилю и плану дороги, так как на подходах к мостам наблюдается зрительное сужение автомобильной дороги, поскольку выдержать габарит моста, равный ширине земляного полотна на подходах, часто не представляется возможным ввиду неэкономичности такого решения. Увеличение ширины проезжей части на величину полос безопасности, согласно требования СНиП 2.05.02-85, не исключает восприятия водителем сужения проезжей части на мосту.

Кроме того, при въезде с земляного полотна на мост изменяется жесткость ездовой поверхности, что проявляется в виде удара по деталям подвески автомобиля. Это явление становится особенно заметным при недостаточном уплотнении земляного полотна на сопряжении с элементами моста.

В общем случае выбор типа и отверстия малого водопропускного сооружения зависит от расхода воды, который может пропустить сооружение, от рельефа местности и технико-экономического сравнения вариантов сооружений.

Мосты применяют в том случае, если трубы не могут обеспечить пропуск всей воды, притекающей к дороге.

Кроме того, трубы нельзя применять на участках водотока при наличии карчехода и возможном образования наледи (при среднеянварской температуре: -13 0С).

В дорожном строительстве широко применяют железобетонные мосты из сборных элементов, причем в качестве пролетных строений используют как плиты, так и балки типовых конструкций и размеров, и опоры, назначаемые в зависимости от грунтовых условий либо свайные, либо массивные на фундаментах мелкого заложения. Свайные опоры применяются чаще, т.к. они менее материалоемки, более технологичны при строительстве. Мосты могут быть однопролетные (без промежуточных опор) или двух-трех пролетные. Количество пролетов назначают в зависимости от величины отверстия моста и применяемых конструкций пролетных строений.

Проектирование малых водопропускных сооружений (МВС) проводится в несколько этапов:

- сбор исходных данных для проектирования;

- назначение типа МВС

-определение величины расчетного расхода;

-назначение вариантов размера отверстия МВС;

-расчет или назначение размеров укрепления у входного и выходного оголовков;

-назначение вариантов конструкции МВС с учетом типовых проектов и их привязки к конкретным условиям.

- выбор варианта сооружения по экономическим и экологическим критериям.
2 Конструкция МВС
2.1 Конструкция водопропускных труб

Водопропускная труба под насыпью автомобильной дороги состоит из средней части длиной L (собственно трубы), входного (1) и выходного (4) оголовков,0 звеньев (3),а также укрепления русла (рис.1).

Рис.1 Основные элементы трубы.
Средняя часть железобетонной (или бетонной) трубы разделена на звенья, установленные на фундамент, объединяющий их в секции, или на грунтовую подушку. Между секциями длиной обычно до 5м устраивают сквозные деформационные швы для предотвращения возникновения трещин из-за неравномерной осадки. Длину звена трубы принимают, как правило, равной 1, 3 или 5м. При устройстве трубы ей придают строительный подъем в продольном направлении со стрелкой, равной 1/40—1/80 от высоты насыпи для того, чтобы предотвратить образование впадин в середине трубы, где могла бы застаиваться вода.

Входной и выходной оголовки предназначены для обеспечения плавного входа и выхода водного потока, поддержания откосов насыпи и предотвращения продольных деформаций трубы от воздействия горизонтального давления насыпи. Наиболее часто применяются следующие типы оголовков: портальный (рис.2а), состоящий из вертикальной стенки, установленной перпендикулярно оси трубы; раструбный (рис.2б) с откосными крыльями переменной высоты, расходящимися от оси трубы; воротниковый (рис.2в) со срезанным параллельно откосу насыпи концевым звеном трубы .
а).



б).



в).



Рис.2 Типы оголовков труб
Металлические трубы часто строят без оголовков, ограничиваясь удлинением трубы до основания откосов насыпи.

Конструкция входного и выходного оголовков круглой железобетонной трубы, как правило, принимается одинаковой. В типовых конструкциях труб предусматриваются оголовки с коническим звеном на входе и выходе из трубы (рис.3а). Для труб, величина отверстия которых назначается из конструктивных соображений, т. е. без расчета, независимо от величины расхода пропускаемой воды, допускаются оголовки с цилиндрическими звеньями из типовых элементов (рис.3б).




Рис.3а Круглая железобетонная труба с коническими оголовками:

1-коническое звено оголовка; 2-портальная стенка; 3-откосная стенка; 4-песчано-гравийная подготовка; 5-фундамент конического звена; 6-фундамент секции трубы; 7-звенья тела трубы.



Рис. 3б Оголовок с цилиндрическим звеном:

1-цилиндрическое звено; 2-портальная стенка; 3-откосная стенка;4-гравийно-песчаная подготовка; 5-фундамент; 6-лекальный блок.

Нежелательно применять разнотипные оголовки, так как это приведет к увеличению типов блоков, необходимых для сооружения трубы. Глубина заложения фундаментов оголовков должна быть не менее 1.25 м при непучинистых грунтах. При пучинистых грунтах основания глубина заложения фундаментов оголовочного звена, портальной стенки и откосных стенок должна быть на 0.25 м больше расчетной глубины промерзания в районе строительства.

В прямоугольных железобетонных трубах для увеличения пропускной способности входной оголовок устраивается раструбный с повышенным звеном, а на выходе — с нормальным звеном (рис.1). На водотоках с небольшим расходом воды допускается устройство входного оголовка с нормальным звеном. Оголовок с повышенным звеном обеспечивает сопряжение ее с откосами насыпи и благоприятные условия входа водного потока в сооружение. Длина повышенной части трубы назначается в соответствии с гидравлическим расчетом. В типовых конструкциях труб повышенные звенья выше нормальных на 0.5 м, а их длина составляет 3 м.

Деление средней части трубы деформационными швами на секции вызвано особенностью действующей на нее нагрузки — собственного веса грунта насыпи и временной подвижной нагрузки: величина нагрузки вдоль оси трубы неодинакова, следовательно, неодинакова и деформация основания. Поэтому длина секции из двух или трех звеньев, объединенных общим фундаментом, должна быть не более 5 м. Деформационный шов допускает вертикальные перемещения смежных секций без нарушения целостности конструкции. Размер шва, как правило, не менее 3 см.

Водопропускные трубы можно сооружать на фундаментах из сборного бетона, железобетона на гравийно-песчаной подушке или без фундамента. Глубина заложения фундаментов средней части трубы назначается независимо от глубины промерзания, но с учетом гидрогеологических условий района строительства.

Сборные железобетонные фундаменты водопропускных труб (рис.4а) применяются при щебенистых, гравийно-галечниковых грунтах, крупнозернистых песках, твердых глинистых и суглинистых грунтах основания с расчетным сопротивлением свыше 35 МПа при расположении наивысшего уровня грунтовых вод не менее чем на 0.5 м ниже подошвы лекального блока. Высота насыпи при этом должна быть не более 8 м.

Сборные бетонные фундаменты водопропускных труб (рис.4б) применяются при разнозернистых мелкозернистых песках, глинах, суглинках и супесях средней плотности независимо от уровня грунтовых вод.

Фундаменты из монолитного бетона (рис.4в) применяются на любых грунтах основания, несущая способность которых больше расчетного давления по подошве фундамента. Высота насыпи при этом должна быть не более 17 м.

Допускается устройство труб на гравийно-песчаной подушке без фундаментов (рис.4г), если высота насыпи не более 6 м при диаметре трубы 1 м и 10 м при величине отверстия 1.5 м и достаточной несущей способности грунтов основания.



Рис.4 Типы опирания круглых труб.

При недостаточной несущей способности основания его можно усилить путем замены слоя слабого грунта или другим экономически целесообразным способом.

2.2 Конструкция малых железобетонных мостов

Малые мосты строят на суходолах и малых водотоках в относительно несложных гидрологических условиях. Для таких сооружений обычно применяются легкие конструкции опор: свайные, свайно-стоечнные, опоры стенки небольшой толщины, но иногда и массивные.

В настоящее время малые мосты проектируют, как правило, по типовым проектам из сборного железобетона. Пролеты от 3 до 6 м перекрывают обычно сплошными плитами, а пролеты от 6 м до 18 м пустотными плитами с преднапряженной или обычной арматурой.

Данные по плитным пролетным строениям приводятся в таблице 1.
Таблица1

формы поперечного сечения

пролеты

длина, м

размеры плиты

расход бетона на плиту, м3

расход стали при армировании, кг


вес блока, т

длина, см

высота, см

прядями,

струнами

стержнями

сплошные из обычного бетона


3
6


300
600


20
30


0.57
1.76










109
298


1.43
4.40


пустотные

6

9

12

15

18

600

900

1200

1500

1800

30

45

60

60

75

1.24

2.24

3.40

4.25

5.71

229

329

495

725

953

215

323.5

473

698

938

188

335

492

905

1329

3.1

5.6

8.5

10.7

14.3

 по ширине все плиты, с учетом шва, имеют размер 100 см
Для малых мостов с пролетами 12-24 м в 1965 году Союздорпроект разработал типовые проекты бездиафрагменных пролетных строений кратных модулю «3», используемые до настоящего времени. Поперечное объединение балок осуществляется взаимной сваркой арматурных выпусков из плиты и замоноличиванием бетоном продольных швов между балками. Ширина балки поверху без выпусков арматуры составляет 180 см. Предельная ширина шва между балками составляет 70 см.

Основные данные о цельноперевозимых балках бездиафрагменных пролетных строений приводятся в таблице 2.
Таблица 2

длина пролетного строения, м

высота балки, см

расход бетона на балку, м3

расход арматуры ,кг


вес блока, т

12

15

18

21

24

90

90

120

120

120

6.55

8.15

11.10

12.90

14.70

1590

1985

2380

2730

3270


16.4

20.4

27.4

32.3

36.8


В однопролетных мостах конструкции береговых опор (устоев) выполняются в виде свайных опор с заборными стенками из железобетонных плит.

Сваи для опор принимаются из обычного или преднапряженного железобетона сечением 3030 см, 3530 или 3535 см. Насадки выполняются из монолитного или сборного железобетона. Железобетонные плиты заборных стен в основном применяются сборные, пяти типов, которые комбинируются в том или ином сочетании в зависимости от высоты насыпи и заложения ее откосов.

Данные по опорам приводятся в таблице 3, а данные по заборным стенкам - в таблице 4.


Таблица3

СВАИ

НАСАДКИ


длины свай, см

расход материалов


вес сваи, т

сечение насадки, см


длина, см

расход материалов


вес блока, т

бетон, м3

сталь, кг

бетон, м3

сталь, кг


600


0.65


249


1.62


4060

280

350

420

490

0.57

0.74

0.86

1.03

179

227

263

299

1.73

1.85

2.15

2.58


800


0.85


324


2.12


4075

280

350

420

490

0.74

0.95

1.11

1.32

182

238

260

288

1.85

2.38

2.78

3.30


1000


1.07


400


2.68


40120

280

350

420

490

1.15

1.48

1.72

2.05

207

218

252

284

2.88

3.70

4.30

5.12



Примечание: 1 данные по расходу материала приведены по типовым проектам, разработанным Белгидродором;

2 насадка сечением 40120 применяется для двухрядной опоры.


Таблица4

тип плит

расход материала

вес плиты, т

бетон В-30, м3

Арматура, кг

П-1

П-2

П-3

П-3а

П-4

0.22

0.11

0.29

0.31

0.42

24.20

12.40

48.40

49.60

44.30

0.55

0.28

0.73

0.78

1.05


В многопролетных мостах целесообразно применять типы опор в зависимости от конструкций пролетных строений.

Для пролетов 3 м и 6 м применимы свайные однорядные опоры, а для больших пролетов, длиной до 15 м, возможны свайные двухрядные (рис.5).


Рис. 5 Промежуточная свайная опора:

а - фасад однорядной опоры; б - фасад двухрядной опоры; в - боковой вид.
Свайно-стоечные опоры под унифицированные пролетные строения, разработанные Союздорпроектом, предусматривают опирание балок или плит на опоры через резинометаллические опорные части, вследствие чего влияние тормозной нагрузки и температурного воздействия сказывается только в пределах одного пролета.

Расход основных материалов на одну свайно-стоечную опору высотой от 2.0 до 6.25 м приведен в таблице 5.

Свайно-стоечные опоры для районов с интенсивной ледовой нагрузкой или интенсивным карчеходом имеют ледозащитные рубашки из железобетонных плит толщиной 10 см и высотой 50-100 см, укрепляемые на основные стойки (рис.6).



При толщине льда до 1.0 м могут быть рекомендованы опоры-стойки или промежуточные двух столбчатые опоры.

Для береговых опор в многопролетных мостах могут быть применены опоры-стенки (рис.7) , устои козлового типа (рис.8) , или лежневая опора, если подходы представлены прочными грунтами естественного образования (рис.9).



Рис.7 Промежуточная опора-стенка из вертикальных блоков сплошного сечения:

-бетон заполнения марки В-30.





Рис.8 Береговая опора козлового типа:

а – разрез I-I; б – боковой вид;

1 – оси опорных частей; 2 – слив; 3 – бровка земляного полотна



Рис.9 Поперечное сечение береговой лежневой опоры:

1 – ось опирания; 2 – тяжи  22 мм.


Расход материала определяется путем фактического подсчета объема опор по принятым размерам, а расход арматуры принимается в количестве 3% от объема бетона.


Таблица 5



ГАБАРИТЫ

РАСХОД МАТЕРИАЛОВ

на сборные элементы надфундаментной части опор

на монолитный фундамент

бетон В-30, м3

арматура А-I, А-II, кг

бетон В-20, м3

арматура А-II, кг

Г-7 — 21.0

12.4—15.32

1172.4—2199.0

12.8

304

Г-7 — 21.5

12.6—15.78

1243.2—2269.8

14.1

338

Г-8 — 21.0

12.6—15.78

1243.2—2269.8

14.1

338

Г-8 — 21.5

14.38—18.09

1394.3—2592.0

15.4

369

Г-9 — 21.0

14.38—18.09

1394.3—2592.0

15.4

369

Г-9 — 21.5

16.16—20.40

1545.4—2914.2

16.8

399

Г-10.5 — 21.0

16.16—20.40

1545.4—2914.2

16.8

399

Г-10.5 — 21.5

17.94—22.71

1696.5—3236.4

18.1

430

Примечание: для промежуточных высот опор расход материала можно вычислять по линейной интерполяции.
3 Сбор исходных данных для проектирования МВС
Чтобы запроектировать МВС необходимо учитывать целый ряд факторов, влияющих на принятие решения по назначению типа, размеров, конструкции и материала сооружения. Некоторые сведения, необходимые для проектирования, обычно содержатся в задании на разработку проекта. Например: район проектирования, категория дороги или интенсивность и состав движения. Остальные сведения получают во время изысканий, либо путем натурных измерений и исследований, либо путем изучения различного рода справочной, нормативной и технической литературы, а также картографического материала. Наименование, цель и источник получения необходимых сведений приведены в таблице 6
Таблица 6


наименование показателя

для какой цели используется

источник получения

1

2

3

Категория дороги

Назначение вероятности превышения паводка. Назначение ширины земляного полотна, учитываемой при расчете длины трубы. Назначение габарита моста

СНиП 2.05.02-85

(см. приложение 1)

Перспективная интенсивность движения

Назначение категории дороги

  1. задание на проектирование

  2. расчет по формулам, учитывающим интенсивность движения в исходном году и процент ежегодного прироста

1

2

3

Средняя температура самого холодного месяца года

Назначение типа сооружения (возможность применения водопропускной трубы по природно-климатическим условиям)

СНиП II –А.6 - 72

Вероятность превышения паводка

Определение интенсивности ливня часовой продолжительности при расчете расхода от ливневых вод

СНиП 2.01.14 - 83

(см. приложение 4)

Площадь водосборного бассейна

Определение расчетного расхода

Топографическая карта

Длина главного лога

Определение величины климатического коэффициента Кt

Топографическая карта

Уклон лога у сооружения

Определение бытовых условий протекания воды. Расчет скорости течения воды

Топографическая карта и расчет

Средний уклон главного лога

То же

Топографическая карта и расчет

Профиль живого сечения перехода через водоток

Установление бытовых условий протекания воды

Топографическая карта

Уровень грунтовых вод

Назначение типа фундамента

Задание на проектирование

Грунт основания


Назначение вероятности превышения паводка (Bп) зависит от категории проектируемой дороги и типа сооружения. Вероятность превышения паводка выражается в процентах и показывает по максимальному расходу паводка, для какого периода нужно вести расчет:

при Вп = 1% по расходу, паводок может быть 1 раз в 100 лет

при Вп = 2% по расходу, паводок может быть 1 раз в 50 лет

при Вп = 3% по расходу, паводок может быть 1 раз в 33 года

Для МВС на дороге заданной категории вероятность превышения паводка определяется по таблице (приложение 4).

Гидрологические характеристики.

Площадь водосборного бассейна на местности определяется обходом с теодолитом водораздельной линии с замыканием в точке начала обхода. Таким образом получают замкнутый контур. Составленный по результатам обхода план называется планом бассейна. План бассейна можно получить и по топографической карте. Величина площади водосборного бассейна наиболее точно может быть определена с помощью планиметра. На практике рекомендуется ряд простых методов, дающих хорошую сходимость с результатом, полученным с помощью планиметра:

Длину главного лога определяют по топографической карте, предварительно определив на ней линию главного лога. Затем измеряют длину этой линии в соответствии с масштабом. Длина главного лога берется от места расположения МВС на трассе до водораздельной линии по наинизшим точкам рельефа.

Средний уклон главного лога определяется по формуле:

(1)

где Hв отметка верхней точки главного лога, на водоразделе, м ;

Hс — отметка лога у сооружения, м ;

L — длина главного лога, м .
Уклон лога у сооружения определяется между точками, расположенными на 200 м выше сооружения и 100 м ниже сооружения:
(2)

где Н200 — отметка лога на расстоянии 200 м выше сооружения, м;

Н100 — отметка лога на расстоянии 100 м ниже сооружения, м.

Профиль или поперечное сечение лога вдоль трассы автомобильной дороги живого сечения перехода через водоток получают считывая черные отметки пикетов и плюсов (по 2-3 с каждой стороны сооружения), по которым строят продольный профиль участка дороги.

Количество пикетов и плюсовых точек, необходимых для построения профиля, определяют по карте, исходя из рельефа местности и предполагаемого уровня воды в период расчетного паводка. Профиль живого сечения водотока, построенный в неискаженном масштабе (1:1000 или 1:2000), используется в дальнейшем для определения бытовой глубины потока.


4 Определение величины расчетного расхода

водотока и объема стока
Количество воды, притекающей к сооружению с малого водосборного бассейна, поддается теоретическому расчету. Однако, при этом неизбежны некоторые допущения. Наиболее трудно учесть ход дождя по времени, ход снеготаяния и впитывания воды в почву.

Расчеты по нормам стока ведут с одинаковой схематизацией для всех водосборов и со стандартной оценкой метеорологических факторов стока по достаточно большим районам. В качестве расчетного принимают больший из двух коэффициентов: от ливневых или от талых вод.

4.1 Определение расхода ливневых вод

Строительные нормы и правила (СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик») рекомендует для малых водосборов использовать расчет ливневого стока, пользуясь принципом «предельных интенсивностей», но необходимых расчетных формул для определения объема стока не дают.

В дорожном проектировании используется способ, основанный на принципе «предельных интенсивностей», дающий все необходимые характеристики ливневого стока. При этом рекомендуется использовать характеристики метеорологических факторов стока, установленные Союздорпроектом.


В основе расчетов лежит общая формула ливневого стока:
(3)

где ар — расчетная интенсивность ливня, зависящая от вероятности превышения, продолжительности и района строительства дороги, мм/мин;

F - площадь водосборного бассейна, км;

 — коэффициент редукции, учитывающий неполноту стока (приложение 8);

 — коэффициент потерь стока (приложение 7).

Переход от ливня часовой продолжительности к расчетной интенсивности ар осуществляется введением множителя Кt, который берут из таблицы (приложение 6), составленной на основе использования принципа “предельных интенсивностей”, заключающегося в теоретическом установлении наиболее опасной продолжительности ливня, равной времени добегания воды, выпавшей в начале ливня в наиболее удаленной от сооружения точке водосбора, к МВС:

(4)

где ачас — интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин

(приложение 5).

Малые водопропускные сооружения рассчитывают обычно на пропуск некоторой части расчетного ливневого расхода. На пропуск полного ливневого расхода их следует рассчитывать только в случае полного стока, т.е. при продолжительности расчетного ливня 5 минут и менее, когда переходный коэффициент Кt достигает максимального значения 5,24.

4.2 Определение общего объема стока ливневых вод

Объем ливневого стока определяется по формуле:
(5)

4.3 Определение расчетного расхода от талых вод

На основании СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик» расчетный максимальный расход талых вод для любых бассейнов определяется по редукционной формуле:
(6)

где: hр — расчетный слой суммарного стока той же вероятности превышения, что и искомый максимальный расход, мм;

F — площадь водосборного бассейна, км2;

К0 — коэффициент дружности половодья, зависящий от географического района (приложение 9);

n — показатель степени; для равнинных водосборов он принимается по таблице (приложение 8), а для горных водосборов с уклоном более 0.05 величину n рекомендуется принять равную 0.15;

1,2 — коэффициенты, учитывающие соответственно снижение расходов на бассейнах, зарегулированных озерами, зелесенных и заболоченных (приложения 10 и 12).

Расчет слоя стока половодья заданной вероятности превышения производится по трем параметрам: среднему многолетнему слою стока h0, коэффициенту вариации Сv и коэффициенту асимметрии Сs слоя стока.


Расчетный слой суммарного стока определяется по формуле:

(7)

где: h0 — средний многолетний слой стока, мм;

Кh - модульный коэффициент для расчетного расхода.

Высоту среднего слоя стока h0 для бассейнов с площадью более 100 км2 определяют непосредственно по карте (приложение 11).

Для меньших бассейнов к значениям, снятым с карты, вводят поправочные коэффициенты:

1,1 — при холмистом рельефе и глинистых почвах;

0,9 — при плоском рельефе и песчаных почвах.

0,5 — при особо больших потерях стока (сосновые леса на песках и др.).

В засушливых районах и в полупустынной зоне Западной Сибири, для площадей водосборов менее 3000 км2, к значениям высоты слоя, снятым с карты, вводят поправочные коэффициенты (приложение 12).

Коэффициент вариации Сv принимают по карте изолиний (приложение 13), причем для бассейнов с площадью менее 200 км2 его значения умножают на следующие коэффициенты:

площадь бассейна, км2

0-50

51-100

101-150

151-200

коэффициенты

1.25

1.20

1.15

1.05

Коэффициент асимметрии Сs для равнинных водосборов принимают равным 2Сv. Для северо-запада и северо-востока страны, где в формировании максимального стока участвуют дождевые осадки Сs=ЗСv;

Для горных водоcборов Сs=4Сv.

Ординаты кривых вероятности превышения для определения расчетного значения слоя стока половодья hр находят по таблице (приложение 14), где даны отношения hр / h0 = Кр при гамма-параметрическом законе распределения.
5 Проектирование водопропускной трубы


5.1 Установление режима протекания воды в сооружении

В зависимости от глубины подтопления насыпи перед трубой может возникнуть 3 режима протекания воды в трубах:

-безнапорный, если напор Н меньше высоты трубы hтр на входе, либо превышает ее не более чем на 20%.В этом случае на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность, т.е. имеется просвет между верхней образующей трубы (потолком) и протекающим в трубе потоком (рис.10);


Рис. 10






Рис.11

- напорный режим, устанавливающийся при специальных входных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы на входе более чем на 20% (рис.12); на большей части длины труба работает полным сечением и лишь у выхода поток может отрываться от потолка трубы.



Рис. 12

При значительном подтоплении входа в трубу напорный режим может возникать периодически и при оголовках обычных типов. Однако из-за прорывов воздуха через образующуюся у входного отверстия воронку, протекание воды в этом случае часто переходит на полунапорный режим, что крайне нежелательно из-за уменьшения пропускной способности трубы и резкого увеличения глубины потока перед трубой.

Режим протекания воды в трубе назначает проектировщик руководствуясь при этом экономическими и экологическими требованиями.

Напорный режим выгоден экономически т.к. труба работает полным сечением и при той же величине расхода может быть принят меньший диаметр. Однако этот режим возможен только при малых уклонах лога у сооружения. Нужно иметь ввиду, что при этом увеличивается площадь земли перед насыпью, затопляемая водой, что может нанести вред сельскому хозяйству. Кроме того, значительно возрастает скорость воды на выходе, из-за чего приходиться строить дорогостоящие сооружения для предотвращения водной эрозии. Если еще учесть, что при напорном режиме возникает возможность впрыска воды в насыпь через швы в теле трубы и засасыванию посторонних предметов в воронку перед трубой, то становится очевидным, что использование напорного режима нежелательно.

Полунапорный режим также используется достаточно редко, поскольку он вбирает в себя почти все недостатки напорного и безнапорного режимов.

Безнапорный режим используется гораздо чаще, несмотря на малую пропускную способность по сравнению с напорным, поскольку обладает целым рядом преимуществ: меньше площадь затопления перед трубой и размеры укрепления за ней, простота обслуживания, наличие запаса пропускной способности и пр.

В пояснительной записке к проекту принятый режим протекания воды в сооружении должен быть не только указан, но и обоснован, исходя из местных условий проектирования.

5.2 Расчет отверстия водопропускной трубы

Расчет отверстий труб ведут по известному в гидравлике уравнению неразрывности, используя при этом в качестве аналогов различные гидротехнические сооружения. В связи с невысокой точностью определения притока воды к сооружению при расчете отверстий можно ограничиться упрощенными расчетами.

Приведенные ниже приближенные расчетные формулы пропускной способности труб соответствуют трем режимам протекания воды и, соответственно, трем аналогам.

Аналогом трубы , работающей в безнапорном режиме является водослив с широким порогом, для которого пропускная способность определяется для сжатого сечения по формулам:

для круглых труб:

(8)
для прямоугольных труб:

(9)

где  — скоростной коэффициент, равный 0.85;

Н — подпор;

В — отверстие трубы;

 — площадь живого сечения при глубине, равной h .

В инженерных расчетах принимается:

, hс = 0.5Н и hс = 0.9h.

Это дает возможность сравнительно быстро определить требуемый диаметр или отверстие трубы методом подбора, используя формулы 8 или 9 и сравнивая Qh и Qc. Расчет можно считать законченным, если разница между ними составит менее 5%.

Аналогом трубы, работающей в полунапорном режиме является истечение из под щита, для которого пропускная способность определяется по формуле:
(10)

где: hвх — глубина потока на входе в трубу, принимается равной ее диаметру;

В данной упрощенной формуле сделано следующие приближение:

hс  0.6hвх

В остальном расчет аналогичен предыдущему.

Пропускную способность трубы, работающей в напорном режиме определяют как для насадки:
(11)

где hт — диаметр или высота трубы.

Скоростной коэффициент для обтекаемых оголовков принимается равным 0.95.

Чтобы определить по приведенным выше формулам размер отверстия трубы, необходимый для пропуска расчетного расхода, следует, задавшись типовым размером отверстия трубы, найти ее пропускную способность (расход в сооружении Qc) и сравнить с Qp. Труба может быть принята, если Qc больше или равно Qр.

Вычисления нужно выполнить для 2-3 вариантов отверстия трубы, для их последующего сравнения. Если увеличение диаметра трубы нежелательно или невозможно (например, по условиям проектирования продольного профиля), то можно увеличить пропускную способность трубы меньшего диаметра укладывая рядом несколько труб (2-х или 3-х очковые трубы).

Считается, что укладка более 3-х очков не экономична, хотя на практике существуют и длительное время нормально работают многоочковые трубы. Например, 17-ти очковая труба на трассе Е-95 (Москва — Санкт-Петербург).

При подборе отверстия по таблицам, необходимо чтобы табличный расход был равен или незначительно превышал расчетный и при этом глубина воды перед трубой (подпор) была меньше глубины лога у сооружения.

Наиболее целесообразно, если позволяют условия проектирования, использовать графоаналитический прием для назначения отверстия трубы, разработанный профессором О. В. Андреевым, который дает возможность учесть накопление воды перед сооружением, т. е. неизбежное образование пруда перед насыпью дороги из-за стеснения водного потока. При этом можно решить сразу несколько задач: определить расход в сооружении, величину подпора, целесообразность назначения многоочковой трубы и др.

Учет накопления дает существенный экономический эффект, так как отверстие трубы может быть уменьшено по сравнению с отверстием, рассчитанным на пропуск всего расхода и при этом не потребуется увеличение высоты насыпи из-за подпора перед сооружением. Накопление воды перед сооружением можно не учитывать, если:

Необходимыми инструментами при использовании графоаналитического метода являются графики пропускной способности труб, построенные в системе координат: ось абсцисс — величина подпора в третьей степени – Н3 (приложения 19, 20).

Последовательность работы следующая:

а) вычислить величину Н3 из условия задержки всего объема воды насыпью, т. е. при Qс=0 по формуле:
(12)

где: w — объем стока, м3 , см. формулу 5;

iл — средний уклон лога, доли единицы;

m1, m2 — коэффициенты заложения откосов для правого и левого склонов водосборного бассейна.

б) на графике пропускной способности труб отметить и попарно соединить точки Н3 и Qр .Результаты построений необходимо занести в таблицу гидравлических характеристик вариантов трубы.

Трубы, графики пропускной способности которых будут находиться левее точки пересечения двух прямых, принимать нельзя, т. к. расход в сооружении для них будет меньше 0.33Qр , что запрещается нормами проектирования.

При необходимости запроектировать 2-х или 3-х очковую трубу, на графике по оси абсцисс нужно отметить точки не Qр, а 0.5Qр или 0.33Qр , а величина Н3 остается во всех случаях той же.

5.3 Выбор варианта отверстия трубы

Выбор варианта отверстия трубы осуществляется на основе экономических и экологических критериев. Меньший диаметр трубы принимают в том случае, если в зоне затопления перед трубой отсутствуют ценные сельскохозяйственные угодья, которым может быть причинен ущерб, а скорость потока на выходе из трубы незначительно превышает неразмывающую и не потребуется строительство укрепления, размеры и стоимость которого превышают разумные пределы с точки зрения технологии и стоимости строительства.

В пояснительной записке должны быть четко обозначены критерии, по которым осуществлен выбор отверстия и приведены соответствующие аргументы.

5.4 Конструирование водопропускной трубы

Конструирование водопропускной трубы заключается в назначении типов оголовков укрепления и фундаментов, размеров секций, определении количества требуемых материалов на ее строительство.

При назначении типов оголовков и фундаментов можно руководствоваться сведениями, изложенными в п.п. 2 и 3.

Количество звеньев, необходимых для устройства тела трубы, зависит от высоты насыпи. Минимально необходимая высота насыпи, обеспечивающая размещение трубы, при безнапорном режиме определяется как сумма высоты трубы в свету hтр , толщины стенки трубы t, толщины дорожной одежды hд.о. или необходимой минимальной засыпки hз , равной 0.5 м. Если hд.о. < hз , то:
Hmin = hтр + t + hз (13)
При напорном или полунапорном режимах минимальная высота насыпи определяется в зависимости от величины подпора перед трубой H и необходимого запаса hзап , исключающего перелив водного потока через насыпь:
Hmin = H + hзап (14)
При этом элементы конструкции запроектированной трубы необходимо назначить типовые, например: типовой проект — Серия 3.50161-144. Трубы водопропускные круглые железобетонные сборные для железных и автомобильных дорог.

Для учебного проектирования можно использовать приведенные в приложениях 17, 18 «Геометрические размеры элементов круглых и прямоугольных труб».

Порядок выполнения работы по конструированию железобетонной трубы рекомендуется следующий:

откос насыпи над сооружением проектируют не круче 1 : 1.5.

5.5 Определение длины трубы

Длина трубы без оголовков зависит от высоты насыпи у трубы Ннас , которая определяется по продольному профилю после его проектирования и которая должна быть не менее минимальной высоты насыпи Нmin у трубы.
При высоте насыпи не более 6.0м, длина трубы без оголовков определяется по формуле:
(15)
где В- ширина земляного полотна;

m - коэффициент заложения откосов земляного полотна;

iтр- уклон трубы;

hтр – толщина стенки оголовка, принимаемая равной 0.35м;

 - угол между осью дороги и продольной осью трубы.
Полная длина трубы:

L = Lтр + 2М (16)
где М – длина оголовка.
В формуле (15) не учтены швы между блоками звеньев трубы .Окончательный расчет длины трубы производится при индивидуальном проектировании.

5.6 Определение размеров укрепления за сооружениями

Устойчивость искусственных сооружений против размыва обеспечивается в том случае, если запроектировано соответствующее укрепление на входе и выходе. При растекании потока за трубой его скорость возрастает примерно в 1.5 раза и достигает 5-6 м/с, в то время, как допускаемые скорости для грунтов отводящих русел составляют всего 0.7-1.0 м/с.

Вытекающий поток воды находится обычно в бурном состоянии и обладает большой кинетической энергией, которая и вызывает размыв выходных участков за сооружением. Поэтому, укрепление русла за трубой должно заканчиваться предохранительным откосом с каменной наброской.

Конструкцию и размеры укрепления входного и выходного оголовков принимают по типовому проекту 501-0-46 «Укрепление русел и откосов насыпей у водопропускных труб», выписка из которого приведена в приложениях 21, 22.

Геометрические характеристики укреплений у труб заносятся в таблицу.

По принятому отверстию трубы и расчетному расходу воды определяется скорость течения в выходном сечении трубы. Расчетная скорость потока на укреплении в 1.2-1.5 раза больше, чем в выходном сечении. По таблицам приложения выбирается тип укрепления в зависимости от допускаемой скорости потока и технико-экономических показателей. По таблицам приложений 21, 22 по принятому отверстию и расходу воды назначаются параметры укрепления.

Определение параметров укрепления многоочковых труб ведется по тем же таблицам, что и одноочковых труб, а значение расчетного расхода берется, как часть расхода, приходящаяся на одно очко трубы.

6 Проектирование малого моста
6.1 Определение расчетной схемы протекания воды под мостом

Гидравлическим аналогом малого моста является водослив с широким порогом, поэтому отверстие моста определяется в зависимости от схемы протекания воды в сооружении. Мост можно рассчитать как свободный водослив с широким пологом, если при (рис.12а). Глубина в конце среднего участка подмостового русла равна hк , если , и напор перед мостом в этом случае определяют независимо от бытовой глубины.



а) б)

hб

H


hк

H

Рис. 12 Схема протекания воды под мостом.

При h,  1.3 hк отверстие моста работает как подтопленный водослив с широким порогом. Глубина в конце среднего участка русла равна бытовой глубине и напор перед мостом определяют в зависимости от бытовой глубины (рис.12б).

Порядок определения бытовой глубины:

Бытовую глубину в несжимаемом русле при расчетном расходе удобнее всего определять графоаналитическим способом, используя гидравлическое уравнение неразрывности

(17)

в данном уравнении коэффициент Шези определяется по формуле



где n — русловой коэффициент шероховатости (см. приложение );

— гидравлический радиус.

w — площадь живого сечения;

x — смоченный периметр;

I0 — уклон лога у сооружения.

Форму поперечного сечения русла малых водотоков обычно принимают треугольной. Тогда гидравлический радиус равен половине бытовой глубины, а площадь поперечного сечения определяют как площадь треугольника с высотой, равной hб .

Критическую глубину потока под мостом можно определить, задавшись материалом укрепления подмостового русла, по формуле
(18)
где Vдоп — неразмывающая скорость для принятого типа укрепления, м/с

 — скоростной коэффициент, принимаемый равным 1.1
Практика показывает, что для укрепления подмостовых русел используют чаще всего простые способы, используя местные каменные материалы, либо вовсе отказываются от укрепления, что упрощает эксплуатацию сооружения.

Таким образом, имея значения hб и hк устанавливают режим протекания воды под мостом.

6.2 Расчет отверстия малого моста

При режиме свободного истечения расчетной глубиной является глубина в статном сечении hс , которая связана с критической глубиной hк и подпором перед мостом H следующими приближенными зависимостями:

(19)

hc  0.5H (20)
Используя эти зависимости, расчет отверстия малого моста целесообразно вести в следующей последовательности:

(21)
Отверстие моста при свободном истечении измеряется, как расстояние между береговыми опорами по поверхности потока.

При режиме несвободного истечения расчетной глубиной является бытовая глубина, однако расчетную скорость потока целесообразно принять для сжатого сечения, чтобы обеспечить достаточную уверенность в надежной работе укрепленной части русла. Поэтому величина отверстия определяется по формуле:

(22)

а величина подпора — по формуле:
(23)

где б — коэффициент скорости, принимаемый в зависимости от формы устоев:

1) для устоев с конусами б = 0.9;

2) для устоев с откосными крыльями б = 0.85;

3) для устоев с заборными стенками б = 0.76.
В остальном порядок расчета отверстия аналогичен схеме свободного истечения.

Измеряется отверстие моста при схеме несвободного истечения по средней линии площади сечения потока под мостом.

7 Требования к оформлению работы
Пояснительная записка должна быть оформлена в соответствии с требованиями СТП и ГОСТ 2.205.

Чертежи необходимо оформлять в соответствии с требованиями СНиП.
Список литературы

1.СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы Взамен: СНиП-11-Д7-72: Введ.: 1.01.83 Госстрой СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.- 200с.

2. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. Взамен СНиП 11- Д5-72.: Введ.: 1.01.87 Госстрой СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1986.-52с.

3. Проектирование автомобильных дорог. Справочник инженера- дорожника / Под редакцией Г.А.Федотова.-М.: Транспорт, 1989.-437с.

4. Красильщиков И.М., Елизаров Л.В. Поектирование автомобильных дорог: Учебное пособие для техникумов.-М.: Транспорт, 1986.-215с.

5. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. ч.1.-М.: Транспорт, 1987-368с.

б. Автомобильные дороги. Примеры проектирования. /Под ред. В.С.Порожнякова.-М.: Транспорт, 1983.-303с.




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации