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
Пример 4-й

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

Данные для расчета

1. Высота насыпи 1,8 м

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

3. Водоток питается группой ключей, выходящих на склоне с верховой стороны трассы в 150 м. Ключи не имеют организованного русла. Выход ключей зафиксирован в трех местах (точки 1, 2, 3 на рис. 5). В зимний период наледь действует на склоне в течение всей зимы

4. Ярко выраженный лог в 700 м, Qр = 5 м3/сек

5. Уклон склонов iск = 0,03

6. Геологический разрез на переходе: до 3 м суглинки, ниже аргиллиты

7. Климатические данные - см. табл. 4, пример 3



Рис. 5. Схем противоналедных мероприятий (к примеру 4):

а - утепленный лоток; б - дренаж; в - контуры наледи в зимний период

Порядок решения

При наличии постоянных ключей с верховой стороны насыпи возможны следующие решения:

а) постоянный утепленный лоток в комплексе с водопропускным сооружением. В данном случае БПТ проектируется только для пропуска ключей;

б) пропуск водотока (ключей) в низовую сторону дренажом (каптаж источников и отвод их в низовую сторону по керамическим трубам);

в) постоянный утепленный лоток в комплексе с дренажом непосредственно под железнодорожным полотном (пропуск ключей по стальной отводной трубе под железной дорогой).

Экономические данные по вариантам, полученные на основе составления сметно-финансовых расчетов, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Приведенные стоимости1)

Варианты

Прямоугольная бетонная труба стоимость в тыс. руб.

Утепленный бетонный лоток

Дренаж

Общая приведенная стоимость в тыс. руб.

длина в м

стоимость в тыс. руб.

длина в м

стоимость в тыс. руб.

а

9,00

190

7,40

-

-

16,40

б

-

-

-

190

13,7

13,70

в

-

150

5,84

40

3,0

8,84

1) Приведенные стоимости - это стоимости сооружений с учетом строительных и эксплуатационных затрат.

Ниже рассмотрены все три варианта.

А) Постоянный железобетонный утепленный лоток

По Q, i и климатическим данным района определяют возможную ширину, а также необходимое утепление. Используя данные табл. 6 примера 3, получим для участков 1 - 2, 3 - 4 (на рис. 5 этот вариант показан сплошными линиями):



Ниже необходимое утепление определено при B = Bmin = 0,40 м:





Принято утепление лотка инвентарными щитами из досок 2,5 см с засыпкой между ними опилками при толщине засыпки 20 см. Термическое сопротивление принятой теплоизоляции, без учета (по малости) термического сопротивления снежного покрова (Ru = 0,0178 - 0,002 = 0,0158), будет равно:



Конструкция утепленного лотка - см. рис. 4, пример 3.

Для участка 2 - 4 (см. рис. 5):



Необходимое утепление определено при B = 0,40 м:





Принято утепление лотка инвентарными щитами из досок 2,5 см с толщиной засыпки между ними опилками 15 см. Термическое сопротивление принятой теплоизоляции, без учета сопротивления снежного покрова (Rc = 0,0158), будет равно:



Для участка 4 - 5 (см. рис. 5):



Необходимое утепление при B = 0,40 м:





Принято утепление инвентарными щитами из досок 2,5 см с толщиной засыпки опилками 6 см, для которого термическое сопротивление равно:



Для участка 5 - 6 (пропуск водотока в трубе; понижение температуры водотока в трубе не допускается), как исключение ширину лотка в трубе целесообразно принять равной 0,35 м, а стенки лотка обшить досками в два слоя по 5 см. При этих условиях ниже определено необходимое утепление для входного и выходного оголовков:





Принято утепление лотка щитами из стекловаты толщиной 25 см, между досками толщиной 2,5 см. Термическое сопротивление, при коэффициенте теплопроводности стекловаты , будет равно:



Пропуск водотока в пределах 20 м от выходного оголовка в низовую сторону осуществляется так же, как на участке 4 - 5.

Б) Пропуск водотока дренажом (каптаж источников и отвод их в низовую сторону)

В местах выхода ключей 1, 2, 3 (см. рис. 5) принят каптаж путем устройства бетонных приемных колодцев. Отвод воды от приемных каптажных колодцев 1, 2, 3 к водосборному колодцу 4? (на рис. 5 этот вариант показан пунктирными линиями), а затем по склону косогора до смотрового колодца 5? и от колодца 6? до колодца 7? осуществляется с помощью керамиковых труб, уложенных на глубину 2,5 м от дневной поверхности (т.е. ниже глубины промерзания на 0,5 м). Расположение смотровых колодцев принято примерно через 50 м. Непосредственно под железнодорожным полотном (участок 5? - 6?) укладывается металлическая труба.

На участках 4? - 5? и 6? - 7?, где отсутствуют грунтовые потоки и трубы уложены только для отвода воды, насадки муфт в стыках должны быть поставлены с плотной проконопаткой.

Гидравлический расчет керамиковых отводных труб

Участки 4? - 5? и 6? - 7?. Расход Q = 25 л/сек, уклон дна трубы - 0,03, диаметр труб d = 200 мм.

Возможный расход труб при полном наполнении равен:



где ? = 0,2 - коэффициент шероховатости для керамиковых труб;

 - гидравлический радиус;

i - уклон трубы принят равным уклону склона косогора.

По расходу при полном наполнении Q1 и данному расходу Q определяют, пользуясь рисунком 6, глубину наполнения и искомую скорость.



Рис. 6. График для определения глубины наполнения отводной трубы и скорости течения воды в ней

Для этого из точки на оси абсцисс, соответствующей отношению расходов , проводят вертикальную линию до пересечения с кривой расхода Q и для этого уровня определяют на оси ординат глубину наполнения в процентах (h = 48 %). Абсолютное значение глубины наполнения трубы, соответствующее расходу Q, будет равно d1 = 0,48 d = 0,48 Ч 20 = 9,6 см.

По относительной глубине наполнения (в процентах), проводя на соответствующем уровне (для h = 48 %) горизонтальную линию до пересечения с кривой скорости v, определяют на оси абсцисс коэффициент Kv, на который надо умножить скорость воды в трубе при полном наполнении (v = 1,7 м/сек), чтобы получить скорость, соответствующую данному наполнению. Для h = 48 % коэффициент Kv = 0,98. Следовательно, искомая скорость равна v = v1 Kv = 1,7 Ч 0,98 = 1,66 м/сек.

Участок 2 - 4. Расход Q = 15 л/сек, уклон i = 0,02, диаметр керамиковых труб d = 150 мм.

Расход при полном наполнении равен:



Отношение расходов . Соответствующий процент наполнения (см. рис. 6) h = 57 %. Глубина наполнения d1 = 0,57 Ч 15 = 8,6 см.

Коэффициент Kv при этом наполнении равен Kv = 1,05; скорость течения воды в трубе

v = v1 Ч Kv = 1,3 Ч 1,05 = 1,36 м/сек.

Следовательно, на участках дренажа 1 - 2 - 4? и 3 - 4? могут быть приняты керамиковые трубы диаметром 15 см, на участках 4? - 5? и 6? - 7? - диаметром 20 см.

Участок 5? - 6? (под насыпью). Пропуск воды осуществляется посредством стальной отводной трубы диаметром 200 мм.

Расход при полном наполнении равен:



Соответствующая скорость v1 = 1,58 м/сек. Отношение расходов . По рис. 6, h = 50 %, Kv = 1,0. Следовательно, глубина наполнения и соответствующая скорость течения воды в трубе будут равны:

d1 = 0,50 Ч 20 = 10 см; v = 1,58 Ч 1,0 = 1,58 .

Участок 6? - 7? решается в зависимости от уклона склонов косогора ниже земляного полотна. При увеличивающихся уклонах склонов следует сохранить уклон отводных труб, при уменьшающихся уклонах или остающихся равными уклонам склонов косогора с верховой стороны от земляного полотна уклон отводных труб уменьшается.

В варианте «в» участок дренажа 5? - 6? - 6 решается аналогично участку 5? - 6? - 7? варианта «б».

Примечания к примеру 4.

1. Дренаж, рассмотренный в примере, в основном выполняет функцию каптажа ключевых вод и их отвод в низовую сторону насыпи. Для отвода вод наиболее рационально применять железобетонные трубы, изготовляемые в центрифугах, с длиной секции 6 ё 12 м, с необходимым конструктивным оформлением стыков.

2. На участке 5? - 6? (под насыпью) пропуск воды производится с помощью стальной трубы. Это решение имеет свои положительные и отрицательные стороны. Положительным является возможность осуществления данного решения в условиях эксплуатации дороги без перерыва движения - продавливание металлической трубы. Отрицательным является то, что металлическая труба подвержена коррозии.

В связи с этим представляется целесообразным применять на этих участках предварительно напряженные железобетонные оболочки малого диаметра (диаметр 40 - 60 см в зависимости от величины расхода) с устройством стыков, которые сохраняют плотность при деформациях основания.

Пример 5-й

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

Данные для расчета

1. Высота насыпи 8,0 м

2. Расчетный расход Qр = 10 м3/сек

3. Постоянный водоток отсутствует, но действует постоянный грунтовый поток, питаемый трещинными подземными водами. Гидрогеологический разрез представлен на рис. 7

4. Уклон лога iл = 20 ‰

5. Коэффициент фильтрации грунтов K = 25 м/сутки.



Рис. 7. Поперечный разрез лога (к примеру 5):

1 - контур фундамента оголовка ЖБПТ; 2 - водоупорный грунт

Порядок решения

По Qр и H и конструктивным соображениям определяют тип искусственного сооружения. Возможны решения:

а) железобетонная прямоугольная труба отв. 2,0 м (ЖБПТ);

б) мост по схеме 3 Ч 11,5 (по предложению С.И. ГАПЕЕВА). Схема моста и отверстие приняты исходя из высоты насыпи. Мост может быть применен без противоналедных средств.

Для окончательного выбора варианта необходимо определить противоналедные мероприятия у ЖБПТ и их стоимость.

Ниже определены необходимые противоналедные мероприятия, приведенные стоимости по указанным выше вариантам решения.

Подъем уровня грунтовых вод при условиях, показанных на рис. 7, но без учета наличия отверстия трубы, был бы равен:



где bл - ширина грунтового потока, в м;

bф - ширина фундамента, в м;

Fст - площадь стеснения грунтовых потоков фундаментом оголовка, в м2.

При наличии отверстия трубы подъем уровня грунтовых вод, как следует из рис. 7, возможен только на 0,5 м. В связи с этим перед трубой возможен выход подземных вод в виде ключей. Расход поверхностного водотока (Qп) для этого случая приближенно можно определить, исходя из фильтрационной способности грунта, уклона лога и разности площадей грунтового потока в бытовых условиях и при наличии стеснения потока фундаментом, по формуле:

Qп = K Ч i Ч ?F,                                                           (8)

где K - коэффициент фильтрации в м/сутки;

i - уклон лога;

?F - разность площадей грунтового потока, в м2.

При K = 25 м/сутки, i = 0,02 и ?F = 60 - 35 = 25 м2 расход поверхностного водотока будет равен:

Qп = 25 Ч0,02 Ч25 = 12,5 м3/сутки = 0,145 л/сек.

Пропуск водотока с расходом 0,145 л/сек в зимнее время через бетонную трубу без образования наледи не представляется возможным.

Объем наледи на переходе из-за нарушения условий протекания подземных потоков может быть определен по формуле (в м3):

v = Tв ? m · ?Qср = Tв ? m K i · ?F,                                        (9)

где Tв - рассматриваемый промежуток времени в сутках;

?Qср - разность средних расходов грунтового потока в бытовых условиях и у сооружения (в м3/сутки) за промежуток времени Tв;

?F - разность средних площадей живого сечения грунтового потом в бытовых условиях и у сооружения в м2;

m - коэффициент, учитывающий наличие воздушных прослоек во льду, равный 1,2;

? - коэффициент расширения при переходе воды в лед, равный 1,1.

Для определения величины ?F в формуле (9) необходимо определить промерзание грунта в бытовых условиях и на переходе.

Промерзание грунта в бытовых условиях определено при следующих исходных данных: грунт до глубины 3 м однородный; ?ск = 1,7 т/м3; влажность до глубины 0,5 - 12 %, ниже - 24 %; льдистость - 1,0; C = 520 ккал/м3 · °С; ? = 2,5 ккал/м · час · °С; тепловой поток снизу Qп = 80 ккал/м2 · сутки - для ноября - декабря; Qп = 60 ккал/м · сутки - для января - марта.

На переходе характеристики грунта приняты такие же, что и в бытовых условиях, но тепловое влияние снежного покрова не учтено (снег будет поглощаться наледными водами). Климатические данные - см. пример 1, табл. 1 и 2.

Определение глубины промерзания выполнено по методике проф. ЛУКЬЯНОВА В.С. (ЦНИИС). Данные расчетов приведены в таблице 8, в которой наряду с глубиной промерзания содержатся: площади живого сечения потока, разности площадей, объемы наледи и толщина наледного льда (на 30/III).

Таблица 8

№ по пор.

Определяемые величины

Дата

Бытовые условия

ЖБПТ отв. 2,0 м

1

Глубина промерзания грунтов (м)

30.XI

0,31

1,05

30.XII

0,37

1,65

30.I

0,60

2,10

29.II

0,94

2,45

30.III

0,95

2,60

2

Средняя площадь живого сечения потока в бытовых условиях и на переходе (м2)

30.XI

60

30,0

30.XII

60

22,0

30.I

59

10,0

29.II

55

6,0

30.III

52

3,0

3

Разность средних площадей живого сечения потока (м2)

30.XI

 

30,0

30.XII

38,0

30.I

49,0

29.II

49,0

30.III

49,0

4

Объем льда, при условии полной аккумуляции наледи с верховой стороны

30.XI

 

594

30.XII

1346

30.I

2108

29.II

3068

30.III

4028

5

Толщина наледного льда (м)

30.III

-

? 2,0

ПРИМЕЧАНИЕ. При определении площади стеснения на переходе для периода I - III принято дополнительное (по сравнению с первым периодом зимы - XII - I) боковое стеснение грунтового потока в результате промерзания грунта вблизи фундамента, равное: Fд = 0,5 bф + 1,1 = 6,1 м2.

Как видно из таблицы 8, ЖБПТ может быть применена только в комплексе с противоналедными сооружениями. В качестве противоналедных сооружений в данном случае возможно применить:

а) дренаж - для безналедного пропуска подземных вод в низовую сторону;

б) водонепроницаемый экран в комбинации с удерживающими противоналедными средствами.

Ниже рассмотрен вариант применения дренажа.

Требуется перехватить грунтовый поток и собранные воды отвести с помощью отводных труб в низовую сторону.

Соответственно исходным данным по грунтовому потоку принят дренаж совершенного типа с расположением его по рис. 8.



Рис. 8. Схема противоналедных сооружений (к примеру 5):

1 - местный грунт; 2 - крупный песок; 3 - щебень; 4 - щит; 5 - экран из глины; К - смотровые колодцы

Грунтовый поток в 20 м выше ЖБПТ перехвачен дренажными трубами, уложенными поперек лога с уклоном 4 % (между смотровыми колодцами K1 и K2).

Общий расход грунтового потока равен:

Q = F K i = (3,0 Ч20) Ч25 Ч0,020 = 30 м3/сутки = 0,00035 м3/сек.

Удельный дебит дренажа (приток воды на п.м. дренажной трубы) на участке между смотровыми колодцами K1 и K2 длиной L = 20 м:



Гидравлический расчет дренажной и отводной труб, ввиду малых расчетных расходов, можно не выполнять, приняв минимальный диаметр керамиковых труб 12,5 см.

Необходимо проверить водо-захватывающую способность дрены.

При обсыпке дренажной трубы гравием (щебнем) с коэффициентом пористости n1 = 0,20 и коэффициентом фильтрации обсыпки Ko = 30 м/сутки, а для песчаного грунта соответственно с n = 0,35 и K = 25 м/сутки, необходимая площадь отверстий wo на 1 п.м трубы должна быть не менее



Принят диаметр отверстий на дренажной трубе 2,5 см с шагом через 10 см, что обеспечит потребное wo с некоторым избытком.

Отвод воды от смотрового колодца K2 до колодца K3 (см. рис. 8) может быть осуществлен керамиковыми трубами диаметром 12,5 см или же для этой цели могут быть использованы железобетонные трубы.

При положении поперечного дренажа в расстоянии 30 м от входного оголовка полная длина дренажа будет равна 100 м (20 м - длина дренажа, уложенного поперек лога между K1 и K2; 30 м - длина дренажа с верховой стороны насыпи между K2 и K3; 30 м - длина дренажа под насыпью между K3 и K4; 20 м - длина дренажа с низовой стороны насыпи).

Сравнение вариантов решения приведено в табл. 9.

Следовательно, по приведенной стоимости железобетонная прямоугольная труба отв. 2,0 м в комплексе с противоналедным сооружением в данном случае является более предпочтительным вариантом проектного решения.

Таблица 9

Приведенные стоимости вариантов

Основные сооружения

Приведенная стоимость в тыс. руб.

Приведенная стоимость противоналедных сооружений

Общая приведенная стоимость тыс. руб.

ЖБПТ отв. 2,0 м

20,0

Дренаж длиной 100 м

7,0 тыс. руб.

27,0

ССЭМ 3Ч11,5 м

33,0

-

33,0

Пример 6-й

При укладке трассы по косогору коренного склона (рис. 9) в отдельных местах обнаружен выход грунтовых вод. Земляное полотно на данном участке проектируется в виде полунасыпи и полувыемки.



Рис. 9. Вариант безналедного пропуска грунтовых вод (к примеру 6):

а - вариант с дренажной трубой; б - то же - с каменной наброской; 1 - мятая глина; 2 - балласт чистый; 3 - крупный песок; 4 - дебет; 5 - камень; 6 - дренажная труба; 7 - труба прорези; 8 - оголовок; K - смотровые колодцы

Гидрогеологическими обследованиями установлены следующие данные: грунтовые потоки имеют водоупор на глубине 3,1 м, а уровень от дневной поверхности - 0,8 м; ширина фронта грунтовых вод 50 м. Проектируемый кювет и планировка под насыпь обнажают грунтовый поток на глубину 0,6 м.

Требуется рассмотреть вопрос о противоналедных мероприятиях на данном участке.

Общий дебит грунтовой воды, выходящей в кювет в результате обнажения грунтового потока, при i = 0,2, K = 25 м/сутки равен:

Q = F Ч K Ч i = (50 Ч 0,6) Ч 25 Ч 0,2 = 150  = 1,7 .

При проектировании в обычных условиях воду отводят кюветом или водоотводной канавой к близлежащему искусственному сооружению. В данном случае имеет место ярко выраженный лог в 400 м от места обнажения грунтовых вод.

В суровых климатических условиях транспортировка воды кюветом с уклоном равным 0,005 и при расходе 1,7 л/сек практически невозможна без образования наледи.

В данном случае могут быть применены два способа, обеспечивающие безналедный пропуск вод (задержания наледи практически осуществить невозможно - малая высота насыпи и больной уклон косогора): с помощью утепленного лотка или сброс грунтовых вод в низовую сторону с помощью дренажа. При этом длина утепленного постоянного лотка равна ? 450 м, а длина дренажа - 50 + 20 = 70 м.

Вариант с дренажом наиболее дешевый: приведенная стоимость бетонного утепленного лотка длиной 450 м составляет 15,2 тыс. рублей, а дренажа длиной 70 п.м - 5,4 тыс.руб.

Дренаж в данном случае может быть запроектирован в виде подкюветного (рис. 9, разрезы по 1-1). При этом дренажом следует перехватить весь грунтовый поток (так как будет увеличенное промерзание под кюветом) и отвести его в низовую сторону.

Общий дебит дрены при глубине потока 2,3 м и ширине 50 м равен:

Q = F Ч K Ч i = (2,3 Ч 50) Ч 25 Ч 0,2 = 575  = 6,7 ;

удельный дебит дрены



Принята дренажная труба диаметром 20 см (керамиковая) с обсыпкой ее щебнем. При коэффициентах: пористости n1 = 0,20, фильтрации Ko = 30 м/сутки - для щебня, соответственно n = 0,35, K = 25 м/сутки - для песка, необходимая площадь отверстий на 1 п.м дренажной трубы должна быть не менее



Приняты отверстия диаметром 25 мм с шагом через 10 см.

Гидравлический расчет произведен с использованием формулы Шези, получено: v = 0,6 м/сек, глубина наполнения - 7,5 см (при iкр = 0,005).

Перепуск воды от колодца K2 к колодцу K3 (рис. 9) осуществлен посредством труб из железобетона диаметром 30 см (по конструктивным соображениям).

Практический интерес представляет дренаж с каменной наброской (дренажная прорезь) (см. рис. 9, б). Требуется определить площадь поперечного сечения дрены из бутового камня.

Площадь поперечного сечения может быть определена по формуле



Скорость фильтрации (v) определяют по эмпирическим данным в зависимости от действующего диаметра частиц.

На рис. 9, б принята дрена из бутового камня диаметром 12 см при площади поперечного сечения 0,4 Ч 0,4 = 0,16 м2; обсыпка - из щебня диаметром 2 см при площади 0,7 Ч 0,7 - 0,16 = 0,33 м2 и песка диаметром 0,2 см при площади 1 Ч 0,7 - 0,49 = 0,21 м2.

Процентное содержание (m) каждого из составляющих: бут - 22,8 %; щебень - 47,2 %; песок - 30 %.

Действующий диаметр частиц (в мм):



При уклоне дренажа в 5 ‰ для D = 37,4 мм скорость фильтрации равна v = 980 м/сутки*);

тогда



*) НОВИКОВ С.С. Отвод поверхностных и подземных вод от железнодорожного полотна. М. Трансжелдориздат, 1938.

Принятые размеры дренажа (см. рис. 9, б) удовлетворяют пропуску дренируемого грунтового потока.

Данный тип дренажа может быть рекомендован в тех случаях, когда ожидается небольшой приток грунтовых вод, а также при каптаже мелких периодических ключей. Эффективно можно использовать дренажные прорези для отвода подземных вод в выемках, сложенных скальными породами.

1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации