Особенности использования металлических гофрированных водопропускных устройств в мелиорации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ УСТРОЙСТВ В МЕЛИОРАЦИИ

Р.И. Карпенко, О.Н. Черных канд. техн. наук

В.И. Алтунин канд. техн. наук

Аннотация

трубчатый гофросистема мелиорация металлический

Рассматриваются основные проблемы, возникающие при проектировании, строительстве и оценке гидравлической работы водопропускных сооружений из гофрированных металлических структур. Дан анализ отечественного и зарубежного опыта применения трубчатых гофросистем.

Annotation

In this article are described main problems, detected during projecting, building and valuation of hydraulic investigation of corrugated metal pipes. Are investigated foreign and Russian experiments held with CMP.

Основная часть

Металлические гофрированные структуры (МГС) (трубы, лотки, арки) - это гибкие многолистовые конструкции замкнутого либо не замкнутого (часто арочного) типа, собираемые из отдельных элементов (листов) заданного радиуса кривизны внахлёст и соединённых болтами (рис.1). Конструкции водопропускных сооружений из МГС работают совместно с окружающим грунтом засыпки и составляют единую систему «труба - грунтовая обойма». Экономичность такой системы обеспечивается использованием в качестве строительных материалов местного грунта, который уплотняется и армируется геотекстилем или объёмными георешётками, а также применением для подземных большепролётных сооружений сборных МГС.

Рис. 1 Общий вид гофролиста и очертание гофра 152,4х50,8 мм: а - конструкция листа; б - форма и размеры волны

Использование МГС в строительстве насчитывает более 130 лет. Первые водопропускные гофрированные трубы появились в России в 1875 г. К 1888 г. на Закаспийской железной дороге было уложено 1800 погонных метров оцинкованных водопропускных труб (несколько десятков объектов). До 1914 г. на железнодорожных и автомобильных дорогах юга и центра России было построено уже около 65000 м металлических гофрированных трубчатых переходов - более 5000 объектов. Большая часть их находится в эксплуатации и сейчас. За рубежом такие трубы были впервые построены в 1896 г. в США. МГС наиболее интенсивно стали применяться в последние годы в Канаде и США при строительстве транспортных и пешеходных тоннелей, водопропускных труб, переходов, дренажей и др.

В настоящее время МГС в виде труб находят всё более широкое применение в транспортном, ландшафтном, водохозяйственном, городском и гидромелиоративном строительстве [2]. Если до 1917 г. гофротрубы применялись в основном диаметром 0,53 и 1,07 м, то в последние годы всё чаще стали применять гофрированные круглые трубы довольно большого диаметра (1…3 м и более) при решении различных водохозяйственных задач, возникающих при разработке проектов транспортных переходов на водотоках разного типа.

По сравнению с бетонными трубы из МГС обладают целым рядом преимуществ. Отметим некоторые из них:

оптимальное соотношение веса и несущей способности;

экологическая чистота строительства водопропускных сооружений;

высокая технологичность и скорость монтажа сооружений (монтаж трубы диаметром 6 м и длиной 100 м длится в среднем не более 3 недель, а небольшие трубы монтируются за 1…5 дней);

повышенная сейсмостойкость и сопротивление разрушению;

высокая приспособленность к значительному изменению температурных и грунтовых условий;

долговечность (средний срок службы 70…75 лет);

невысокие транспортные расходы и высокая транспортабельность (гофролисты транспортируются в пакетах весом 1…5 т. В железнодорожный вагон загружается около 350 погонных метров трубы диаметром 1,5 м, а в автомобиль - до 100 м. Разгрузка может производиться вручную, так как вес одного листа составляет примерно 60…100 кг);

снижение совокупных затрат на 30…60%;

простота и надёжность соединений труб небольшого размера посредством муфт без раструбов;

улучшенные показатели стойкости к удару.

Рис. 2 Основные формы сечений гофрированных труб: а - круглое; б - высокопрофильная арка; в - пониженное; г - арочное; д - эллипсоидное; е - полицентрическое

Благодаря отмеченным выше преимуществам в России распоряжением Министерством транспорта РФ ОС-542-р от 17.06.2002 г. рекомендовано применение гофротруб при строительстве и реконструкции дорог различного назначения, в том числе на территории Сибири и Дальнего Востока, со следующими параметрами:

форма сечения: круговая, арочная, эллипсоидная, полицентрическая, коробчатая, овоидальная (см. рис. 2);

диаметр труб: от 1,3 м до 12,5 м;

гофр с параметрами

толщина стенок: 2,7…7 мм;

длина изогнутых гофрированных листов: 0,9…2,6 м;

тип антикоррозийного покрытия: грунт, краска, горячее цинкование толщиной 100 микрон;

комплектование высококачественными оцинкованными метизами.

В рыбохозяйственной гидротехнике гофрированные трубы круглого сечения используют диаметром 1…7 м. Например, во время ремонта мостового перехода через р. Вельга (в которой отмечены миграционные пути европейского хариуса, занесённого в Красную книгу Московской области) было решено вместо существующего трёхпролётного железобетонного моста построить металлическую гофрированную трубу эллиптического сечения размером 5х3 м и длиной 35 м [4]. При строительстве перепускного коллектора и пригруза для проходки тоннелей под руслом реки Большая Гнилуша, на трассе автодорожных тоннелей глубокого заложения Краснопресненской автомагистрали под Серебряным Бором в Москве, использовались МГС в виде трубы диаметром 3,52 м. При реконструкции каскада из двух столичных прудов в Аршиновском парке трубчатый водосброс, расположенный в центральной части тела грунтовой плотины, был выполнен из МГС диаметром 3,0 м (рис. 3).

Рис. 3 Вид с верхнего бьефа на входной оголовок водосброса Аршиновского пруда в период строительства (г. Москва, 2005 г.)

До 2010 г. РосдорНИИ прогнозирует изготовление и массовую поставку отечественной промышленностью конструктивных элементов для водопропускных труб высотой или с диаметром отверстий до 8…16 м. Для внедрения таких труб необходимы разработки отечественных норм и правил проектирования и строительства водопропускных сооружений из гофрированных металлических структур и элементов, причём работающих как в равнинных, так и в косогорных условиях. Актуальность этой проблемы подтверждает и новая редакция «Методических рекомендаций по проектированию и строительству водопропускных сооружений из МГС», разработанная ОАО ЦНИИС. Где особо оговорено, что для «…водопропускных сооружений из МГС с большими отверстиями (диаметром более 3 м), представляющих технические системы, взаимодействующие со сложными природными процессами, расчёт, конструирование, проектирование и строительство всего процесса при выборе их параметров должны выполняться при научном сопровождении».

В отечественной гидротехнической практике в соответствии с нормативной литературой водопропускные трубы допускается проектировать на пропуск расчётного расхода при полунапорном и напорном режимах. Однако обеспечить гарантированную «зарядку» гладкостенной бетонной трубы и её устойчивую работу в напорном режиме весьма сложно. Кроме того, требуется устройство специальных конструктивных элементов: входных оголовков специальной конструкции с устройствами, препятствующими формированию вихревых воронок над ними, противофильтрационных экранов, герметизации стыковых соединений, прочных фундаментов и надёжного крепления русла в районе входных и выходных оголовков сооружения. Поэтому для гладкостенных труб данная рекомендация практически нереализуема.

В гофрированных трубах может устанавливаться четыре режима протекания воды [1, 6]:

безнапорный - на всём протяжении трубы водный поток имеет свободную поверхность;

полунапорный - труба на входе работает полным сечением, а на всём остальном протяжении её поток имеет свободную поверхность;

напорный - на большей части длины труба работает полным сечением и на остальной части имеет свободную поверхность;

частично напорный - труба на участке, примыкающем к входу, работает полным сечением, а на остальной части имеет свободную поверхность.

В [3] указано, что металлические гофрированные трубы должны рассчитываться исходя из безнапорного режима работы при расходах паводка для автомагистралей и подъездных дорог промышленных и сельскохозяйственных предприятий, не допускающих перерыва движения по условиям технологии производства, 1%-й обеспеченности, для крупных автомагистралей - до 0,33%. Для городских улиц, подъездных путей, автодорог II и III категории и железных дорог III и IV категорий - 2%. Хотя известно, что гофрированные водопропускные трубы при небольших уклонах (до 0,03) легко «заряжаются» и устойчиво работают в напорном режиме с обычными типами входных оголовков [1].

За рубежом (например, в США) гофрированные водопропускные трубы проектируются на пропуск расчетного расхода 1%-й обеспеченности в напорном режиме [5]. В нашей стране в настоящее время подход несколько иной. Металлические гофрированные трубы проектируют только на работу в безнапорном режиме. Это обосновывается тем, что данный тип водопропускных труб имеет большое количество стыковых соединений, поэтому сложно обеспечить их герметичность. Такой подход вряд ли можно считать оправданным, учитывая более чем столетний положительный опыт строительства и эксплуатации гофрированных труб в США. Можно отметить, что даже при назначении в качестве расчетного безнапорного режима гофрированные водопропускные трубы имеют преимущества по сравнению с гладкостенными трубами за счет небольшого снижения скоростей на выходе и увеличения пропускной способности. Последнее обусловливается тем, что гофр обеспечивает более благоприятные условия входа потока в трубу. Кроме того, шероховатость гофрированных труб значительно больше, чем гладких бетонных труб. Её величина зависит от размеров гофров и может составлять примерно 0,025…0,04. Повышенная шероховатость приводит к увеличению критического уклона гофрированных труб по сравнению с гладкими (до 0,02…0,03). Чтобы сопротивления по длине водопропускной трубы не снижали её пропускную способность при безнапорном режиме, и она гарантированно работала по типу «короткой», трубу укладывают с критическим уклоном. Гофрированные трубы допускается укладывать с уклоном 0,01, который меньше критического [3]. Как показали экспериментальные исследования, заметного уменьшения пропускной способности гофрированной трубы при этом не происходит [1].

Помимо стандартного гофра за рубежом используются гофрированные трубы со спиральным гофром. В нашей стране, такие трубы пока не нашли применение. Гидравлические сопротивления у них существенно меньше, чем у труб со стандартным гофром. Кроме того, эти трубы состоят не из отдельных элементов, а из секций, то есть целиковые, поэтому фильтрационные потери в таких трубах примерно такие же, как у гладких металлических и бетонных труб. Представляется целесообразным использовать эти более экономичные трубы в нашей стране после проведения комплексных гидравлических исследований.

Предельный уклон дна дорожных водопропускных труб (около 5%) принимается из условия исключения заиления лотка трубы. При этом отметки продольного профиля трубы остаются на таком же уровне, что и отметки бытового русла в пределах входного оголовка (труба не заглубляется ниже дна). Этим обеспечивается стабильность течения воды в водотоке через водопропускную трубу до выходного оголовка и далее. Такой режим характерен для так называемых равнинных труб и особенно важен в водопропускных сооружениях на рыбохозяйственных объектах. В нерестовых водотоках для снижения влияния фактора изменения освещённости на мигрирующих производителей расстояние над водной поверхностью до шелыги трубы должно быть не менее 1 м. В гофрированных трубах необходимо предусматривать способы устранения возможного образования местных завихрений течения и взмучивания потока. При этом скоростная структура потока по длине трубы должна быть близка к скорости потока в нерестовом водотоке. В таких условиях конструктивные параметры металлических труб из МГС назначаются в зависимости от конкретных условий, типа нерестового водотока, видового состава рыб в малом водотоке и ширины дорожного покрытия.

Водопропускные трубы, располагающиеся на участках с холмистым и предгорным рельефом на мелиоративных объектах, имеют большой уклон и их называют косогорными. Проектирование таких труб имеет свои особенности, поскольку поток перед ними находится в бурном состоянии. Однако использование гофрированных труб в качестве косогорных ограничено, поскольку их рекомендуется укладывать с уклонами не более 0,03…0,05. Ни за рубежом, ни в нашей стране до недавнего времени не проводилось комплексных исследований гофрированных водопропускных труб работающих по типу косогорных. Исследования входных участков таких труб, начатые в Саратовском ГТУ под руководством Л.И. Высоцкого, подтверждают факт работы безнапорной косогорной водопропускной трубы, входящей в комплекс сооружений быстроток - входной участок - косогорная безнапорная труба - выходной участок сооружения, как своеобразный участок быстротока. Поэтому им предлагается трактовать определение косогорной трубы как «длинная» или «короткая» совершенно иначе, нежели труб равнинного типа, работающих по схеме водослива с широким порогом [6]. В результате исследований к косогорным трубам рекомендовано применять ту же классификацию, что и к быстротокам. Учитывая возрастающий объём строительства косогорных труб и водоотводных лотков, целесообразно провести гидравлические исследования по оценке пропускной способности таких труб в широком диапазоне уклонов (0,02…0,25), форм поперечного сечения и размеров гофров.

Обычно, при строительстве в нижней части гофрированных труб разного назначения устраивается гладкий лоток. При этом уменьшается шероховатость. Это оказывает влияние на условия их гидравлической работы в различных режимах. Не смотря на достаточно большой мировой опыт строительства и эксплуатации гофрированных труб, до настоящего времени за рубежом изучалось влияние гладкого лотка только на величину коэффициента шероховатости и лишь с трубами круглого сечения. В нашей стране такие исследования не проводились. Все вышесказанное свидетельствует о необходимости проведения комплексных экспериментальных гидравлических исследований гофрированных водопропускных труб с гладкими лотками, в том числе с трубами не круглого поперечного сечения.

Библиографический список

1. Алтунин А.В., Алтунина А.В., Черных О.Н. Особенности гидравлической работы водопропускных переходов из металлических гофрированных структур.//Труды Первого Всероссийского дорожного конгресса. М.: МАДИ (ГТУ), 2009.

2. Черных О.Н., Алтунин В.И., Алтунина А.В., Аграновский А.М. Опыт применения гофрированных металлических устройств в водопропускных сооружениях различного назначения. //Вопросы мелиорации. М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоинформ», 2007. №3-4.

3. Методические рекомендации по применению металлических гофрированных труб. М.: Росавтодор, 2002.

4. Кондратьев В.Г., Козлов В.И. и др. Проектирование водопропускных переходов из гофрированных металлических структур на нерестовых водотоках. М.: ТрансИГЭМ, «Центр практической экологии - ЭКОТЕРРА», 2005.

5. Hydraulic design of Highway culverts. Hydraulic Design Series Number 5. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration. Publication No. FHWA-NHI-01-020, September 2001 (Revised May 2005).

6. Высоцкий Л.И., Изюмов Ю.А., Никонова В.Т. Итоги исследования входных участков гофрированных труб.//Совершенствование методов гидравлических расчётов водопропускных и очистных сооружений. Межвузовский научный сборник. Саратов: Саратовский ГТУ, 2006.

Размещено на Allbest.ru