Меркулов Д.М., Писицын М.Е. Рекомендации по изысканиям, проектированию и строительству малых искусственных сооружений на водотоках с процессами наледеобразования - файл n1.doc

приобрести
Меркулов Д.М., Писицын М.Е. Рекомендации по изысканиям, проектированию и строительству малых искусственных сооружений на водотоках с процессами наледеобразования
скачать (947 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc947kb.13.09.2012 17:13скачать

n1.doc

1   2   3   4
VI. ОСНОВНЫЕ УКАЗАНИЯ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ

61. Строительство малых искусственных сооружений на водотоках с процессами наледеобразования производится с максимально возможным сохранением бытовых условий и водно-теплового режима протекания водотоков подрусловых и грунтовых потоков.

62. Временные дороги для нужд строительства, эксплуатируемые только в зимнее время, должны иметь временные искусственные сооружения в местах пересечения постоянных водотоков.

63. При производстве работ в зимнее время на постоянных и периодически действующих водотоках и ключах, а также в обводненных логах должны быть приняты меры против попадания в котлованы наледных вод, так как дополнительное обводнение грунтов основания, как правило, приводит к значительным осадкам сооружений.

64. В период строительства для борьбы с наледями на переходах можно использовать временные противоналедные устройства - снежные валы, переносные деревянные заборы из инвентарных щитов, временные мерзлотные пояса - и постоянные мерзлотные пояса.

65. Организацию, время и способы выполнения работ по устройству фундаментов следует назначать с учетом климатических, геологических и мерзлотных условий, а в районах с наличием многолетнемерзлых грунтов - с учетом принятого метода строительства в соответствии с требованиями ВСН-61-61 и СНиП II-Б.6-66.

66. Постоянные противоналедные устройства сооружаются, как правило, летом. Работы по изготовлению элементов конструкции и сооружению над фундаментной части малых мостов и труб производятся в соответствии с требованиями СНиП III-Д.2-62 и ВСН 81-62.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

А. Безналедный пропуск водотоков

Пропуск постоянных и периодически действующих водотоков и ключей в низовую сторону без образования наледи у сооружения осуществим только при применении эффективных противоналедных мероприятий. Анализ процессов наледеобразования у малых мостов и труб, а также теплотехнические расчеты показывают, что осуществить безналедный пропуск осенне-зимних расходов воды и предотвратить тем самым появление и рост наледей у искусственных сооружений можно путем концентрации водотока в пределах полосы отвода дороги и непосредственно у сооружения, с устройством, при необходимости, утепленного лотка или дренажа.

Необходимая степень концентрации малого водотока зависит как от климатических условий района - температуры наружного воздуха, величины снежного покрова, так и от характеристики самого водотока - величины расхода воды, уклона водотока и температуры воды. При определении расчетом необходимой степени концентрации водотока принимаются:

а) температура наружного воздуха - равной среднему значению из абсолютных минимумов за расчетный период;

б) толщина снежного покрова - равной средней толщине снега по месяцам за многолетний период наблюдений;

в) величина расхода водотока и температура воды принимаются для осенне-зимних условий.

Необходимая степень концентрации водотока может быть получена из рассмотрения общего уравнения теплового баланса при наличии тепловой изоляции на поверхности водотока. В этом случае составляющие теплового баланса, такие как потери тепла за счет поглощения прямой и рассеянной радиации будут иметь очень малое численное значение. Учитывая приближенность расчета, этими составляющими можно пренебречь.

Уравнение теплового баланса водотока с учетом принятых допущений может быть записано в следующем виде:

Qобщ = Qн - Qм - Qп - Qт = 0                                                (1)

где: Qн - потери тепла за счет непосредственного теплообмена водотока через лед, снег или другую тепловую изоляцию :

                                                          (2)

T - разность между температурой воды, омывающей нижнюю поверхность льда, и расчетной температурой наружного воздуха, которая принимается равной среднему из абсолютных минимумов за рассматриваемый период;

R? - термическое сопротивление теплоотдачи с поверхности ( где ? = 480 ккал / м2 · сутки · °С);

Ru - термическое сопротивление теплоизоляции (лед, снег) в :



hi - толщина i-го слоя теплоизоляции в м;

?i - коэффициент теплопроводности в ккал / м · сутки · °С;

Qм - приток тепла за счет трансформации механической энергии в тепловую :

                                                    (3)

здесь: 2,02 Ч 105 - размерный коэффициент в ;

Q - расход водотока в м3/сек;

i - уклон лога;

? - объемный вес воды в т/м3;

B - ширина русла в м;

Qп - приток тепла из дна водотока. При сравнительно организованном русле для железнодорожной линии Тайшет - Лена на участке Братск - Лена (глубокое сезонное промерзание и островная вечная мерзлота) величина Qп на основании экспериментальных данных может быть принята равной 80 ккал / м2 · сутки для первой половины зимы (включая декабрь) и 60 ккал / м2 · сутки для второй половины зимы;

Qт - приток тепла за счет понижения температуры водотока при протекании у сооружения на длине L при ширине русла B - :

                                        (4)

где 427 - механический эквивалент теплоты в ;

C - удельная теплоемкость воды в ;

tн - температура воды у начала расчетного участка в °С;

tк - температура воды у конца расчетного участка, которая должна быть принята не ниже плюс 0,2 ч 0,3 °С;

L - длина рассматриваемого участка в м; остальные обозначения указаны виде.

После подстановки составляющих в уравнение (1) и решения его относительно ширины водотока получим следующее выражение:

                               (5)

При условии, если водоток у начала расчетного участка (на подходах к искусственному сооружению) имеет температуру воды равную +0,2 ч +0,3 °С, то допускать понижение температуры не представляется возможным, тогда Qт = 0 и выражение (5) примет следующий вид:

                                              (6)

Пример 1-й. Расчет сосредоточенного пропуска водотока

Дорога......................... , участок...................... , км.............................. , пк...............................

Данные для расчета

1. Расчетный расход Qр = 10 м3/секI

1) Определяется по ВСН 63-61 (Инструкция по расчету стока с малых бассейнов. Трансжелдориздат, 1962).

2. Высота насыпи H = 4,0 м

3. Расход водотока в осенне-зимний период Q = 0,1 м3/сек

4. Уклон лога iл = 40 %

5. Температура воды в районе перехода в осенне-зимний период tв = +0,1 ё +0,2 °С

6. Выход источников на поверхность - 500 м от перехода

7. Под русловые потоки на переходе отсутствуют

8. Наледи в бытовых условиях на водотоке отсутствуют

9. Климатические данные приведены в табл. 1

Таблица 1

Климатические данные по месяцам для района перехода1)

№ по пор.

Расчетные данные

Месяцы

XI

XII

I

II

III

1

Среднее значение из абсолютных минимумов температуры, °С (T)

-38

-46

-48

-43

-38

2

Толщина снега (hсн), см

16

31

39

46

46

3

?сн, т/м3

0,14

0,14

0,19

0,19

0,27

4

Среднемесячные температуры, °С

-14,9

-24,5

-25,2

-22,1

-12,3

1) Берут за многолетний период по климатологическому справочнику для метеостанций, расположенных в указанном районе; при отсутствии данных с метеостанций необходимые расчетные данные получают в период изысканий.

Таблица 1 составлена по данным метеостанции Усть-Кут.

Порядок решения

1. По Qр и H определяют, исходя из обычных условий, тип искусственного сооружения. Возможны два варианта:

а) бетонная прямоугольная труба отверстием 2,0 м (БПТ);

б) свайно-эстакадный мост с креплением русла по схеме 3Ч6,0 м (инв. № 239, Ленгипротрансмост, 1962).

По экономическим показателям в данном случае БПТ отв. 2,0 м и мост эстакадного типа по схеме 3Ч6,0 м имеют примерно одинаковую стоимость на 1 м3 расхода воды (несколько дешевле БПТ). Ниже принят мост.

По типовому проекту крепление русла у моста выполняется горизонтальным. Следовательно, у моста водоток будет иметь ширину русла равную ширине горизонтальной отметки - 6,0 м. При этих условиях будут резко нарушены бытовые условия протекания водотока, что приведет к образованию наледи у сооружения.

2. По Q, i и климатическим данным района определяют максимальную ширину русла (в пределах полосы отвода железной дороги и непосредственно у сооружения).

Определяют для данного района период (месяц) с наибольшими тепловыми потерями на основании вычислений по формуле 2 настоящего приложения 1. Вычисленные значения ?сн, R и Qн для рассматриваемого примера приведены в таблице 2.

Таблица 2

№ по пор.

Определяемые величины

Месяцы

XI

XII

I

II

III

1

Теплопроводность снежного покрова

?сн = 0,018 + 0,87 ?сн*), ккал / м · час · °С

0,14

0,14

0,183

0,183

0,235

2

Термическое сопротивление теплоизоляции

K = R? + Ru, м2 · сутки · °С / ккал

0,0496

0,094

0,091

0,108

0,084

3

Тепловые потери водотоком Qн,

765

490

528

400

455

*) ЛУКЬЯНОВ В.С., ГОЛОВКО М.Д. Расчет глубины промерзания грунтов. Трансжелдориздат, 1957.

Из таблицы следует, что наибольшие потери тепла водоток имеет в ноябре. Поэтому максимальная ширина водотока, необходимая для безналедного пропуска расхода воды, должна быть определена именно по данным для ноября. Она может быть вычислена по формуле (6), так как значение Qт в данном случае может быть принято равным нулю:



Конструктивное оформление сосредоточенного пропуска водотока может быть выполнено: в полосе отвода с верховой стороны сооружения - в виде трапецеидальной канавы с необходимым укреплением стенок (желательно укрепить одерновкой), в пределах каменного мощения - в виде железобетонного лотка с обшивкой стен просмоленными досками ? = 4 - 5 см и с утеплением, равным термическому сопротивлению снежного покрова. Конструкция железобетонного лотка для рассматриваемого случая приведена из рис. 1.



Рис. 1. Поперечный разрез по железобетонному лотку:

1 - железобетонный лоток; 2 - обшивка из досок ? = 4 - 5 см; 3 - утепленная крышка; 4 - засыпка грунтом; 5 - засыпка из мха или торфа; 6 - укрепление грунта от размыва

Пример 2-й

Дорога......................... , участок...................... , км.............................. , пк...............................

Данные для расчета

1. Расчетный расход Qр = 10 м3/сек

2. Высота насыпи H = 4,0 м

3. Расход водотока в осенне-зимний период Q = 0,075 м3/сек

4. Уклон лога iл = 40 %

5. Температура воды в районе перехода в осенне-зимний период tв = +0,1 ч 0,2 °С

6. Выход источников на поверхность - 500 м от перехода

7. Под русловые потоки на переходе незначительные

8. Наледи в бытовых условиях отсутствуют

Климатические данные по месяцам приведены в таблице 1 (рассматривается тот же климатический район, что и в примере 1).

Порядок решения

1. По Qр и H определяют тип искусственного сооружения. Возможны два варианта:

а) бетонная прямоугольная труба отверстием 2,0 м (БПТ);

б) свайно-эстакадный мост с креплением русла по схеме 3Ч6,0 м (инв. № 239, Легипротрансмост, 1962).

По экономическим показателям в данном случае труба и мост имеют примерно одинаковую стоимость на 1 м3 расхода воды. Ниже принята труба.

По типовому проекту крепление подходного и выходного русел выполняется горизонтальным. Водоток при осенне-зимних расходах воды будет уширяться и сильно охлаждаться на отмостке у входного и выходного оголовков и непосредственно при протекании в трубе. Эти нарушения бытовых условий протекания водотока приведут к образованию наледи. Необходим концентрированный пропуск водотока непосредственно у сооружения (в полосе отвода и в пределах мощения) и в самом сооружении.

2. По Q, i и климатическим данным района определяют максимальную ширину русла:

а) в пределах полосы отвода железной дороги и непосредственно на отмостке;

б) при протекании водотока в трубе.

а. Определение концентрации водотока в пределах полосы отвода железной дороги и на отмостке

По величине тепловых потерь (табл. 2, пример 1-й) по формуле (6) определяют ширину водотока B, принимая Qт = 0, так как в данном случае не представляется возможным допустить понижение температуры водотока в пределах полосы отвода и непосредственно у сооружения (tв = +0,1 ё +0,2 °С):



Ширина водотока принята B = 0,7 м.

Конструктивное оформление сосредоточенного пропуска вод тока может быть выполнено: в полосе отвода - в виде канавы с необходимым укреплением стенок, в пределах мощения - в виде железобетонного лотка по рис. 1.

б. Определение концентрации водотока непосредственно в бетонной прямоугольной трубе

Несколько отличны в тепловом отношении условия протекания малых водотоков непосредственно в трубах. Во-первых, отсутствует снег на ледовом покрове водотока; во-вторых, вследствие отрицательных температур бетонного лотка у входного и выходного оголовков, а также в прилегающих к ним звеньях имеет место на этом участке трубы на приток тепла к водотоку, а дополнительная потеря тепла.

Учитывая, что с верховой и низовой стороны трубы в пределах мощения водоток по расчету имеет ширину B = 7 м, ширина лотка в трубе принята также равной 0,7 м (рис. 2). При данной ширине водотока внутри трубы следует определить необходимое утепление.



Рис. 2. Схема устройства лотка в бетонных прямоугольных трубах:

1 - проектное положение верха лотка; 2 - лоток для пропуска осенне-зимних расходов; 3 - обшивка из досок ? = 6 см; 4 - утепленный щит; hзв - фундамент под звеньями; hог - фундамент под оголовком

Уравнение (1) для данного случая может быть записано в следующем виде:

Qобщ = Qн - Qм - Qо = 0,                                                       (7)

где: Qо - потери тепла в , передающиеся через досчатую обшивку путем теплопроводности от водотока к бетону:

tв - температура воды, °С;

tб - температура дна бетонного лотка (приближенно можно принимать по таблице 3*));

?д - толщина досок обшивки лотка в м;

?д - коэффициент теплопроводности обшивки из досок в

*) Данные табл. 3 соответствуют результатам теплотехнических расчетов на гидроинтеграторе В.С. ЛУКЬЯНОВА для железнодорожной линии Тайшет - Лена. Температуры бетонного лотка в табл. 3 соответствуют входному и выходному оголовкам. Для других местных условий, существенно отличных от условий линии Тайшет - Лена, расчетные температуры и длины участков трубы с отрицательной температурой следует принимать по результатам соответствующих исследований.

Остальные обозначения приведены выше.

Таблица 3

Определяемая величина

Месяцы

XI

XII

I

II

III

Среднее значение температуры бетонного лотка у оголовка трубы

-3,2

-8,5

-11,5

-10,9

-7,3

После подстановки значений составляющих в уравнение (7) и решения его относительно (R? + Ru) получим:



при  величина Ru будет равна



Можно принять утепление в виде инвентарных щитов, состоящих из двух слоев досок толщиной 2,5 см с слоем опилок между ними толщиной 25 см. Для таких щитов термическое сопротивление равно:



Т.е. принятое утепление удовлетворяет по термическому сопротивлению решению уравнения (7).

Для безналедного пропуска необходимо, чтобы водоток имел принятое утепление в пределах мощения у входного и выходного оголовков, а также в трубе на длине 5 - 10 м от оголовков, при этом у последних должны быть установлены щиты, предотвращающие проникновение ветра в трубу.

Общая конструкция для безналедного пропуска водотока в пределах подходного и выходного русел и в бетонной прямоугольной трубе показана на рис. 3.



Рис. 3. Общая конструкция для безналедного пропуска водотока в пределах подходного и выходного русел и в бетонной прямоугольной трубе

Обозначения к рис. 3:

Цифры в кружочках - участки по длине конструкции:

(1) и (7) - участки с бытовыми условиями;

(2) и (6) - участки со спрямленным и углубленным руслом;

(3) и (5) - участки с железобетонным лотком, утепленным конструктивно;

(4) - участок с железобетонным лотком, утепленным по расчету;

1 - щиты утепления; 2 - одиночная мостовая; 2? - двойная мостовая; 3 - слой мхи или торфа ? = 10 ч 15 см; 4 - железобетонный лоток; 5 - обшивка из досок ? = 6 см на участке (4) и ? = 4 см на участках (3) и (5); 6 - засыпки гравийно-песчаным грунтом.

ПРИМЕЧАНИЯ (к рис. 3): 1. На плане (вид сверху - по А-А) утепление лотка, а также входа и выхода трубы не показано.

2. Щиты конструктивного утепления делают из досок ? = 2,5 см в два слоя с прокладкой между ними слоя толи.

3. Если водоток не требует по расчету утепления, то участок (3) можно сделать только в виде спрямленного и углубленного русла необходимой ширины.

4. Утепление на участке (4) осуществляют щитами из досок с прослойкой между ними из опилок. Доски обычно принимают толщиной 2,5 см, толщина слоя опилок устанавливается расчетом. Для уменьшения веса щитов в качества утеплителя целесообразно применять стекловату.

5. Спрямление и углубление русла (участки (2) и (6)) делают с учетом местных условий. Длину участка спрямления принимают равной 20 - 25 м. Ширину русла и необходимое утепление устанавливают расчетом, глубину принимают не менее 50 - 60 см. При слабых грунтах откосы канавы необходимо укреплять одерновкой.

6. Все размера на чертеже в см.

Лоток для пропуска малых водотоков в железобетонных прямоугольных трубах может быть оформлен на месте из сборных элементов после установки звеньев труб. При привязке типовых труб к местным условиям необходимо иметь в виду, что дно лотка в пределах мощения у входного и выходного оголовков в этих случаях проектируется углубленным. Отметки лотка подходного русла и лоток типовой конструкции трубы должны быть соответствующим образом увязаны, что поведет к некоторому опусканию лотка трубы, по сравнению с случаем привязки типовой конструкции в обычных условиях (без устройства лотка с целью концентрации водотока).

В тех случаях, когда водоток имеет более высокую температуру (tв > 0,2 ё 0,3 °С), то при расчете необходимого утепления из уравнения (7) в него включают приток тепла Qт, определяемый по формуле (4). При этом L принимается равным длине трубы, а B - ширина лотка в трубе.

Пример 3-й

Дорога......................... , участок...................... , км.............................. , пк...............................

Данные для расчета

1. Расчетный расход Qр = 10 м3/сек

2. Высота насыпи - 8,0 м

3. Расход водотока в осенне-зимний период Q = 0,025 м3/сек

4. Уклон лога iл = 0,050

5. Выход источников (ключей) на поверхность с верховой стороны в 30 м от трассы на склоне лога. Ключи не имеют организованного русла

6. Геологический разрез на переходе: до 4,5 м суглинки, ниже аргиллиты

7. Климатические данные приведены в табл. 4.

Таблица 4

Климатические данные по месяцам для района перехода1)

№ по пор.

Расчетные данные

Месяцы

XI

XII

I

II

III

1

Среднее значение из абсолютных минимумов температуры, °С (T)

-22

-28

-31

-30

-27

2

Толщина снега (hсн), см

6

14

19

25

23

3

?сн, m/м3

0,14

0,14

0,19

0,19

0,27

1) Климатические данные взяты для ст. Слюдянка Восточно-Сибирской железной дороги (Метеостанция Слюдянка).

Порядок решения

1. По Qр и H определяют, исходя из обычных условий, тип искусственного сооружения. Рассмотрены три варианта:

а) бетонная прямоугольная труба отверстием 2,0 м (БПТ);

б) железобетонный балочный мост на массивных опорах по схеме 1Ч10 м;

в) свайно-эстакадный мост (по предложению С.И. ГАПЕЕВА, см. Методические указания № 4, Ленгипротранс, 1959) по схеме 3Ч11,5 м.

В отношении противоналедных мероприятий рассмотренные варианты имеют следующие особенности.

При применении БПТ необходимо осуществить удержание наледи, или безналедный пропуск водотоков. Ввиду близкого выхода источников целесообразно применить пропуск водотока с помощью утепленного лотка.

Мосты по пунктам «б» и «в» могут быть применены без противоналедных средств.

Сравнение вариантов по стоимости сделано в табл. 5.

По экономическим соображениям принята БПТ отверстием 2,0 м с утепленным лотком.

2. По Q, i и климатическим данным района определяют возможную ширину русла, а также необходимое утепление.

Таблица 5

Технико-экономические данные по вариантам

№ по пор.

Тип искусственного сооружения

Приведенная стоимость в тыс. руб.

Тип противоналедного сооружения

Приведенная стоимость в тыс. руб.

Общая приведенная

стоимость в тыс. руб.

1

БПТ отв. 2,0 м

20,0

Утепленный лоток длиной 60 м

3,0

23,0

2

ЖБМ 1Ч10 м

52,5

-

-

52,5

3

ССЭМ 3Ч11,5 м

32,5

-

-

32,5

Потери тепла водотоком определены при климатических данных из табл. 4. Результаты сведены в табл. 6.

Из табл. 6 ясно, что наиболее опасным в наледном отношении является ноябрь (малый снежный покров и значительные отрицательные температуры, см. табл. 4).

Таблица 6

№ по пор.

Определяемые величины

Месяцы

XI

XII

I

II

III

1

Теплопроводность снега,

0,14

0,14

0,183

0,183

0,235

2

Термическое сопротивление теплоизоляции,

0,0178

0,042

0,043

0,057

0,041

3

Тепловые потери водотоком,

1236

690,5

720,9

526,3

658,5

Ширину водотока определим из условий безналедного пропуска для XI месяца по формуле 6:



Пропуск водотока в осенне-зимний период в лотке шириной B = 0,21 м представляет определенные эксплуатационные трудности. Ширина лотка практически должна быть не менее 0,4 - 0,5 м.

Ниже необходимое утепление определено при ширине лотка 0,4 м из уравнения (6):





Принятое (без учета утепляющего действия снега) утепление лотка инвентарными щитами из досок 2,5 см с толщиной засыпки между ними из опилок в 5 см, создает термическое сопротивление, равное:



что превышает необходимое термическое сопротивление (0,028), вычисленное из уравнения (6).

Определение необходимого утепления в пределах входного и выходного оголовков труб рассмотрено в примере 2.

Конструкция утепленного лотка для полосы отвода показана на рис. 4.



Рис. 4. Поперечный разрез по железобетонному лотку:

1 - железобетонная рама; 2 - обшивка из досок; 3 - утепленная крышка; 4 - засыпка грунтом; 5 - засыпка из мха или торфа; 6 - укрепление грунта от размыва; 7 - железобетонные доски

1   2   3   4


VI. ОСНОВНЫЕ УКАЗАНИЯ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации