Строительство мостовых переходов с использованием металлических гофрированных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строительство мостовых переходов с использованием металлических гофрированных элементов

В.И. Сметанин - д-р ехн. наук. профессор;

В.А. Зимнюков - канд. техн. наук, доцент;

М.И. Зборовская - канд. техн. наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет

природообустройства», г. Москва, Россия

Водопропускные трубы под насыпями на автомобиль-ных дорогах являются наиболее распространенными дорожными сооружениями: на 1 км дороги их количество составляет 1...1,4 шт. Величина отверстия трубы не превосходит 6 м, но в большинстве случаев используются трубы с отверстием до 2 м. Для увеличения водопропускной способности наряду с одноочковыми трубами применяют двух- и более - очковые трубы (рис.1, 2).

По сравнению с малыми мостами трубы для тех же расходов воды предпочтительнее. Они дешевле и проще в эксплуатации. Располагаясь в нижней части насыпи, трубы не изменяют условий прохода временной нагрузки и сами к ней малочувствительны. По материалу различают трубы железобетонные, бетонные и металлические. По режиму работы - напорные, полунапорные и безнапорные. Для ликвидации скопления воды у насыпи и размыва насыпи, трубы в основном проектируют и строят безнапорными с протеканием воды без заполнения отверстия трубы даже в том случае, когда перед насыпью горизонт воды расположен в уровне верха трубы или немного выше.

По форме поперечного сечения водопропускные трубы могут быть круглыми, прямоугольными и сложных сечений: овальными, арочными, круглыми с плоской подошвой; очертание и форму поперечного сечения труб принимают на основании гидравлического расчета. Безнапорные трубы выполняют любых поперечных сечений.

Трубы из гофрированного металла появились в конце XIX в. В России такие трубы впервые были применены в 1875 г. В последние годы существенно расширилась их область применения не только в качестве водопропускных труб, но и в качестве малых мостов (арочные мосты - трубы [2] и тоннелей. Этому способствует ряд преимуществ перед традиционными железобетонными сооружениями. Металлические гофрированные конструкции собираются на болтах из готовых листов, сооружение происходит быстро и не требует тяжелой техники. Конструкции с небольшими пролетами могут полностью собираться вручную. Конструкции удобны для транспортировки. Можно доставить конструкцию любых размеров, а в одном транспортном средстве можно разместить элементы для сооружения одной или нескольких труб. Кроме того, оборудование для гибких гофрированных листов позволяет создавать конструкции с любой формой поперечного сечения. При этом мировой опыт подтверждает возможность применения конструкций с пролетами 10 м и более.

Гофрированные трубы при должном качестве строительства весьма долговечны. Проведенное в 1967 г. обследование труб дореволюционной постройки показало, что они находятся в хорошем состоянии. В целом применение гофрированных конструкций очень эффективно с экономической точки зрения. Типовые проекты гофрированных водопропускных труб начали разрабатываться с 1970-х годов. Актуальность типовых проектов не утрачена и сейчас. Более того, начало строительства в нашей стране транспортных сооружений из гофрированного металла вызвало потребность в типовых проектах конструкций с применением современных форм и материалов.

Гофрированный металл трубы работает совместно с окружающей грунтовой обоймой, которая должна иметь определенную форму, отсыпаться песчаным грунтом с определенным составом и обязательно с тщательным послойным уплотнением.

Круглые и эллиптические гофрированные металлические трубы наиболее экономичны по площади поперечного сечения. Их конструктивная прочность по отношению к нагрузкам наибольшая. В итоге они в большей степени подходят для высоких насыпей и часто выполняются в виде арочных мостов-труб.

Металлическая гофрированная арка (рис. 4) является альтернативой малого моста. Такая форма конструкции позволяет сохранить дно водотока в естественном состоянии. Такие арки высокоэффективны при грунтах с хорошей несущей способностью или скальных грунтах. В этом случае используют мостовые опоры, сохраняя естественное русло водного потока. Широкое применение находят также металлические гофрированные арки и своды с укрепленным руслом.

При гидравлических расчетах отверстий водопропускных труб и подмостовых переходов исходят из расчетного расхода воды, проходящего через отверстие. Расход определяют в процессе технических изысканий и топографо-геодезические работ и обследований. В зависимости от по лученных максимальных расходов воды подбирается отверстие водопропускной трубы [2, 4, 6] или моста согласно гидравлическому расчету по методике СНиП 2.05.03-84* [5], Пособие к СНиП 2.05.03-84* [6], ОДМ 218.2.001-2009 [8]. В соответствии с п. 10.6 [6] производится расчет подпора уровня воды у сооружений мостового перехода - рис. 5, так как стеснение потока сооружением приводит к повышению уровня воды в паводок в верхнем бьефе мостового перехода.

Расчетом согласно [5, 6] определяют параметры изменения рельефа водной поверхности стесненного потока (cм. рис. 5): предмостовой подпор Дh_g и его положение (расстояние Х₀ от створа моста), с учётом уклона водотока, состояния поймы (растительность, почвы), ширины разлива потока в паводок по левой и правой поймам и ширины водного потока в русле.

Согласно [15] п. 6.7.4 для сохранения безнапорного режима протекания потока в водопропускном сооружении расчетами должно быть установлено наличие зазора между поверхностью потока и шелыги свода искусственного сооружения диаметром более 3,0 м - не менее 0,75 м.

С другой стороны, условия работы МГК, согласно [4] с точки зрения характера протекания потока по водопропускному тракту сооружений можно представить в виде схемы (рис. 6).

1. Верхний бьеф

2.Сопряжение верхнего бьефа с собственно сооружением

3. Собственно сооружение

4. Сопряжение с нижним бьефом

5. Нижний бьеф

Рис. 6. Классификация применяемых равнинных сооружений по условиям их гидравлической работы

Гофрированные трубы отличаются от «гладких» в гидравлическом отношении существенно большими критическими уклонами, величина которых при безнапорном режиме достигает 0,02…0,03. Для обеспечения максимальной водопропускной способности уклоны гофрированных труб должны быть не меньше указанных значений и, в крайнем случае, не меньше 0,01 [3, п.3.2.2].

Ограничением для применения труб под насыпью является высота насыпи (не менее 1,5 м) и высокая мутность потока, угрожающая заилением сооружения.

Железобетонные мосты применимы при любых сочетаниях плана и профиля дороги [4]. Преимущество перед трубами - возможность их использования при меньшей высоте насыпи и относительно больших расходах через их отверстия.

При увеличении поперечного размера искусственного водопропускного сооружения с применением металлических гофрированных оболочек свыше 10 м - до 10…18 м (рис. 7), данные сооружения не могут рассчитываться по существующим разработанным и нормативным методикам для труб под насыпями [2, 4, 8]. Методика их расчета должна исходить из комбинации их свойств, присущих работе как мостов, так и труб.

Рис. 7. Проект трёх очкового водопропускного сооружения под насыпью с применением металлической гофрированной оболочки, опёртой на свайные фундаменты (поперечный - а и продольный - б)

гофрированная оболочка мостовой переход

При безнапорном движении в трубах имеется частичное наполнение сечения труб. Гидравлический расчет труб при безнапорном течении и равномерном движении воды производят по тем же формулам, что и расчет каналов. При этом наибольшая скорость v_max и наибольший расход Q_max в трубе для круглого сечения соответствуют неполным наполнениям трубы. Объясняется это тем, что при наполнении верхней части канала круглого сечения смоченный периметр растёт быстрее, чем площадь , и поэтому гидравлический радиус R начинает уменьшаться; при этом уменьшается и скорость v. Эта особенность свойственна всем формам сечения каналов, имеющих перекрытие [23, с. 89] (рис. 8а, б).

В [7 с. 107] при расчетах арочных мостов различают два случая прохождения паводка

1) пяты свода не подтопляются (при Q_расч) - рис. 8а;

2) пяты свода подтопляются (при Q_макс) - рис. 8б.

Рис. 8. Отверстие арочного моста при: а - незатопленных пятах свода; б - затопленных пятах свода

Согласно [7, с. 107] - к учету этих двух случаев и сводятся особенности расчета арочных мостов. Согласно [7, с. 108] при затопленных пятах свода надлежит учитывать дополнительный подпор перед мостом, образующийся вследствие сужения отверстия в пределах свода. Исправленное значение скорости под мостом вычисляется по формуле v₁ = Q/е м/с, где е - коэффициент сжатия в зависимости от формы устоев моста. Так как для арочных мостов-труб с применением МГК (рис. 4, 7) отсутствует прямоугольный участок пят сводов, аналогичный рис 8а для арочных бетонных мостов, то вследствие сужения отверстия в пределах свода формируется дополнительный подпор перед сооружением к подпору, образующемуся от сужения русла. В расчетах эта особенность учитывается через определение геометрических величин потока в соответствии с формой арки-моста с применением МГК.

Согласно [4, с. 149] движение жидкости в открытых руслах происходит под действием силы тяжести при наличии геометрического уклона. В практике случаи неравномерного движения воды встречаются значительно чаще, чем равномерного. При неравномерном движении используются четыре вспомогательных понятия: удельная энергия сечения, критическая глубина, нормальная глубина, критический уклон.

Согласно [1, с. 104] на практике, в случае i > 0, для определения характера (вида) свободной поверхности продольного профиля потока, надлежит всякий раз определять глубину равномерного движения h₀ и критическую глубину h_кр. Тогда по соотношению между действительной глубиной h и глубинами h₀ и h_кр решается вопрос о форме свободной поверхности согласно схемам - например, рис. 9 [1, с. 105].

Согласно [4, с. 123] линия нормальных глубин N-N при i > i_кр и i < i_кр и линии реальных глубин асимптотически приближаются к нормальной глубине.

Согласно [10, 15] в практике строительства устраивают малые мостовые переходы и безнапорные трубы, работающие по схеме водослива с широким порогом, (рис. 10), имеющие длину вдоль потока примерно от 2 до 10 величин напора на пороге водослива Н.

В случае мостового перехода высота водосливной стенки с = 0 (водосливной порог отсутствует). Согласно [15, с. 427] водослив без порога с некоторым приближением можно рассматривать как частный случай водослива с широким порогом, пользуясь при расчете всеми способами, которые применяются для водослива с широким порогом.

Большинство практических расчетов водопропускных сооружений выполняют на основе уравнения Д. Бернулли. При этом [4, с. 22], рассматриваем неравномерное установившееся движение жидкости, при котором гидравлические элементы потока изменяются от сечения к сечению вдоль русла. Неравномерное установившееся движение может быть плавно и резко изменяющимся (внезапное расширение или сужение, гидравлический прыжок). На участках плавно изменяющегося движения свободная поверхность может рассчитываться с помощью уравнения Бернулли, дополненного потерями энергии на трение по дну; для расчета резко изменяющегося движения в уравнения Бернулли должны быть добавлены потери энергии, вызванные внезапным изменением потока.

Общие потери напора определяют путём арифметического суммирования потерь напора по длине и потерь, вызванных отдельными местными сопротивлениями. Согласно [13, с. 58] метод наложения потерь напора применим только в том случае, если перед местными сопротивлениями поток успевает стабилизироваться, то есть кривая распределения скоростей приобретает нормальный вид, соответствующий равномерному движению воды. Длина стабилизирующего прямолинейного участка составляет от 10 до 30d, где d - диаметр трубы.

При близком расположении местных сопротивлений друг от друга принцип наложения потерь напора даёт ошибочные результаты, и потери напора следует определять экспериментально.

Для установленных изысканиями исходных данных (расход, уклон дна подмостового русла, форма поперечного сечения подмостового русла и его длина), определяют - подпор воды перед сооружением H₀ и скоростной режим как для водослива с широким порогом с учетом изложенных выше особенностей.

Чаще для исследуемых условий получаем, что нормальная глубина воды в сооружении h₀ < h_кр.

Согласно [11 с. 205] движение воды через безнапорные трубы является частным случаем водослива с широким порогом, при высоте порога водослива, равной нулю. То есть, по характеру работы при безнапорном режиме сооружение с МГК арочный мост-труба можно рассматривать как водослив с широким порогом (при высоте порога равном 0 м) с внезапным сужением и расширением русла перед ним и после него, то есть в условиях неравномерного течения потока. При этом необходимо также учесть подпор перед сооружением, который создается за счет наличия арочного свода у подмостового русла.

При движении воды под мостом [16, с. 194] его подмостовое русло может быть незатопленным (неподтопленным) или затопленным (подтопленным). Для подмостового русла незатопление будет иметь место, когда h_нб/H₀ < N, где N - критерий подтопления, зависящий от коэффициента расхода m водослива с широким порогом. Когда сжатое сечение затоплено, пропускная способность трубы снижается. Затопление сжатого сечения может быть вызвано влиянием сопротивления по длине трубы при относительно большой ее длине и малом уклоне, повышенной шероховатостью или затоплением нижнего бьефа.

При i_{с <} i_к с некоторым приближением водопропускной тракт можно считать «коротким» в отношении гидравлической работы при соблюдении критерия относительной длины l_c/D 20, где i_c, l_c, D - соответственно, уклон, длина и диаметр сооружения.

Согласно п.Е.1.10 [8] при безнапорном режиме некоторое увеличение расхода, поступающего к МГК, незначительно увеличивает глубину потока перед ним: подпор в образующемся перед равнинным сооружением прудке. Это преимущество МГК является очень существенным при их эксплуатации.

Согласно [3, П.3.1] для водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур (МГК) среднее значение коэффициента шероховатости n = 0,025…0,03, а при наличии гофров больших размеров (более 152,4ґ 50,8 мм) или наносов в лотковой части трубы коэффициент шероховатости может достигать 0,04.

Для детального обоснования предлагаемой методики необходимо проведение лабораторных и натурных исследований для уточнения граничных условий и расчетных параметров.

Библиографический список

1. Справочник по гидравлическим расчетам. /Под ред. П.Г. Киселёва. - М.: Энергия, 1972. Изд. 4-е, перераб. и доп. 312 с.

2. Артамонов Е.А., Волченков Г.Я., Клейнер Р.С. и др. Водопропускные трубы под насыпями /Под ред. О.А. Янковского. - М.: Транспорт, 1982. 232 с.

3. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений. ЦНИИС. - М.: Транспорт, 1992. 408 с.

4. СНиП 2.05.03-84*. Строительные нормы и правила. Мосты и трубы. - М., 1996. www.stroyplan.ru/docs.php? showitem=1955.

5. Пособие к СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы» по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (ПМП-91). - М., 1992. www.complexdoc.ru.

6. Руководство по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений и русел. 3-е изд. исп. и перераб. - М.: Транпорт, 1967.

7. ОДМ 218.2.001-2009 «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон)» (далее - ОДМ 218.2.001-2009). Взамен «Инструкция по проектированию и постройке металлических гофрированных водопропускных труб. ВСН 176-68. Минтрансстрой СССР. МПС СССР». - М., 2001.

8. Методические рекомендации по гидравлическому расчету металлических гофрированных труб. - М.: ВНИИ Транспортного строительства, 1979.

9. Комов В.А. Гидравлика. Издание 2-е, перераб. и доп. - М.-Л.: Гос. Изд-во сельскохозяйственной литературы, 1955.

10. Ухин В.В., Мельников Ю.Ф. Инженерная гидравлика. /Под ред. Б.В. Ухина. - М.: АСВ, 2007.

11. Алтунин В.И. Гидравлический расчет дорожных водопропускных труб. Учебно-методическое пособие. - М.: ГТУ, 2006.

12. Калицун В.И., Кедров В.С., Ласков Ю.М. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учебное пособие для вузов. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: ОАО Изд-во «Стройиздат», 2004. 397 с.

13. Ильина Т.Н. Основы гидравлического расчета инженерных сетей. Учебное пособие. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2005. 192 с.

14. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Учебник для вузов. 4-е изд., доп. и перераб. - Л.: Энергоиздат. Ленинград. отд-ние, 1982. 672 с.

Размещено на Allbest.ru