Ai - коэффициент оттаивания i-го слоя грунта, характеризующий осадку грунта при его оттаивании без нагрузки;

Рδi - давление в середине i-го слоя грунта, в кгс/см2 от собственного веса, равное 0,5γ0(Zi + Zi-1) (здесь γ0 - объемная масса грунта основания, кгс/см3);

Zi-1, Zi - расстояние от подошвы насыпи соответственно до кровли и подошвы i-го слоя, см);

kлi - коэффициент, учитывающий неполное смыкание макропор при оттаивании мерзлого грунта, принимаемый в зависимости от средней толщины ледяных включений Δл: при Δл ≤ 1 см = 0,7; при Δл ≥ 3 см = 0,9; при промежуточных значениях Δл коэффициент определяется интерполяцией.

Осадку Sп слоя грунта, предварительно оттаявшего на глубину hom, рассчитывают по формуле (Д.2) при значениях Ai = 0; Лсi = 0 и значениях аi, определяемых с учетом ожидаемой степени уплотнения оттаявшего грунта. При этом формула имеет вид

0447S

  (Д.3)

Расчет осадок производят для средней части трубы (высота насыпи Н) и ее концевых участков (H = 0).

Пример. Исходные данные: труба - D = 1,5 м; L = 39 м; I = 0,007; насыпь - b = 3,5 м; Н = 10 м; В = 19,5 м; γ = 1,8 тс/м3; основание - γ0 = 1,7 тс/м3; H0 = 11 м; слой I - суглинок, предварительно оттаявший, а1 = 0,008, h1 = 4 м, слой II - суглинок, оттаивающий в процессе эксплуатации; а2 = 0,007; kл2 = 0,8; А2 = 0,018; Лс2 = 0,005; h2 = 2 м; слой III - то же, а3 = 0,006; kл3 = 0,7; А3 = 0,016; Лс3 = 0,005; h3 = 5 м.

Решение. Осадку рассчитываем по формулам (ДД.3). Предварительно определяем

0447S

рδ1 = 0,5 ∙ 0,0017(0 + 400) = 0,34 кгс/см2;

рδ2 = 0,5 ∙ 0,0017(400 + 600) = 0,85 кгс/см2;

рδ3 = 0,5 ∙ 0,0017(600 + 1100) = 1,45 кгс/см2.

Осадка под средней частью трубы:

а) предварительно оттаявшего слоя грунта

Sп = 0,75 ∙ 0,88 ∙ 0,0018 ∙ 1000 ∙ 0,008 ∙ 400 + 0,008 ∙ 0,34 ∙ 400 = 4,9 см;

б) слоев грунта, оттаивающих в процессе эксплуатации,

Sдоп = 0,75 ∙ 0,88 ∙ 0,0018 ∙ 1000[0,007 ∙ 20,005) + 0,006 ∙ ,005)] + [(0,018 + 0,007 ∙ 0,85,005) + 0,8 - 0,005]200 + [(0,016 + 0,006 ∙ 1,45) ∙,005) + 0,7 ∙ 0,005]500 = 25,3 см;

суммарная осадка S'р = 4,9 + 25,3 = 30,2 см. Осадка под концевыми участками трубы (H = 0):

а) предварительно оттаявшего слоя грунта

Sп = 0,006 ∙ 0,34 ∙ 400 = 1,1 см;

б) слоев грунта, оттаивающих в процессе эксплуатации,

Sдоп = [(0,018 + 0,007 ∙ 0,85) ∙,005) + 0,8 ∙ 0,005] - 200 + [(0,016 + 0,,45) ∙,005) + 0,70,005]500 = 20,1 см;

суммарная осадка S'р = 1,1 + 20,1 = 21,2 см. Расчетная осадка

0447S

Приложение Е
(Рекомендуемое)

Гидравлические расчеты

Пропускную способность МГТ устанавливают в соответствии с «Руководством по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений» или «Пособием по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений», исходя из условий безнапорного режима пропускания потока и входа равнинного типа, при которых перед сооружением при пропуске расчетного расхода образуется емкость, характеризующаяся подпертой глубиной. При этом поток поступает в МГТ в спокойном состоянии.

Вход указанного типа имеют все МГТ без подходных быстротоков, подводящих поток к сооружению в бурном состоянии.

Для МГТ, имеющих на входе быстротоки, проверяют возможность сохранения безнапорного протекания при входе потока в МГТ в бурном состоянии.

Е.1 Определение пропускной способности МГТ

«Длинные» и «короткие» МГТ. Учет влияния нижнего бьефа.

Е.1.1 МГТ, на пропускную способность которых при безнапорном режиме оказывает влияние их длина, называют «длинными» в гидравлическом отношении. У «коротких» это влияние отсутствует.

Е.1.2 «Короткими» считаются МГТ, для которых соблюдается условие

iт > iK,  (E.1)

где iт - уклон трубы по проекту;

iK - критический уклон для труб данного отверстия.

Критический уклон вычисляют по уравнению критического состояния  или при наличии равномерного движения по формуле Шези

  (Е.2)

где Q - расчетный расход потока, м3/с;

ωk - площадь живого сечения трубы при критической глубине hk, м;

bk - ширина свободной поверхности потока при глубине hk;

Сk - коэффициент Шези, м0,5/с, по формуле Павловского

n - коэффициент шероховатости поверхности трубы;

0447S

 - гидравлический радиус при hk, м;

χk - смоченный периметр сечения при hk, м.

При iт < iK с некоторым приближением «короткими» можно считать МГТ при соблюдении критерия относительной длины:

  (Е.3)

где lT и D - соответственно длина и диаметр МГТ.

Е.1.3 Безнапорный режим протекания в коротких трубах сохраняется вплоть до затопления входного сечения МГТ. При его затоплении происходит переход от безнапорного режима к полунапорному или напорному (рис. Е.1). Затопление входного отверстия МГТ определяют по значениям параметра расхода ПQ, приведенным в табл. Е.1

1

Форма поперечного сечения трубы

Формула параметра расхода ПQ

Заполнение входного сечения

Значение параметра расхода труб ПQ(гран) при типах входных оголовков

Без оголовков

Раструбный αр = 20°

Круглая

0,75

0,275

0,305

1,0

0,415

0,495

Овоидальная

0,75

-

0,350

1,0

-

0,485

Примечания:

1. Значения параметра расхода приведены для расчетного (первая строка) и полного (вторая строка) заполнения.

2.  - эквивалентный диаметр (эквивалентное отверстие), представляющий собой диаметр круга, равного по площади поперечному сечению сооружения ωcoop.

3. Работа трубы при безнапорном режиме наблюдается при значениях параметра расхода ПQ меньше указанных ПQ(гран), т. е. ПQ < ПQ(гран).

Е.1.4 Глубины на входе и подпертые глубины перед «длинными» МГТ определяют по формулам, полученным из аналогичных зависимостей для гладких труб, приведенных в «Руководстве по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений», с введением в них корректива для учета повышенной шероховатости:

0447S

  (Е.4)

0447S

  (Е.5)

где  и  - соответственно относительная глубина на входе и относительная подпертая глубина для «коротких» труб;

n = 0,015 и nгофр - коэффициенты шероховатости соответственно для гладких и МГТ.

Е.1.5 Затопление отверстия МГТ может произойти со стороны нижнего бьефа При значительной бытовой глубине водотока, что снижает их пропускную способность и также исключает безнапорный пропуск потока по трубе.

Затопленными будут МГТ при условиях:

hнб ≥ 1,25hк и Ннб ≥ 1,1hт или hнб ≥ (0,75 - 0,77)Н,

где hнб - глубина в нижнем бьефе над нижней точкой дна МГТ в выходном сечении, м;

hк - критическая глубина в МГТ, м;

hт - высота МГТ, м;

Н - напор перед МГТ, м.

Более точно расчет затопления производится согласно «Руководству по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений».

Е.1.6 При безнапорном режиме МГТ гидравлически работает как водослив с широким порогом, коэффициент расхода которого зависит от сопротивлений на входном участке.

Если сжатое сечение не затоплено hc < hк, то МГТ работает как свободный водослив с широким порогом. При затоплении сжатого сечения hc > hк труба работает как затопленный водослив с широким порогом.

Е.1.7 Расход воды, пропускаемый безнапорной «короткой» неподтопленной МГТ (рис. Е.1),

  (E.6)

где m - коэффициент расхода, определяемый по табл. Е.2;

 - средняя ширина потока в сечении с критической глубиной hK по таблице Е.3;

ωk - площадь поперечного сечения потока при глубине hk;

hk - критическая глубина потока в МГТ, определяемая из уравнения критического состояния потока

 α = 1,1.  (E.7)

Е.1.8 Подпертую глубину перед безнапорными трубами определяют по формуле

(Е.8)

В табл. Е.3 приведены значения m для уклона iT = 0,01. При других значениях уклона, для более точного расчета значения m следует увеличивать при iT > 0,01 или уменьшать при iT < 0,01 на 2 % на каждую 0,01 уклона.

2

Коэффициент расхода т

Тип оголовка

Коэффициент расхода, m

Без оголовка (вертикальный срез)

0,33

Срезанный параллельно откосу

0,33

Раструбный θ = 20°

0,365

При несовершенном сжатии потока на входе в МГТ (ширина по подпертому уровню высоких вод ПУВВ перед входом в МГТ менее шести ее отверстий) коэффициент расхода определяют по формуле

0447S

  (Е.9)

где mта6л - значение коэффициента расхода по табл. Е.2;

Ω - площадь поперечного сечения потока в подводящем русле;

ωn - площадь поперечного сечения МГТ до отметки подпертого уровня.

Е.1.9 Возможность существования безнапорного режима и заполнения МГТ на входе в «короткие» МГТ определяют по «Пособию по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений», в котором приведена зависимость относительной глубины потока во входе в МГТ  от параметра расхода ПQ, что позволяет по заданному заполнению установить соответствующую ему величину расхода.

3

Определение ширины потока

ВК при диаметрах труб D, м

1,0

1,25

1,5

2,0

3,0

5,0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,02

0,49

0,49

0,61

0,73

0,98

1,47

2,45

0,03

0,52

0,52

0,65

0,78

1,04

1,56

2,6

0,04

0,57

0,57

0,71

0,85

1,14

1,71

2,85

0,05

0,59

0,59

0,73

0,88

1,18

1,77

2,95

0,06

0,62

0,62

0,77

0,93

1,24

1,86

3,1

0,07

0,63

0,63

0,78

0,94

1,26

1,89

3,15

0,08

0,64

0,64

0,8

0,96

1,28

1,92

3,2

0,09

0,66

0,66

0,82

0,99

1,32

1,98

3,3

0,1

0,67

0,67

0,83

1,00

1,34

2,01

3,35

0,12

0,69

0,69

0,84

1,03

1,38

2,07

3,45

0,14

0,72

0,72

0,9

1,08

1,44

2,16

3,6

0,16

0,74

0,74

0,92

1,1

1,47

2,2

3,68

0,18

0,76

0,76

0,94

1,13

1,51

2,26

3,78

0,2

0,77

0,77

0,94

1,15

1,54

2,31

3,85

0,25

0,79

0,79

0,99

1,18

1,58

2,37

3,95

0,3

0,81

0,81

1,01

1,21

1,62

2,43

4,05

0,35

0,82

0,82

1,02

1,23

1,64

2,46

4,1

0,4

0,83

0,83

1,03

1,24

1,66

2,49

4,15

0,45

0,84

0,84

1,04

1,25

1,67

2,5

4,18

0,5

0,84

0,84

1,05

1,26

1,68

2,52

4,2

0,55

0,84

0,84

1,05

1,26

1,68

2,52

4,2

0,6

0,84

0,84

1,05

1,26

1,68

2,52

4,2

0,65

0,84

0,84

1,05

1,26

1,68

2,52

4,2

0,7

0,83

0,83

1,03

1,24

1,66

2,49

4,15

Е.1.10 При безнапорном режиме некоторое увеличение расхода, поступающего к МГТ, незначительно увеличивает глубину потока перед МГТ.

Это преимущество безнапорных МГТ является очень существенным при их эксплуатации. В «длинной» МГТ при безнапорном режиме энергии потока недостаточно для протекания в бурном состоянии и он перейдет в спокойное состояние. Такой переход осуществляется гидравлическим прыжком, глубина потока в МГТ при этом резко возрастает и может произойти смена безнапорного режима на полунапорный, частично напорный или напорный режимы, что опасно для нормальной работы МГТ. Поэтому второе преимущество безнапорного режима - его устойчивость для «длинных» труб должно проверяться. Эта опасность состоит в том, что полунапорный режим может переходить в напорный (зарядка МГТ) и обратно (срыв вакуума). Такие смены режима сопровождаются резкими колебаниями уровня воды перед насыпью и вибрациями МГТ, что сокращает срок ее службы.

Е.1.11 По влиянию глубины воды в нижнем бьефе МГТ делят на «затопленные» с нижнего бьефа и «незатопленные» (рис. Е.1, Е.2, Е.3) при свободном сжатом сечении на входе.

Затопленными с нижнего бьефа считают трубы, работающие в условиях, при которых уровень нижнего бьефа влияет на пропускную способность трубы (вследствие затопления сжатого сечения), в противном случае трубы считаются «незатопленными» с нижнего бьефа.

0447S

Рис. Е.1. Схема протекания воды в безнапорной МГТ, затопленной с нижнего бьефа с незатопленным свободным сечением

0447S

Рис. Е.2. Схема протекания воды в безнапорной МГТ, затопленной с нижнего бьефа с незатопленным сжатым сечением:

hнб - глубина воды в нижнем бьефе над нижней точкой дна трубы в выходном сечении; hп - глубина подтопления

Е.1.12 Пропускную способность многоочковых МГТ определяют при условии их раздвижки на величину не менее 0,25D как сумму отдельно работающих одноочковых МГТ. Расчет многоочковых МГТ аналогичен расчету одноочковых, при этом расход каждой МГТ

принимают   (Е.11)

где  - количество труб.

Е.1.13 Пропускную способность «длинной» подтопленной трубы следует определять по формуле

0447S

  (Е.10)

где  неизвестно, поэтому коэффициент подтопления определяется методом последовательного приближения, его значение должно быть меньше 1,0.

Напор перед круглыми «длинными» трубами Н0 определяется по «Пособию по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений».

0447S

Рис. Е.3. Схема протекания воды в равнинной МГТ при безнапорном режиме:

а - «короткая»; б - «длинная»; в - «незатопленная» (2, 3) u «затопленная» с нижнего бьефа (4)

Е.2 Алгоритм выбора рационального типа водопропускных МГТ

Выбор очертания контура МГТ зависит от рабочей отметки продольного профиля дороги, геометрических контуров поперечного сечения дороги, контуров сечений лога и гидравлических характеристик потока.

Е.2.1 В основе алгоритма лежит методика расчета водопропускного тракта.

Е.2.2 Основные элементы алгоритма:

1) Расчет гидравлических характеристик потока на входном участке. МГТ проектируют как водопропускное сооружение равнинного типа;

2) расчет глубин и скоростей на всей длине МГТ, включая входной и выходной участки;

3) расчет глубин и скоростей потока на укреплении русла на входе;

4) расчет параметров каменной наброски, возможности образования промоины и глубин размыва за укреплением нижнего бьефа в выходном логе;

5) определение размеров укреплений нижнего бьефа и;

6) выбор и назначение вариантов конструкций водопропускного тракта, удовлетворяющих всем требуемым ограничениям (по допускаемым скоростям, глубинам воронок размыва в выходном логе и т. п.).

Возможно также изменение (перепроектирование) продольного профиля водопропускного тракта с последующим повторением расчетов.

Определение наилучшего из допускаемых вариантов должно осуществляться на основе технико-экономического сравнения по объемно-строительным показателям.

Расчет водопропускного тракта ведется на расчетный расход Qp. При наличии снегового и ливневого паводков Qp и Qmax выбирают как максимальные из соответствующих расходов.

Е.2.3 Последовательность расчета:

1) На основе анализа исходных данных по параметрам насыпи и характеристикам стока назначают тип трубы с учетом величины расхода, характера водотока. А также задаются начальным отверстием МГТ исходя из того, что для МГТ на постоянных дорогах допускается только безнапорный режим и обязательное выполнение требования о величине зазора в МГТ (см. п. Е.1.8).

2) Задаются параметрами продольного профиля трубы (уклоны на входе, выходе и в трубе, тип оголовков) и рассчитывают параметры расходов Qp и Qmax.

3) Определяют «короткая» или «длинная» труба, сравнивая критический уклон с уклоном трубы. Критический уклон определяют по графикам в «Пособии по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений». Проводят контрольную проверку по критерию относительной длины lт/D ≤ 20.

4) Определяют подпертые глубины при Qp и Qmax по формуле Е.8.

5) Определяют (для низких насыпей) возвышение бровки над подпертым уровнем для проектирования высоты укрепления откоса.

6) Рассчитывают глубины и скорости на выходе из МГТ по графикам «Пособия по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений».

7) Назначают начальный тип укрепления выходного русла (каменной наброской, плитой, монолитным бетоном, сборными блоками и т. д.) по табл. Е.4. Если vв(мах) > vдоп, то меняют тип укрепления на более мощный и так до тех пор, пока не будет удовлетворено условие vв(мах) ≤ vдоп либо не будут исчерпаны все возможные типы укреплений.

8) Определяют глубины возможного размыва в выходном русле принятого типа. Если максимальная глубина размыва больше 2,5 м, то переходят на следующий, более мощный тип выходного русла и расчет повторяют. Если никакой из типов выходных русл не обеспечивает глубины размыва меньше допустимой, то увеличивают отверстие МГТ и переходят к п. 2.

9) Рассчитывают скорости и глубины потока на укреплении.

10) Рассчитывают ширину укрепления и глубину заделки его концевой части с учетом растекания потока на укреплении и глубины воронки размыва.

11) Если в результате расчетов осуществлен перебор всех допустимых отверстий МГТ и при этом не найден вариант, удовлетворяющий всем необходимым ограничениям, то можно изменить уклоны и водопропускной тракт перепроектировать.

4

Допустимые скорости течения воды (средние)

Наименование грунтов, типы покрытий

Средние глубины потока, м

0,4

1,0

2,0

3,0

1

2

3

4

5

Граниты, базальты, кварциты

15,0

18,0

20,0

20,0

Песчаник доломитовый, известняк кремнистый, плотный

4,0

5,0

6,0

6,5

Песчаник известковый, известняк доломитовый, пористый

3,0

3,5

4,0

4,5

Конгломерат, мергель, сланцы

2,0

2,5

3,0

3,5

Булыжник крупный

3,0

3,5

4,0

4,5

средний

2,5

3,0

3,5

4,0

мелкий

2,0

2,5

3,0

3,5

Галька крупная

1,7

2,1

2,4

2,7

средняя

1,4

1,6

1,8

2,0

мелкая

1,1

1,3

1,5

1,7

Гравий крупный

1,0

1,1

1,3

1,4

средний

0,8

0,9

1,1

1,2

мелкий

0,7

0,8

0,9

1,0

Песок крупный

0,5

0,6

0,7

0,8

средний

0,4

0,5

0,6

0,7

мелкий

0,2

0,3

0,4

0,5

Глины, суглинки

малоплотные ρd = 1,20 т/м3

0,35

0,40

0,45

0,50

среднеплотные 1,20 - 1,66

0,65

0,80

0,90

1,00

плотные 1,66 - 2,04

0,95

1,20

1,40

1,50

очень плотные 2,04 - 2,14

1,40

1,70

1,90

2,10

Травяной покров отличный

0,8

1,0

1,2

1,5

удовлетворительный

0,6

0,8

0,9

1,0

Одерновка плашмя

0,9

1,2

1,3

1,4

в стенку

1,5

1,8

2,0

2,2

Мощение камнем

одиночное при размере камня

4,0

0,15 м

2,5

3,0

3,5

4,5

0,20 м

3,0

3,5

4,0

5,0

0,25 м

3,5

4,0

4,5

5,5

двойное

3,5

4,0

5,0

6,0

Габионы

4,0

5,0

5,5

4,5

Каменная наброска 1 слой

3,5

3,8

4,2

5,0

2 слоя

4,0

4,2

4,5

Бутовая кладка из камня

известковых пород

3,5

3,5

4,0

4,5

крепких пород

6,5

8,0

10,0

12,0

Бетонные стенки М-110

5,0

6,0

7,0

7,5

М-170

6,5

8,0

9,0

10,0

Покрытия плитные

цементобетонные на откосе

свободно лежащие 1,0×1,0 м

2,6

2,8

3,0

3,0

до 3,0×3,0 м

2,8

3,0

3,5

4,0

омоноличенные

3,0

4,0

5,0

6,0

монолитные

3,5

4,5

6,0

7,0

гибкие ЦНИИС

2,8

2,9

3,0

3,5

в русле водотока

свободнолежащие

4,5

5,0

5,5

6,0

с упором

5,0

5,5

6,0

6,5

асфальтобетонные на откосе

квадратные 1,0×1,0

1,0

1,3

1,7

2,0

3,0×4,0

1,5

2,0

2,5

3,0

в русле водотока 1,0×1,0

2,0

2,3

2,7

3,0

3,0×4,0

3,0

3,3

3,7

4,0

в водоотводах покрытия плитами

цементобетонными

5,0

6,0

7,0

8,0

асфальтобетонными

3,0

3,2

3,5

4,0

секциями железобетонными

8,0

10,0

11,0

12,0

Е.3 Примеры назначения отверстий и определения пропускной способности и укрепления выходного русла круглых гофрированных труб

Пример 1. МГТ без оголовков с вертикальным срезом. Высота насыпи Ннас = 3,5 м, ширина по верху bнас = 6,5 м, крутизна откосов 1:1,5. Уклон лотка трубы соответствует уклону лога iT = 0,03. Гладкий лоток расположен на 1/3 периметра нижней части поперечного сечения МГТ.

Расходы притока с бассейна Qp = 2,4 м3/с, Qмах = 4,0 м3/с. Сток снеговой - аккумуляция не учитывается.

Требуется подобрать отверстие МГТ и определить подпертые глубины, а также глубины и скорости на выходе из нее.

РЕШЕНИЕ

1. Определяем длину МГТ lт = 6,5 + 3,5 ∙ 2 ∙ 1,5 = 17 м.

2. Находим отверстие МГТ.

Согласно СНиП 2.05.03-84*, МГТ должны пропускать расчетные расходы и наибольшие расходы при безнапорном режиме и иметь при этом заполнение на входе при пропуске расчетного расхода  при пропуске наибольшего расхода

Находим для трубы без оголовка с вертикальным срезом параметры расхода, соответствующие указанным выше заполнениям:

при   0447S

при   0447S

Зная параметры расхода, находим по ним минимальные диаметры по формуле

При Qр = 2,4 м3/с  0447S

При Qмах = 4,0 м3/с  0447S

Принимаем к расчету ближайшее большее типовое отверстие D = 2,0 м.

3. Устанавливаем, будет ли МГТ «длинной» или «короткой» в гидравлическом отношении.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10