СООРУЖЕНИЯ ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА 2 страница

Подкюветные (рис. 10.10) и закюветные (рис. 10.11) дренажи проектируются в выемках для перехвата или понижения уровня грунтовых вод земляного полотна. Закюветные дренажи менее подвержены засорению.

При низком залегании водоупорного грунтового слоя устраиваются совершенные дренажи, т.е. дренажи с полным перехватом грунтового потока. При глубоком залегании водоупора устраиваются несовершенные дренажи, дно которых находится выше водоупорного слоя. Совершенные дренажи при малой ширине земляного полотна могут предусматриваться с одной стороны. При этом необходимо проверять расчетом положение кривой депрессии водного потока под земляным полотном.

Несовершенные дренажи должны устраиваться, как правило, с обеих сторон земляного полотна. Глубина заложения для совершенных дренажей должна быть ниже глубины расположения водоупорного слоя на 0,5-0,7 м, но не менее глубины максимального промерзания грунтов плюс 0,25-0,3 м. Для несовершенных дренажей глубину заложения принимают по расчету.

В качестве дренажных элементов в подкюветном и закюветном дренажах используют гончарные, асбестоцементные, керамические или полиэтиленовые трубы диаметром 150-200 мм. В трубах в шахматном порядке должны быть сделаны прорези для приема воды.

Продольный уклон траншей для трубчатого дренажа должен быть не менее 0,005 – в исключительных случаях – от 0,002 до 0,003; наибольший допускаемый уклон – 0,15.

Рис. 10.10. Конструкция подкюветного дренажа: 1 – укрепление кювета; 2 – утрамбованный глинистый грунт; 3 – слой мятой глины; 4 – среднезернистый песок; 5 – щебень или гравий (фракции
5-7 мм); 6 – щебень или гравий (фракции 50-70 мм); 7 – дренажная труба 0,15-0,2 м; 8 – уплотненное трамбованным щебнем основание; 9 – водоупорный слой; 10 – супесь пылеватая; 11 – горизонт воды до устройства дренажа; 12 – кривая депрессии

Рис. 10.11. Конструкция закюветного дренажа: 1 – утрамбованный глинистый грунт; 2 – два слоя дерна корнями вверх или слой мятой глины; 3 – среднезернистый песок; 4 – щебень или гравий (фракции 5-7 мм); 5 – щебень или гравий (фракции 50-70 мм); 6 – дренажная труба 0,15-0,2 м;
7– водоупорный слой

Дренажи-прерыватели (преградители) проектируются для ограждения насыпи от обводнения из водоносного слоя, выклинивающегося под насыпью со стороны выемки; или от проникания воды по дренирующему слою из прилегающей выемки (рис. 10.12). В сторону от земляного полотна вода может отводиться дренажными устройствами или открытой канавой (рис. 10.13).

Рис. 10.12. Схема устройства дренажа-прерывателя для осушения насыпи: 1 – дренаж-прерыватель; 2 – суглинок; 3 – супесь; 4 – водоносный пласт; 5 – глина

Рис. 10.13. Схема устройства дренажа-преградителя с отводом воды открытой канавой в сторону от полотна: 1 – канава; 2 – прорезь преградителя; 3 – дренирующий слой; 4 – крупнозернистый песок; 5 – дно прорези; 6 – экран из водонепроницаемого материала

Поперечные перехватывающие прорези предусматриваются на участках дорог с продольным уклоном свыше 30‰ для устранения продольного движения воды в подстилающем слое. Эти прорези располагают под углом 70°-80° к оси дороги. Для отвода воды в прорези укладываются дренажные асбестоцементные, гончарные или полиэтиленовые трубы диаметром 80-100 мм с обсыпкой их дренирующим материалом (гравий, щебень, крупный песок) с коэффициентом фильтрации не менее 5 м/сут или обворачиванием геотекстильным материалом. При длине участка дороги с продольным уклоном свыше 30‰ менее 200 м перехватывающие прорези следует предусматривать в нижней части этого участка, а при большей длине – располагать на расстоянии в зависимости от удельного притока воды в «корыто» в весенний период и продольного уклона участка при подстилающем слое из песка крупного и средней крупности в соответствии с табл. 10.3. Выпуск воды из поперечных перехватывающих прорезей должен предусматриваться в закрытый водосток, на откосы насыпей и в кюветы выемок.

Таблица 10.3. Расстояние между поперечными прорезями

К системе дорожного водоотвода можно отнести также подстилающий (дренирующий) слой дополнительного основания дорожной одежды, устраиваемый из песка, гравия и других крупнозернистых материалов, который собирает воду, проникающую в основание дорожной одежды через обочины, а также трещины и швы в покрытиях. Вода из песчаного слоя отводится в резервы или в боковые канавы, для чего этот слой выводится на откосы насыпи по всей длине дороги. В весенний период в дренирующий слой поступает также вода, выделяющаяся из верхних слоев земляного полотна при таянии ледяных прослоек, которые образовались на пучинистых участках в процессе зимнего влагонакопления.

Дренирующие песчаные слои устраивают в местах с постоянным избыточным увлажнением. В зависимости от ширины проезжей части и климатического района строительства песчаные материалы для устройства дренирующего слоя должны в уплотненном состоянии иметь коэффициент фильтрации от 3 до 10 м/сут.

В благоприятных гидрогеологических условиях сплошной вывод песчаного слоя на откосы насыпи иногда заменяют устройством дренажных воронок, заполненных хорошо дренирующим материалом (одноразмерным щебнем, галькой размером 40-60 мм и др.), по которым вода просачивается на откос земляного полотна. Дренажным воронкам придают сечение 0,4х0,2 м и располагают их через 4-6 м в шахматном порядке (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Дренажные воронки: а – разрез по полотну дороги; б – примыкание воронки к песчаному слою при малых уклонах; в – то же при уклоне более 10‰; 1 – прослойка дерна или мха; 2 – щебень или гравий; 3 – дорожная одежда

Однако пропускная способность дренажных воронок невелика, и для отвода воды, заполнившей поры песчаного основания, требуется значительное время. Обочины, покрытые зимой более толстым слоем снега, чем проезжая часть, начинают оттаивать позже, чем грунт под проезжей частью. В результате этого в наиболее ответственный для службы дороги период весеннего оттаивания воронки находятся в промерзшем состоянии и не могут отводить воду, выделяющуюся при оттаивании грунта земляного полотна и скапливающуюся в песчаном основании под проезжей частью. Поэтому в местах с неблагоприятными грунтово-геологическими условиями (при удельном объеме притока воды в сутки q³ 0,005-0,007 м³/сут на 1 м² проезжей части, а также на участках с нулевыми отметками и в выемках) воду из дренирующего слоя отводят поперечными дренажами из асбестоцементных керамических или пластмассовых (гончарных) труб, укладывая их в основании земляного полотна у кромки проезжей части (рис 10.15). Вместо труб могут быть устроены прорези, заполненные крупным дренирующим материалом или фильтром из геотекстильных материалов.

Рис. 10.15. Дренажные трубы для осушения песчаного основания: а – продольная дрена: б – поперечная дрена; в – поперечная дрена в плане; 1 – обочина: 2 – дорожная одежда; 3 – песчаное основание

10.6. Основы расчета дренажа

Дренаж устраивают для перехвата или понижения уровня грунтовых вод. Целесообразно дрены располагать под боковыми канавами, где они доступны для ремонта в случае заиления.

Перехватывающий, экранирующий дренаж устраивают обычно в откосах выемок, если выемка перерезает водоносный слой до водоупора. В этом случае приток воды на 1 м длины дрены вычисляется по данным обследования водоносного слоя , где К – коэффициент фильтрации, определяемый испытанием образцов грунта; h – глубина воды в слое; i_в – уклон водоносного слоя.

На длине l собирается расход воды, подлежащий отводу, .

Для пропуска такого количества воды необходима труба, размер которой может быть найден из равенства , где i_Д – уклон дренажной трубы; К_Д – расходная характеристика дренажной трубы, м³/с, вычисляемая по формуле (для асбоцементных и гончарных труб) ; d – диаметр трубы, м.

Скорость течения воды в трубе должна быть не очень высокой, но и не слишком малой (во избежание заиления). Рекомендуется, чтобы фактическая скорость течения была не меньше 0,6 м/с и не превышала допускаемой скорости для фильтрующей обсыпки дрены. Скорость течения в круглой дренажной трубе может быть подсчитана по формуле , где W_Д – скоростная характеристика трубы, равная 30,4d ^2/3.

При строительстве дорог в местности с высокими уровнями грунтовых вод (УГВ) можно так высоко поднять бровку насыпи и проезжую часть, что понижения УГВ не потребуется. Однако иногда положение бровки насыпи бывает заданным, и изменить его невозможно. В этом случае единственный способ предохранить основание дорожной одежды от переувлажнения – понизить УГВ под земляным полотном.

Для этого боковые дрены должны быть заложены на глубину, обеспечивающую заданное понижение уровня грунтовых вод.

Если при этом дрены лягут на водоупор (рис.10.16а), то можно ограничиться устройством одной верховой дрены (со стороны притока воды), расчет которой полностью совпадает с изложенным выше. За дреной пространство будет постепенно осушено. Такие дрены называются совершенными. При глубоком залегании водоупора устраивают две дрены, располагая их симметрично по обе стороны дороги, и оставляют их висячими, несовершенными (рис. 10.16б).

Рис. 10.16. Закрытые дрены: а – совершенные; б – несовершенные

Для определения необходимой глубины заложения несовершенных дрен строят кривые депрессии (понижения) грунтовых вод, рассчитывают приток воды к дренам и их сечение (аналогично приведенному выше).

Каждая из дрен осушает некоторое пространство, предельная ширина которого, отсчитываемая в одну сторону от дрены, называется радиусом действия дренажа , где tga – тангенс угла наклона хорды, стягивающей кривую депрессии (рис.10.17).

Рис 10.17. Схема к расчету подкюветного дренажа

Форма кривой депрессии представляет собой параболу второй степени (см. рис. 10.17) с уравнением изменения глубины вдоль потока .

Зная расстояние между двумя дренами L, получаем расчетное уравнение понижения уровня воды в середине дороги .

11. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

11.1. Общие положения

Малые водоотводные системы устраивают в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами или балками, по которым стекает вода от дождей или таяния снега. Количество водопропускных сооружений зависит от климатических условий и рельефа, а стоимость их составляет 8-15% общей стоимости автомобильной дороги с усовершенствованным покрытием. Поэтому правильный выбор типа и рациональное проектирование водопропускных сооружений, позволяющие индустриализировать их устройство, имеют большое значение для снижения стоимости строительства автомобильной дороги.

Количество искусственных сооружений на 1 км дороги зависит главным образом от рельефа местности (табл. 11.1).

Таблица 11.1. Среднее количество искусственных сооружений на 1 км дороги

К основным видам водопропускных сооружений относят малые мосты и трубы. Меньшее распространение имеют другие типы сооружений, пропускающих воду переливом через земляное полотно – лотки. Лотки, укрепляемые мощением, допускается применять на дорогах низших категорий (IV и V) при пересечении периодически действующих водотоков, с глубиной перелива не более 0,15-0,20 м.

Применявшиеся некоторое время фильтрующие водопропускные сооружения в виде наброски крупных камней, через которую просачивается вода, не оправдали себя в эксплуатации и могут использоваться только как временные и на второстепенных дорогах, в местах, где стекающая вода не содержит наносов, заиливающих промежутки между камнями.

Большую часть водопропускных сооружений (более 95%) строящихся на автомобильных дорогах, составляют трубы. Их преимущества:

1) не меняют условий движения автомобилей, поскольку их можно располагать при любых сочетаниях плана и профиля дорог;

2) не стесняют проезжую часть и обочины;

3) не требуют изменения типа дорожного покрытия;

4) могут строиться в полносборном варианте из железобетонных и бетонных элементов небольшой массы, что позволяет пользоваться кранами малой грузоподъемности.

Устройство мостов предъявляет более высокие требования к продольному профилю дорог. Их недостатки:

1) расположение мостов на вертикальных и горизонтальных кривых или на больших продольных уклонах вызывает усложнение их конструкции;

2) на мостах иногда приходится применять иной тип покрытия, чем на подходах;

3) значительная высота насыпи, например, при пересечении глубоких оврагов вынуждает строить даже при малых расходах воды мосты с большой длиной поверху, что приводит к значительному удорожанию сооружения; вызывает затруднения и косое пересечение водотоков мостами.

Все указанные обстоятельства позволяют рассматривать трубы как основной тип малых водопропускных сооружений на постоянных и периодически действующих водотоках. Мосты применяют только в тех случаях, когда трубы не могут обеспечить пропуск всей воды, притекающей к дороге.

В современном дорожном строительстве наибольшее распространение находят железобетонные мосты и трубы стандартных типов из сборных элементов, заранее изготовленных на централизованных базах. Основным типом железобетонных труб являются так называемые унифицированные трубы (круглые и прямоугольные), применяемые как для автомобильных, так и для железных дорог.

Для увеличения пропускной способности сооружения без повышения высоты насыпи устраивают многоочковые трубы из уложенных рядом нескольких труб. Наблюдения показали, что в этих случаях расход равномерно распределяется между трубами. Однако трубы с числом очков более четырех неэкономичны. В этих случаях следует переходить к мостам.

При пропуске расчетных паводков трубы должны работать, как правило, в безнапорном режиме, когда на всем протяжении сооружения поток соприкасается по свободной поверхности с воздухом. Как исключение на автомобильных, а иногда и на городских дорогах допускается полунапорный или напорный режим (с затопленным входом в сооружение) при условии принятия конструктивных мер, обеспечивающих устойчивость труб и земляного полотна против фильтрации воды.

При безнапорном режиме протекания воды возвышение высшей точки внутренней поверхности трубы над уровнем воды должно обеспечивать пропуск плывущих случайных предметов и составлять в круглых и сводчатых трубах высотой до 3 м не менее 1/4 высоты трубы в свету, а высотой более 3 м – не менее 0,75 м; в прямоугольных трубах высотой до 3 м – не менее 1/6 высоты трубы в свету, а высотой более 3 м – не менее 0,5 м.

На автомобильных и городских дорогах используют трубы отверстием не менее 0,75 м (в кюветах на съездах с дороги – не менее 0,5 м). В целях удобства эксплуатации рекомендуется применять при длине менее 20 м трубы отверстием не менее 1,0 м, а при большей длине – отверстием не менее 1,25 м. Трубы нельзя укладывать на постоянных водотоках, где возможны наледи и ледоход.

11.2. Водопропускные трубы на автомобильных дорогах

Трубы на автомобильных дорогах целесообразно устраивать на суходолах при ограниченном расходе воды и в оврагах.

Основные размеры трубы определяются:

– отверстием (шириной в свету);

– высотой входной части;

– длиной.

Длина трубы зависит от:

– ширины земляного полотна;

– высоты насыпи;

– уклонов откосов насыпи над трубой;

– типа оголовков. Оголовки предназначены для сопряжения насыпи с трубой и для плавного входа и выхода воды.

Трубы состоят из отдельных звеньев или элементов для удобства укладки. При больших уклонах дна водотока трубу делают с уступами, чтобы уменьшить скорость течения воды в трубе (рис. 11.1б).

Рис. 11.1. Конструкции труб: а – на горизонтальном участке; б – на уклонном участке; 1 – лоток;
2 – входной оголовок; 3 – земляная засыпка; 4 – выходной оголовок; 5 – швы

Каменные и бетонные трубы сооружают редко, так как они обходятся дороже железобетонных. Каменные трубы в поперечном сечении бывают параболической или эллипсоидальной формы. Отверстия таких труб делают от 0,75 до 4-5 м. Подошвы фундаментов труб закладывают ниже глубины промерзания грунта на 25-30 см.

Трубы из железобетона наиболее распространены, так как они обладают большой прочностью, долговечностью и им можно придать любую форму. Их можно изготавливать на месте строительства или на заводе железобетонных изделий.

Железобетонные трубы выдерживают большую скорость течения воды – до 6 м/с. Труба простейшей конструкции состоит из плитного железобетонного перекрытия на бетонных устоях, на которые плита опирается свободно (рис. 11.2а) или используется как распорка (рис. 11.2б). Лоток трубы обычно устраивают из каменной шашки или бетона.

Рис. 11.2. Типы железобетонных труб

В слабых грунтах раздельный фундамент устраивают сплошным (правая половина, рис. 11.2б). Прямоугольные трубы могут иметь вид рамы (рис. 11.2а). Реже устраивают трубы параболического сечения (рис. 11.2в) из-за более сложного производства работ.

При небольших расходах воды чаще применяют круглые трубы (рис. 11.2г, е, ж) благодаря простому производству работ и возможности устройства их из заранее приготовленных звеньев.

На автомобильных дорогах обычно устраивают круглые трубы, диаметром 0,75, 1,0 и 1,5 м. Если требуется увеличить водопропускную способность круглых труб, их сдваивают или страивают (рис. 11.2ж). Такие железобетонные трубы называют двух- или трехочковыми.

Круглые трубы укладывают на грунтовом, песчаном или бетонном основаниях. В стенках круглых труб закладывают двойную арматуру из колец и спиралей. Толщина стенки – 8-16 см, длина одного звена – 60-100 см. При соединении звеньев швы заливают горячим битумом. Звенья труб покрывают сверху и с боков слоем глины толщиной 15 см.

Оголовки труб могут быть различной формы:

1. портальный оголовок представляет собой вертикальную стенку (рис. 11.3а). Такие оголовки делают при малых отверстиях труб и незначительных скоростях течения воды;

2. раструбный оголовок (рис. 11.3б) с расходящимися крыльями дороже портального, однако вход и выход воды из трубы при таком оголовке более плавный;

3. оголовок коридорного типа (рис. 11.3в) имеет вертикальные стенки, направленные сначала параллельно оси трубы, а затем плавно расходящиеся в стороны. Для его устройства расходуется много материала, и он сложен в исполнении. Поэтому на вновь проектируемых трубах такие оголовий применяют редко;

4. на воротниковые оголовки, срезанные наклонно в плоскости откоса насыпи, требуется мало бетона, однако они не обеспечивают плавного входа воды в трубу (рис. 11.3г);

5. обтекаемые оголовки (рис. 11.3д, е) дают возможность работать трубе полным сечением. Кроме того, повышенное звено трубы позволяет принять воду с большим подпором, что на 25-35% увеличивает пропускную способность трубы. Недостаток таких оголовков – более сложное производство работ.

Рис. 11.3. Конструкции оголовков труб

11.3. Определение расчетных расходов

Территория, на которой формируется сток поверхностных вод к данному искусственному сооружению, называется водосборным бассейном. Линия, соединяющая наиболее низкие точки бассейна, называется тальвегом.

Количество воды, притекающей к сооружению с малого водосбора, поддается теоретическим расчетам, изучаемым в курсе гидрологии, в ходе которых неизбежны различные допущения (условности) и погрешности. Наиболее трудно учесть ход дождя во времени, ход снеготаяния и впитывания воды в почву. Поэтому расходы и объемы воды с малых бассейнов вычисляют по нормам стока, т. е. с одинаковой схематизацией для всех водосборов и со стандартной оценкой метеорологических факторов стока в определенных географических районах. Проверкой норм стока является сопоставление расчетных значений стока с наблюдаемыми. Как правило, таких наблюдавшихся значений стока оказывается немного, при этом наибольшие затруднения вызывает оценка вероятности их превышения еще большим значением стока.

Общепризнанными для всех видов инженерного проектирования в Беларуси в настоящее время являются нормы стока талых вод. Расчеты ливневого стока в проектных организациях различных ведомств выполняют по различным эмпирическим формулам.

Гидрологические расчеты в Беларуси производят в соответствии со СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик» и пособия к этому СНиП – П1-98.

Принцип расчета стока с малых водосборов, так называемый метод предельных интенсивностей, использованный в СНиП, может быть реализован и в других модификациях, наиболее подходящих для расчета транспортных сооружений.

В основе всех расчетов лежит общая формула ливневого стока

, (11.1)

где а_расч – расчетная интенсивность ливня той же вероятности превышения, что и искомый расход, мм/мин, зависящий от продолжительности ливня; F – площадь водосбора, км², определяемая по карте в горизонталях; a – коэффициент стока, формально зависящий от вида грунтов на поверхности водосбора; j – коэффициент редукции, учитывающий неполноту стока, тем большую, чем больше водосбор.

Учитывая задержку проникания воды в грунт при сильных ливнях, т. е. фактические условия образования ливневого стока, коэффициент стока a рекомендуется принимать равным 1,0.

Для площадей до 100 км² коэффициент редукции может быть подсчитан по формуле , при этом для F £ 0,1 км² j=1.

Связь интенсивности ливня а с его продолжительностью t (в мин) обычно принимается в виде , где К_л – климатический коэффициент; К_л = а_час × 60^2/3.

Вводя в расчет интенсивность ливня часовой продолжительности (эти ливни хорошо изучены), получаем а=(60 / t)^2/3а_час, где а_час – средняя интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин.

Принцип предельных интенсивностей заключается в том, что за расчетную, самую опасную продолжительность ливня принимают время добегания воды от наиболее удаленной точки бассейна до дороги:t_расч=L/V_доб, где L – длина бассейна, км; V_доб – скорость добегания, км/мин.

Следовательно

. (11.2)

Безразмерная величина, стоящая в скобках, представляет собой коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к расчетной.

Таким образом, расчетная формула расхода ливневого стока

, (11.3)

а формула расхода полного стока

. (11.4)

Объем ливневого стока (м³) определяется как произведение слоя стока h_л на коэффициент редукции и площадь водосбора F, .т.е. .

Малые водопропускные сооружения рассчитывают обычно на пропуск лишь части расчетного ливневого расхода. На пропуск полного ливневого расхода их следует рассчитывать только в случае полного стока, т. е. при продолжительности расчетного ливня не более 5 мин, когда переходный коэффициент K_t достигает максимального значения 5,24.

На основании Пособия П1-98 к СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик» распространяющихся на проектирование всех видов сооружений (в том числе малых мостов и труб), расчетный максимальный расход талых вод для любых бассейнов определяется по редукционной формуле

, (11.5)

где K₀ – параметр, характеризующий дружность весеннего половодья; h_р – расчетный слой суммарного (с учетом грунтового питания) стока, мм, ежегодной вероятностью превышения (Р); m – коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды; d – коэффициент, учитывающий влияние водохранилищ, прудов и проточных озер; d₁, d₂ – коэффициенты, учитывающие снижение максимального расхода воды, соответственно, в залесенных и заболоченных водосборах.

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

Расчетный слой стока , где K_Р – модульный коэффициент для заданной вероятности превышения (обеспеченности) Р.

Обеспеченность расчетных максимальных расходов для малых мостов и труб принимается: I категория – 1%; II, III, городские улицы и дороги – 2%; IV, V и внутрихозяйственные дороги – 3%.

11.4. Расчет отверстий труб

В зависимости от глубины подтопления и типа входного оголовка в трубах могут устанавливаться следующие режимы протекания потока воды:

– безнапорный режим, если подпор меньше высоты трубы на входе либо превышает ее не более чем на 20%; на всем протяжении трубы водный поток имеет свободную поверхность (рис. 11.4 а);

– полунапорный режим, возникающий при оголовках обычных типов (портальных, раструбных) в тех случаях, когда подпор превышает высоту трубы на входе более чем на 20%; на входе труба работает полным сечением, а на всем остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. 11.4 б);

– напорный режим, устанавливающийся при специальных входных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы на входе более чем на 20% (рис. 11.4 в); на большей части длины труба работает полным сечением и лишь у выхода поток может отрываться от потолка трубы.

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 в полунапорный режим.