Проектирование автомобильных дорог

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

автомобильный дорога гидравлический водопропускной

Из года в год расширяется строительство автомобильных дорог в различных регионах нашей страны, отличающихся климатическими, рельефными и гидрологическими особенностями. Современная автомобильная дорога представляет собой сложное инженерное сооружение, предназначенное для интенсивного движения транспортных средств с большими скоростями при обеспечении безопасности движения. Для этого при проектировании автомобильных дорог большое внимание уделяют вопросам обеспечения устойчивости земляного полотна, необходимым условием которого является организация водоотводных и водопропускных сооружений.

1. Расход -- Q₀=4,3 м³/с;

2. ширина канала понизу -- b=2,2 м;

3. уклон подводящего канала -- =0,001;

4. уклон быстротока -- =0,15;

5. уклон отводящего канала -- =0,0025;

6. длина быстротока -- l=10 м;

7. Высота перепада -- P=2,5 м;

8. коэффициент заложения откоса канала -- m=3,0, для трапецеидального сечения; m= 0, для прямоугольного сечения;

9. коэффициент шероховатости стенок канала -- n=0,0250,для трапецеидального сечения; n=0,014, для прямоугольного сечения(для быстротока).



1. Гидравлический расчёт водопропускных сооружений

1.1 Подводящий канал

Устройство подводящего канала необходимо для принятия вод, стекающих по склонам к логу, и подведения к трубе, мосту или быстротоку. Исскуственные подходные русла должны обеспечивать пропуск всего расхода без их переполнения.

Расчёт подводящего канала сводится к определению нормальной и критической глубины, критического уклона, анализа состояния потока, определению средней скорости и обоснованию укрепления русла. Кроме этого необходимо привести расчёт гидравлически наивыгоднейшего профиля канала.

1.1.1 Определение нормальной глубины

Нормальная глубина h₀ -- это такая глубина, которая при заданном расходе установилась бы в русле, если в этом русле движение было бы равномерным.

Эта глубина никак не связана с типом искусственного сооружения, а определяется естественным(бытовым) состоянием водотока, поэтому её также называют бытовой глубиной h_б.

Основная расчётная формула -- формула Шези:

(2.1)

где щ -- площадь живого сечения, м²; С -- коэффициент Шези, м^0,5/с; R -- гидравлический радиус, м; i₀ -- уклон канала.

Для трапецеидального сечения



(2.2)

где h -- глубина канала, м

Для определения коэффициента Шези С может применяться формула Н.Н.Павловского:

(2.3)

где y=f(n,R).

Приближённо можно по Н.Н.Павловскому считать:

при R<1,0 м у=1.50*0,025=0.038 (2.4)

при R>1,0 м у=1.30*0,025=0.033 (2.5)

Гидравлический радиус в общем случае определяется по формуле:

(2.6)

где ч -- смоченный периметр, м и для трапецеидального русла может быть определён:

(2.7)

Важным показателем при расчёте является расходная характеристика(модуль расхода) К₀, м³/с:

(2.8)



Графоаналитический метод определения нормальной глубины.

(2.9)

м³/с

Таблица 2.1

Расчётные формулы	Ед.изм.	Назначаемые и определяемые величины
		h1	h2	h3	h4	h5
h	м	0,50	0,80	1,00	1,05	1,10
	м2	1,85	3,68	5,20	5.62	6.05
	м	5.36	7.26	8.52	8.84	9.16
	м	0,35	0,51	0,61	0,64	0,66
	м0,5/с	31.09	34.03	35.53	35.94	36.20
	м3/с	34.03	89.43	144.30	161.59	177.92

(определяем графоаналитическим методом, приложение1)

1.1.2 Определение критической глубины

Критической глубиной h_к называется глубина, отвечающая минимуму удельной энергии сечения.

Если задано поперечное сечение русла, а также расход Q₀, то критическая глубина определяется из уравнения:

(2.10)

где Э -- удельная энергия сечения, м, определяемая по формуле



(2.11)

Для дорожно-мостового и аэродромного строительства при движении жидкости в каналах коэффициент Кариолиса принимают б=1,1.

Дифференцируя выражение (2.11) по h из условия при глубине, равной критической, получаем уравнение критического состояния потока

(2.12)

где g-- ускорение свободного падения, м/с²; щ_k - площадь живого сечения при критической глубине, м²; B_k- ширина канала поверху при критической глубине, м.

(2.13)

Метод подбора для определения критической глубины для трапецеидального русла.

м²

Таблица 2.2

h
h1	0,50	1,85	5,20	1,22
h2	0,70	3,01	6,40	4,26
h3	0,90	4,41	7,60	11,29



(определяем графоаналитическим методом, приложение2)

2.1.3 Определение критического уклона

Критическим уклоном называется такой уклон, при котором заданный расход Q₀ проходит по каналу в условиях равномерного движения с глубиной, равной h_к , т.е. При соблюдении равенства

Определение критического уклона может быть произведено:

а) непосредственно по формуле

(2.14)

где при предварительно найденной глубине h_к для данного русла и при заданном расходе Q₀ определяются следующие величины: щ_k ,ч_k ,C_k ,R_k ;

б) по уравнению

(2.15)



Вывод: в подводящем канале нормальная глубина больше критической глубины > , заданный уклон сооружения меньше критического уклона < ; состояние потока спокойное.

1.1.4 Расчёт канала гидравлически наивыгоднейшего профиля (поперечного сечения)

Гидравлически наивыгоднейшем профилем (ГНП) называется такой, у которого при заданной площади поперечного сечения щ, уклоне i₀ , шероховатости и коэффициенте заложения откоса пропускная способность Q₀ оказывается наибольшей.

Малые каналы дорожного и аэродромного водоотвода целесообразно проектировать с гидравлически наивыгоднейшим сечением.

Для трапецеидального канала гидравлически наивыгоднейшего сечения относительная ширина в_гн=b/h определяется по формуле

(2.16)

При заданной площади живого сечения щ и уклона i₀ расход Q₀ , средняя скорость течения V, гидравлический радиус R будут наибольшими, а смоченный периметр ч-- наименьшим. Гидравлический радиус трапецеидального канала при этом равен R_гн=h/2, т.е. равен половине глубине канала.

Графоаналитический способ для определения гидравлически наивыгоднейшего сечения, т.е. h_гн и b_гн .

Q₀ = 4,3 м³/с



Таблица 2.3

h
h1	0,5	0,16	0,83	0,25	28,79	0,53
h2	1,0	0,32	3,32	0,50	33,94	2,52
h3	1,5	0,48	7,47	0,75	37,36	7,64

h_гн =1,257 м

(2.17)

1.1.5 Определение скорости течения в канале

Средняя скорость по живому сечению в канале, м/с, х определяется из формулы

(2.18)

где щ -- площадь живого сечения, в котором необходимо определить скорость.

Как правило скорость необходимо знать, чтобы выяснить, является она размывающей или нет.

Вывод: Для укрепления выбираем одерновку. При одерновке скорости попадают в допустимые как при нормальной глубине так и при критической. Без укрепления скорости недопустимы.



1.2 Быстроток

При значительных расходах воды, больших уклонах и наличии в воде твёрдых включений при благоприятных геологических условиях, обеспечивающих устойчивое положение круто наклоненного лотка, наиболее целесообразны быстротоки.

Быстротоком называют искусственное сооружение(русло) с уклоом больше критического( i₀> i_k).

Гидравлический расчёт быстротока сводится к расчёту входной части, лотка быстротока(водоската) и выходного участка.

Уклон для входного участка принимают равным уклону дна подводящего канала. Глубина в конце входной части (на изломе) h_изл принимается равной критической h_к.

При высоких скоростях течения на быстротоке поток захватывает пузырьки воздуха, и в результате этого образуется водно-воздушная смесь. Это явление (аэрации) приводит к увелечению глубин, что необходимо учитывать в расчётах. Коэффициент шероховатости стенок и дна канала для аэрированного потока n_а приближённо определяется по формуле

(2.19)

где а -- коэффициент аэрации, зависит от значения уклона быстротока i₀ :

Таблица 2.4

а	1,33	1,33-2,00	2,00-3,33
i0	0,1-0,2	0,2-0,4	0,4-0,6



1.2.1 Определение критической глубины

Для прямоугольного сечения (m=0) h_к можно определить по формуле

(2.20)

где q -- удельный расход , м²/с,

(2.21)

где b -- ширина лотка быстротока, принятая равной ширине понизу в подводящем канале.

1.2.2 Определение критического уклона



1.2.3 Определение нормальной глубины

м³/с

Таблица 2.5

Расчётные формулы	Ед.изм.	Назначаемые и определяемые величины
		h1	h2	h3	h4	h5
h	м	0,10	0,20	0,30	0,40	0,45
	м2	0,22	0,44	0,66	0.88	0.99
	м	2,4	2.6	2.8	3.0	3.1
	м	0,09	0,17	0,24	0,29	0,32
	м0,5/с	29.74	28.02	37.53	39.25	40.18
	м3/с	1.96	5.08	12.13	18.6	22.50

(определяем графоаналитическим методом, приложение3)

Вывод: на быстротоке нормальная глубина меньше критической глубины <, заданный уклон сооружения больше критического уклона, > ; состояние потока бурное.

1.2.4 Расчёт кривой свободной поверхности на быстротоке

Исследуя дифференциальное уравнение неравномерного движения в призматических руслах

(2.22)

где П_к - параметр кинетичности.

Метод В.И. Чарномского расчёта кривой свободной поверхности на водоскате быстротока.

1) h_n - последняя глубина на быстротоке принимается на 5% больше нормальной глубины, т.е. Промежуточные глубины рекомендуется задавать с интервалом 0,1 м;

2) т.к. Лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m=0;

3) т.к. Лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m=0;

4)

5) где R_n и R_n+1 -- гидравлические радиусы, соответствующие соседним глубинам;

6) где n_a -- коэффициент шероховатости с учётом аэрации потока;

7) где С_n и С_n+1 -- коэффициенты Шези, соответствующие соседним глубинам;

8) где Q₀ -- заданный расход воды, поступающий из подводящего канала;

9) де х_n и х_n+1 -- соседние скорости в соседних сечениях;

10)

11) где Э -- удельная энергия соответствующих сечений;

12) где Э_n и Э_n+1 -- удельные энергии соседних сечений, причём в последующем сечении для данного типа кривой спада.



13)

14) l₁=0, т.к. Расчёт кривой свободной поверхности начинается с точки излома дна; последующие числовые значения длин l₂,l₃,... определяются путём наращивания, а именно: l₂=l₁+Дl₁, l₃=l₂+Дl₂ и т.д.

Таблица 2.6

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
	0.80	1.76	3.8	0.46		45.06		2.44			1.13			0
					0.45		44.76		2.62	0,008		0.01	0.07
	0,70	1.54	3.6	0,43		44.46		2.79			1.14			0.07
					0,41		44.03		3.03	0,012		0,06	0.43
	0,60	1.32	3.4	0,39		43.60		3.26			1.20			0.5
					0,37		43.01		3.59	0,019		0,16	1.22
	0,50	1.10	3,2	0,34		42.42		3.91			1,36			1.72
					0,32		41.76		4.4	0,035		0,38	3.30
	0,40	0,88	3.0	0,29		41.09		4.89			1.74			5.02
					0,27		40.33		5.71	0,074		0.94	12.37
	0,30	0.66	2,80	0.24		39.56		6.52			2.68			17.39

1.2.5 Построение кривой свободной поверхности на водоскате быстротока

Кривая свободной поверхности строится в виде графика с вертикальной осью глубин и горизонтальной осью длин.

На графике обязательно указываются линии критических К-К и нормальных N-N глубин.



1.3 Отводящий канал

Для защиты от размыва низового откоса земляного полотна дороги и выходной части водопропускного сооружения часто устраивают водоотводные искусственные русла, по своей конструкции мало отличающиеся от подходных русел. Вода, выходящая из отверстия сооружения, часто обладает ещё большей энергией, т.е. Повышенной против его естественного состояния разрушительной силой. Если не предусмотреть специальных мер, отводные русла на выходе из сооруженияй сильно размываются, что иногда приводит к авариям сооружений.

Мерами против размывов водоотводных русел, т.е. Способами гашения энергии водного потока, являются: непрерывное рассеивание энергии потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.

1.3.1 Определение гидравлических характеристик потока

Определение нормальной глубины

м³/с

Определение критической глубины

=

Определение критического уклона



=

Вывод: в отводящем канале нормальная глубина больше критической глубины > , заданный уклон сооружения меньше критического уклона < ; состояние потока спокойное.

При смене уклонов на возникает гидравлический прыжок.

1.3.2 Расчёт гидравлического прыжка

Явление скочкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической в спокойное состояние с глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком.

Расчёт гидравлическ4ого прыжка сводится к определению его характеристик: - первой сопряжённой глубины, - второй сопряжённой глубины, - длины гидравлического прыжка.

1. Определить сжатую глубину методом последовательного приближения:

(2.23)

где q -- удельный расход;

(2.24)

ц -- коэффициент скорости, ц=0,9; - энергия, с которой поток приходит в отводящий канал, , т.е. Энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:



(2.25)

где - глубина на конце быстротока, определённая по кривой свободной поверхности при длине l, указанной в исходных данных; - скорость на конце быстротока, определяемая по формуле:

(2.26)

а) в первом приближении не учитывается в знаменателе. Тогда

(2.27)

м²/с

б) во втором приближении учитывается в знаменателе:

2. Рекомендуется за первую сопряжённую глубину принять глубину равную сжатой:



(2.28)

3. Определить вторую сопряжённую глубину по формуле:

(2.29)

4. Вывод: < - гидравлический прыжок подпертый

0.55м ? 0,974м.

Установление гасителя энергии не требуется.



2. Укрепление русел

При изменении уклонов, на входном и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях требуется устройство укрепления русла. Размеры и тип укрепления назначают на основании гидравлических расчетов исходя из условия свободного растекания потока на плоском дне. Исходными данными для определения размеров укрепления служат глубина и скорость потока на данных участках, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон русла.

Существует три типа укрепления русел:

1) сборными бетонными и железобетонными плитами;

2) монолитным бетоном;

3) мощением или наброской камнем.

Размер укрепляемого участка русла принимают с учетом типа укрепления. Границы укрепляемого участка назначают на основании эпюры растекания потока. Тип укрепления русел выбирают на основании технико-экономических показателей.

Наряду с традиционными типами укрепления выходных русел может быть использована дешевая, легкая и технологичная мягкая конструкция, позволяющая на 20-40% уменьшить глубину размыва по сравнению с типовым бетонным укреплением и представляющая собой полотнище синтетического материала, уложенное на предварительно спланированный грунт.



3. Экология дорожных водопроводящих сооружений

В нашей стране охрана природы стала всенародной задачей. Приняты важнейшие законодательные акты природоохранного содержания.

Строительство и последующая эксплуатация дорог оказывает многофакторное влияние на прилегающую к ним территорию как с нагорной стороны, так и ниже трассы дороги. При строительстве дороги в полосе отвода, а часто и вне ее нарушается естественный рельеф местности, меняется состав и состояние верхнего слоя почвы, разрушается растительный покров, существенно меняются условия формирования и характеристики поверхностного стока, водный режим территории.

Размыв почвы и подстилающих пород, образование оврагов представляют угрозу как земельному фонду, так и устойчивости дорожных сооружений и их элементов. Насыщение водных потоков твердыми частицами при размыве и перенос последних создают предпосылки противоположного процесса - заиления.

В нижнем бьефе дорожных водопропускных сооружений наиболее массовым процессом является размыв и оврагообразование. Этот процесс может распространяться на значительные расстояния от дороги вплоть до нескольких километров. Первопричина отмеченного негативного явления - концентрация стока, перевод его из склонового в русловый. Для сопрягающих сооружений характерны переливы, особенно на сочленениях водоотводных систем и резких их поворотах, что также приводит к крупномасштабным размывам, появлению оврагов.

Водная эрозия почвы вызывается движением воды по поверхности земли. В естественных условиях возникает нормальная, геологическая эрозия - смыв поверхностных слоев при образовании стока талых, ливневых и смешанных вод.

Ускоренная эрозия возникает как результат хозяйственной деятельности человека без учета особенностей естественного процесса эрозии. Как показывают многочисленные примеры, строительство дорог - одно из основных направлений производственного воздействия человека на природу, инициирующее ускоренную эрозию.

Самые негативные последствия имеет концентрация поверхностного стока системами дорожного водоотвода. Распределенный обычно по ширине в сотни метров склоновый сток переводится этими сооружениями в сосредоточенные потоки, удельный расход которых обычно на порядок превышает естественный на склоне. Это вызывает аналогичное увеличение скорости течения, далеко превышающее допускаемые. Поэтому размывы и образование оврагов за дорожными сооружениями носят массовый характер.

На всех этапах от изысканий и проектирования до эксплуатации водопроводящих сооружений необходимо принятие соответствующих мер по защите окружающей среды. В первую очередь следует предусмотреть предотвращение или уменьшение наиболее массовых последствий от строительства дорожных сооружений: размывов за ними и оврагообразования, заиления, затопления и заболачивания.

За водопроводящими сооружениями необходимо укрепление отводящих русел до подошвы склона и устройство водобойных сооружений в конце крепления с обеспечением расширения потока. При большом удалении трассы от подошвы склона крепление отводящего русла, обычно в виде бетонного лотка, может вызвать значительные затраты, а его отсутствие - появление размыва и развитие оврага. Прогноз обязательно должен учитывать концентрацию и перераспределение стока дорожными сооружениями.

При решении конкретных задач экологии дорожного строительства в том или ином районе необходим учет всего комплекса региональных особенностей.



Список использованной литературы

1.Киселёв П.Г. Справочник по гидравлическим расчётам. М.: Энергия, 1973.

2.Константинов Н.М., Петров Н.А., Высоцкий Л.И. Гидравлика, гидрология, гидрометрия. Ч. 1,2. М.: Высшая школа, 1987.

3.Муромов В.С., Лившиц М.Х. Косогорные водопропускные трубы. М.: Транспорт, 1988.

4.Пособие по гидравлическим расчётам малых водопропускных сооружений / Под ред. Г.Я. Волченкова М.: Транспорт,1992.

5.Примеры гидравлических расчётов / Под ред. А.И. Богомолова М.: Транспорт 1988.

6.СниП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

7.СниП 2.05.-3-84. Мосты и трубы. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

8.Справочник по гидравлическим расчётам / Под ред. В.А. Большакова Киев, 1984.

9.Толмачёв К.Х. Автомобильные дороги. Специальные сооружения. М., 1986.

10.Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л., 1985.

Размещено на Allbest.ru

...