Определение отверстий и выбор типа малых водопропускных сооружений
Отверстия малых водопропускных сооружений подбирают по графикам их водопропускной способности (см. рис. 5.13—5.20; 5.22). Принятое отверстие должно обеспечивать сохранность водопропускных сооружений и подходных насыпей при расчетном и наибольшем расходах воды.
Обеспечение сохранности труб. Для сохранности трубы необходимо при расчетном расходе воды обеспечить указанное в Строительно-технических нормах (см. п. 5.3) наименьшее возвышение высшей точки внутренней поверхности трубы над уровнем потока на входе в трубу. Для этого отверстие трубы подбирают по графикам на рис. 5.13—5.16 таким образом, чтобы точка пересечения кривой водопропускной способности данной трубы и абсциссы, соответствующей значению расчетного расхода, находилась в зоне расчетных расходов, ограниченной на графиках линией со штрихов-кой вниз.
Необходимо также обеспечить минимальную толщину засыпки над трубой (от поверхности трубы до подошвы рельса), которая для бетонных и железобетонных труб составляет 1 м, а для металлических — 1,2 м (толщину засыпки над железобетонными трубами, расположенными в пределах станций, допускается принимать не менее 0,5 м). Это требование определяет минимальную высоту насыпи для размещения труб (табл. 5.2) в зависимости от высоты трубы в свету, толщины звена или плиты перекрытия, а также конструкции верхнего строения пути (высоты шпалы и толщины балласта под шпалой) [30].
В проектах типовых труб указывается также наибольшая высота насыпи, под которой они могут размещаться с обеспечением их сохранности. При естественных нескальных основаниях для круглых железобетонных труб диаметром 1 м эта высота равна 6 м; для этих же труб большего диаметра и всех других железобетонных и бетонных труб - 19 м; при скальных и свайных основаниях — соответственно 5,5 и 16—18 м в зависимости от отверстия трубы. Предельная высота насыпи для размещения металлических гофрированных труб:
Обеспечение сохранности мостов. Гидравлическая сохранность мостов обеспечивается в том случае, если русло под мостом не размывается. Для этого в соответствии со скоростью воды при пропуске расчетного расхода, которая зависит от глубины напора, принимают тип укрепления подмосто- вого русла. При пропуске наибольшего расхода скорость течения воды возрастает. Чтобы предотвратить чрезмерный размыв русла, не допускается увеличение этой скорости более чем на 20 % по сравнению с принятой при пропуске расчетного расхода. Если это условие не соблюдено, то следует увеличить отверстие моста.
Сохранность пролетного строения и других элементов моста (например, подферменных площадок), достигается соответствующим расположением их над уровнем воды при входе потока под мост. С учетом этого проектная отметка по оси моста (отметка в уровне бровки земляного полотна) НьР (рис. 5.23) должна удовлетворять условию:
Сохранность элементов моста определяется при пропуске расчетного расхода, когда глубина потока на входе под мост равна /гвх, и при пропуске наибольшего расхода, когда глубина потока /4, (см. рис. 5.23). Например, возвышение низа пролетных строений мостов над уровнем потока на входе под мост согласно нормам должно быть при пропуске расчетного расхода т = 0,5 м (когда глубина подпертой воды не более 1 м) и т = 0,75 м (когда глубина подпертой воды более 1 м), а при пропуске наибольшего расхода т' = 0,25 м независимо от глубины подпертой воды.
Для размещения бетонных труб высотой 3 м насыпь должна быть не ниже 4—4,35 м (см. табл. 5.2).
При высоте насыпи 2 м и более можно также сооружать сборные железобетонные мосты эстакадного типа.
Если высота насыпи недостаточна для размещения водопропускного сооружения, то можно принять одно из следующих решений: сместить трассу в плане в низовую сторону по косогору, для того чтобы пересечь лог на более низких отметках и тем самым увеличить высоту насыпи; такие решения наиболее вероятны на участках напряженного хода (рис. 5.24); поднять проектную линию продольного профиля при неизменном плане трассы, что наиболее просто на участках вольного хода, если это не приводит к значительному увеличению объема земляных работ (рис. 5.25); взамен одноочковой использовать двух- или трехочковую трубу при меньшем отверстии каждого очка и соответственно меньшей высоте трубы; увеличить число пролетов моста, а следовательно, и отверстие. При этом снизится скорость течения воды под мостом, уменьшатся напор и, соответственно, требуемая высота насыпи; углубить русло с соответствующим понижением отметок лотка и уровня подпертой воды (рис. 5.26).
Если позволяют высота насыпи и расход притока воды с водосборов, то целесообразно укладывать сборные железобетонные трубы, так как их можно изготовить индустриально. Существенные достоинства имеют металлические гофрированные трубы (небольшая масса, транспортабельны, дешевы). На электрифицируемых линиях, а также на участках железных дорог, расположенных в пределах городских и промышленных районов, укладка металлических труб допускается только при устройстве дополни-тельной (кроме оцинковки) защиты от коррозии, вызываемой блуждающими токами.
При длине трубы 20 м и более отверстие ее должно быть не менее 1,25 м, а в районах со средней температурой воздуха наиболее холодной пятидневки ниже —40 °С отверстие труб следует принимать не менее 1,5 м независимо от длины трубы. При наличии на водотоках ледохода и карче- хода, а также в местах возможного образования наледей и возникновения селей устанавливать трубы, как правило, нельзя. В виде исключения, в местах возможного образования наледей может быть допущено применение прямоугольных бетонных труб отверстием не менее 3 м в комплексе с постоянными противоналедными сооружениями.
На заболоченных участках при насыпях высотой до 8 м эффективны свайно-эстакадные мосты, так как они менее подвержены деформациям и не требуют рытья котлованов. Независимо от инженерно-геологических условий мосты этого типа рациональны по экономическим показателям и при относительно больших расходах притока, которые не могут быть пропущены сборными железобетонными и металлическими трубами. Такие мосты сооружают также при небольших насыпях, когда невозможно разместить трубы необходимых размеров.
В насыпях высотой более 8 м эффективнее сооружать водопропускные трубы. Лишь при расходах, которые не могут быть пропущены двухочковыми трубами даже самых больших отверстий, возводят железобетонные мосты.
При индустриальном изготовлении необходимо уменьшать число типоразмеров сооружений. Для этого они должны быть не только однотипными, но, по возможности, иметь одинаковые отверстия.
Для сокращения числа переездов и переходов в одном уровне целесообразно увеличивать отверстия мостов и труб, обеспечивая соответствующие габаритные размеры для использования этих сооружений в качестве пешеходных переходов, скотопрогонов и пропуска автомобильного транспорта и сельскохозяйственных машин. При этом для прохода пешеходов сооружения должны иметь габаритные размеры не менее: ширину — 3,0/2,25 м (в числителе — тоннели, в знаменателе — пешеходные мосты), высоту — 2,3 м; для прогона скота — соответственно 8,0 и 3,0 м; для полевых дорог — 8,0 и 4,5 м [16].
Пример 1. Требуется выбрать тип и отверстие водопропускного сооружения при следующих исходных данных: расчетный расход воды с водосбора Qt%— 11, 1 м3/с; наибольший расход Q0 33 % =15,4 м3/с. Отметки: лога Я, = 202,50 м, проектной линии по оси водотока ЯГ)р = 205,10 м. Высота насыпи по оси водотока равна 205,10 — 202,50 = 2,60 м. Путь уложен на деревянных шпалах при толщине балласта под шпалой 0,45 м. Расстояние по высоте от подошвы рельса до уровня бровки земляного полотна d = 0,80 м.
По графику (см. рис. 5.13) подбираем круглую железобетонную трубу. Одноочковая труба непригодна, так как при отверстии 2 м она пропускает расчетный расход не более 7,8 м3/с. Поэтому выбираем двухочковую трубу отверстием 2x2 м, которая пропускает расчетный расход 11,1 м3/'с при напоре Н = 1,65 м, а наибольший расход 15,4 м3/с при напоре Я' = 2,05 м. Высота насыпи 2,60 м позволяет по конструктивным условиям разместить трубу диаметром 2 м (см. табл. 5.2).
Проверяем незатопляемость земляного полотна по условию (5.2): 205,10 > 202,50 + 2,05 + 0,50. Условие выполняется, следовательно, круглая двух-очковая железобетонная труба отверстием 2x2 м может быть размещена на данном водотоке.
Рассмотрим возможность применения в данных условиях металлической гофри-рованной трубы. Одноочковая труба диаметром 3 м пропускает расчетный расход (см. рис. 5.14), но не может быть размещена по конструктивным условиям (см. табл. 5.2). Двухочковая труба диаметром 2 м не может пропустить расчетный расход 11,1 м3/с с обеспечением необходимого расстояния между уровнем воды при входе в трубу и высшей точкой внутренней поверхности трубы (точка пересечения кривой водопропускной способности трубы данного отверстия на рис. 5.14 и абсциссы, соответствующей расчетному расходу на шкале двухочковых труб, находится вне зоны расчетных расходов). Необходимую водопропускную способность имеет трехочковая металлическая труба отверстием 3x2 м, которая может пропустить расчетный расход 11,1 м3/с при напоре Я =1,40 м, а наибольший расход 15,4 м3/с - при Я' = 1,70 м. Высота насыпи 2,60 м достаточна для размещения металлической трубы данного диаметра (см. табл. 5.2). Проверка незатопляемости земляного полотна удовлетворяет поставленному условию (5.2), а именно: 205,10 > 202,50 + + 1,70 +0,50.
Вопрос о целесообразности выбора двухочковой железобетонной или трехочковой металлической трубы указанных выше отверстий может быть решен на основе технико-экономических соображений с учетом практики использования металлических гофрированных труб в железнодорожном строительстве.
Пример 2. Требуется подобрать тип и отверстие водопропускного сооружения при Q, <5 =30,8 м3/с; QU3«-C = 39,1 м3/с. Остальные исходные данные те же, что и в примере 1.
Использовать круглые трубы не удается, так как даже трехочковые трубы про-пускают расчетный расход не более 23 м3/с (железобетонная отверстием 3x2 м) и 16 м3/с (металлическая отверстием 3x2 м; принять трехочковую металлическую трубу отверстием 3x3 м нельзя, поскольку не позволяет высота насыпи 2,60 м). Учитывая относительно большие расходы водотока и сравнительно малую высоту насыпи, по графику эстакадных мостов (см. рис. 5.17, б) определяем, что расчетный расход 30,8 м3/с и наибольший расход 39,1 м3/с могут быть пропущены трехпролетным мостом 3x6 м при напоре Я = 1,45 м и Я' = 1.70 м. Принять двухпролетный мост 2x6 м нельзя, поскольку при этом Я' = 2,37 м, что недопустимо при насыпи высотой 2,60 м.
Проверяем достаточность возвышения пролетных строений моста над уровнем воды по условию (5.1). Глубину воды при входе под мост определяем по напору: Авх = (0,75+0,85) Я. При пропуске расчетного расхода йвх = 0,8 Я = 1,16 м, а при наибольшем расходе Л'х =0,8 Я' = 1,36 м. Строительная высота пролетного строения длиной 6 м равна 0,95 м. Условие (5.1) при этих данных выполняется как при расчетном расходе: 205,10 > 202,50 + 1,16 + 0,75 + 0,95 — 0,80, так и при наибольшем расходе: 205,10 > 202,50 + 1,36 + 0,25 + 0,95 — 0,80. Проверка незатопляемости земляного полотна удовлетворяет условию (5.2).
При подборе отверстия данного моста использован график водопропускной способности мостов при насыпи высотой 3 м. Поскольку фактическая высота насыпи равна 2,6 м, принятые в расчете значения напора Я и Я’ несколько завышены, что обеспечило некоторый запас при проверке условий (5.1) и (5.2). При необходимости уточнения расчетов следовало определить значения напора при насыпи высотой 2 м (см. рис. 5.17, а): Я = 1,25 м, Я' = 1,47 м и найти напор при фактической высоте насыпи 2,6 м путем интерполяции.
Следовательно, на данном водотоке можно разместить трехпролетный эстакадный мост 3x6 м. Однако при такой значительной длине моста целесообразно продолжить поиски других приемлемых решений.
Рассмотрим возможность размещения прямоугольной железобетонной трубы. Чтобы уменьшить напор, принимаем двухочковую трубу отверстием 2x4 м; при пропуске расчетного расхода 30,8 м3/с напор Я = 1,8 м, а при наибольшем расходе 39.1 м3/с напор Н' = 2,1 м (см. рис. 5.15).
Отметка проектной линии по оси водотока удовлетворяет условию (5.2). По конструктивным условиям наименьшая высота насыпи для размещения прямоугольной железобетонной трубы отверстием 4 м должна быть 3 м (см. табл. 5.2), что на 0,4 м превышает действительную высоту насыпи. Следовательно, двухочковую железобетонную прямоугольную трубу отверстием 2x4 м можно разместить на данном водотоке, если осуществить одно из следующих мероприятий: поднять проектную линию профиля на 0,4 м; сместить трассу вниз по косогору; углубить русло водотока на 0,4 м. Технико-экономическое сравнение вариантов позволит установить, какое из двух возможных решений - эстакадный мост длиной 3x6 м или труба 2x4 м с учетом проведения указанных мероприятий - наиболее эффективно.
Пример 3. Требуется выбрать тип и отверстие сооружения при высоте насыпи по оси водотока 9 м и расходах Qi% = 59,1 м3/с и ??о,зз% = 82,2 м3/с.
Указанный расчетный расход воды не могут пропустить железобетонные трубы. Металлические трубы также не применимы, так как не пропускают указанные расходы и, кроме того, не могут быть использованы при насыпи высотой 9 м. Поэтому рассмотрим прямоугольную бетонную трубу. В случае выбора одноочковой трубы наибольшего отверстия 6 м (см. рис. 5.16) при пропуске расчетного расхода 59.1 м3/с напор Я= 3,3 м, но при пропуске наибольшего расхода 82,2 м3/с напор Я' > 4 м, что недопустимо из-за большой скорости воды на выходе из трубы, вследствие чего может произойти размыв укрепления выходного русла. Поэтому принимаем бетонную трубу отверстием 2x4 м, при которой напор Я = 2,8 м и Н — = 3,4 м, что обеспечивает выполнение условия (5.2). По конструктивным условиям (см. табл. 5.2) высота насыпи 9 м также позволяет разместить бетонную трубу отверстием 4 м.
В данном примере можно рассмотреть вариант применения железобетонного моста с обсыпными устоями (см. рис. 5.21). По условиям пропуска наибольшего расхода 82,2 м3/с может быть принят мост, при котором ширина русла по дну(см. рис. 5.22). В этом случае напорa, что удовлетворяет условию (5.2). Как следует из рис. 5.21, при значении Ьпн = 6 м и высоте насыпи h„ = = 9 м полная длина моста L = Ь1И+ 2 х 1,5 Ан + 2 = 6+ 2 х 1,5 • 9 + 2 =35 м.
В приведенных примерах отверстия водопропускных сооружений подбирались из условия пропуска всего расхода воды, притекающей с водосбора. При преобладающем стоке дождевых паводков (исключая районы с продолжительными ливнями — Приморье, Дальний Восток, Черноморское побережье Кавказа) отверстия мостов и труб можно определять с учетом аккумуляции воды перед водопропускным сооружением. Аккумуляцию при преобладающем стоке весеннего половодья можно допускать только в том случае, если нет снежных заносов перед сооружениями.
Если на данном водотоке разместить сооружение, водопропускная способность которого меньше расхода воды, притекающей с водосбора, то перед сооружением образуется водоем. Задача заключается в подборе такого отверстия водопропускного сооружения, при котором уровень воды в водоеме не будет превышать наибольшего допустимого уровня напора перед сооружением. Не всегда наименьшее допустимое отверстие обеспечивает наивыгоднейшее решение, так как при этом возрастают напор и скорость воды в сооружении. Это увеличивает затраты на укрепление русла и откоса насыпи. Кроме того, затопление больших территорий перед водопропускным сооружением может привести к нежелательному нарушению сложившихся природных систем (изменению уровня грунтовых вод, режима функционирования нерестилищ и др.).
Наивыгоднейшее отверстие должно выбираться с учетом стоимости во-допропускного сооружения и затрат на эксплуатацию моста (трубы) и насыпи на подходах, а также с учетом экологических требований. Во всех случаях расход, пропускаемый сооружением, должен быть не меньше 1/3 расхода воды, притекающей с водосбора. г
Отверстия мостов и труб с учетом аккумуляции воды перед сооружением подбирают обычно графоаналитическим методом с использованием графиков водопропускной способности сооружений (см. рис 5.13—5.20, 5.22). В Пособии по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений [46] приведен приближенный метод расчета, который упрощает решение задачи.
Изыскания и проектирование железных дорог. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 288 с..
