5.4. Определение отверстий и выбор типа малых водопропускных сооружений

Отверстия малых водопропускных сооружений подбирают по графикам их водопропускной способности (см. рис. 5.13—5.20; 5.22). Принятое от­верстие должно обеспечивать сохранность водопропускных сооружений и подходных насыпей при расчетном и наибольшем расходах воды.

Обеспечение сохранности труб. Для сохранности трубы необходимо при расчетном расходе воды обеспечить указанное в Строительно-технических нормах (см. п. 5.3) наименьшее возвышение высшей точки внутренней по­верхности трубы над уровнем потока на входе в трубу. Для этого отверстие трубы подбирают по графикам на рис. 5.13—5.16 таким образом, чтобы точка пересечения кривой водопропускной способности данной трубы и абсциссы, соответствующей значению расчетного расхода, находилась в зоне расчетных расходов, ограниченной на графиках линией со штрихов­кой вниз.

Необходимо также обеспечить минимальную толщину засыпки над тру­бой (от поверхности трубы до подошвы рельса), которая для бетонных и железобетонных труб составляет 1 м, а для металлических — 1,2 м (толщи­ну засыпки над железобетонными трубами, расположенными в пределах станций, допускается принимать не менее 0,5 м). Это требование опреде­ляет минимальную высоту насыпи для размещения труб (табл. 5.2) в зави­симости от высоты трубы в свету, толщины звена или плиты перекрытия, а также конструкции верхнего строения пути (высоты шпалы и толщины балласта под шпалой) [30].

Таблица 5.2

Минимальная высота насыпи для размещения труб по конструктивным условиям, м

Тип	Отверстие трубы, м
трубы	1,0	1,25	1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 4,0 | 5,0	| 6,0
Железо­бетонная Метал­	1,18/1,42	1,45/1.69	Круглые трубы 1,72/1,96 2,24/2,48 - 1,83/2,07 2,33/2,57 - 3,33/3,57	-
лическая гофриро­ванная			Прямоугольные трубы
Железо­бетонная Бетонная	2,19/2,43	2.21/2,45	2,73/2,97 2,75/2,99 2,78/3,02 2,87/3,11 2,88/3,12 2.78/3.02 2.83/3,07 - 2,90/3,14
высотой 2 м

Тоже, - 3,81/4,05 - 3,90/4,14 3,96/4,20 4,04/4,28 4,11/4,35

высотой 3 м

Примечание В числителе - при железобетонных шпалах и толщине балласта под шпалой 0,55 м, в знаменателе — при деревянных шпалах и толщине балласта 0,35 м

В проектах типовых труб указывается также наибольшая высота насыпи, под которой они могут размещаться с обеспечением их сохранности. При естественных нескальных основаниях для круглых железобетонных труб диаметром 1 м эта высота равна 6 м; для этих же труб большего диаметра и всех других железобетонных и бетонных труб - 19 м; при скальных и свайных основаниях — соответственно 5,5 и 16—18 м в зависимости от от­верстия трубы. Предельная высота насыпи для размещения металлических гофрированных труб:

Отверстие трубы, м 1,5 2,0 3,0

Предельная высота насыпи, м 7,4 4,5 4,7

Обеспечение сохранности мостов. Гидравлическая сохранность мостов обеспечивается в том случае, если русло под мостом не размывается. Для этого в соответствии со скоростью воды при пропуске расчетного расхода, которая зависит от глубины напора, принимают тип укрепления подмосто­вого русла. При пропуске наибольшего расхода скорость течения воды возрастает. Чтобы предотвратить чрезмерный размыв русла, не допускается увеличение этой скорости более чем на 20 % по сравнению с принятой при пропуске расчетного расхода. Если это условие не соблюдено, то сле­дует увеличить отверстие моста.

Сохранность пролетного строения и других элементов моста (например, подферменных площадок), достигается соответствующим расположением их над уровнем воды при входе потока под мост. С учетом этого проектная отметка по оси моста (отметка в уровне бровки земляного полотна) Нь_Р (рис. 5.23) должна удовлетворять условию:

//_6р> Н, + h„ + т + с- d, (5.1)

где Н„ — отметка лога при входе в сооружение; й_вх — глубина потока при входе под мост, которую приближенно принимают по значению напора, й_вх = (0,75^0,85) Н\ т - возвышение низа проверяемого элемента над уровнем воды при входе потока под мост; с - расстояние от низа проверяемого элемента до подошвы рельса, d — расстояние от подошвы рельса до бровки земляного полотна.

w ж м /// № W/ у// /// /// }///////?,

Рис. 5.23. К проверке сохранности элементов моста

Сохранность элементов моста определяется при пропуске расчетного расхода, когда глубина потока на входе под мост равна h_m, и при пропуске наибольшего расхода, когда глубина потока h^ (см. рис. 5.23). Например, возвышение низа пролетных строений мостов над уровнем потока на входе под мост согласно нормам должно быть при пропуске расчетного расхода т = 0,5 м (когда глубина подпертой воды не более 1 м) и т = 0,75 м (когда глубина подпертой воды более 1 м), а при пропуске наибольшего расхода т' = 0,25 м независимо от глубины подпертой воды.

Строительная высота пролетных строений с — расстояние от низа кон­струкции до подошвы рельса. У железобетонных мостов значение с, м, за­висит от конструкции пролетных строений и их длины /,м:

/ 6,0 9,3 11,5 13,5 16,5 18,7 23,6 27,6 34,2

с 0,95 1,40/1,10 1,55/1,20 1,70/1,30 1,90/1,50 2,05 2,35 2,75 2,94

(в числителе — для ребристых пролетных строений; в знаменателе — для пролетных строений в виде пустотных плит)

Предотвращение затопления земляного полотна. Для предохранения на­сыпи на подходах к водопропускному сооружению от затопления бровка земляного полотна должна возвышаться над уровнем подпертой воды при пропуске наибольшего расхода не менее чем на 0,5 м, т.е. проектная от­метка насыпи #_6р в пределах разлива воды должна удовлетворять условию

Я_6р> Н_л + Н' + 0,5, (5.2)

где Н' — напор при пропуске наибольшего расхода.

Выбор типа водопропускных сооружений. На выбор типа и размера водо­пропускного сооружения влияют следующие факторы: расход притока во­ды с водосбора; высота насыпи в месте размещения водопропускного со­оружения; инженерно-геологические условия; возможность применения индустриальных методов возведения сооружений; целесообразность уменьшения числа типов и размеров сооружений на проектируемой дороге.

В зависимости от высоты насыпи й_н (см. рис. 5.21) можно принять сле­дующие типы водопропускных сооружений:

Л_н < 1,25 м - между шпалами устанавливают лотки с очень небольшой водопропускной способностью;

1,25 < И„ < 2 м — круглые железобетонные трубы диаметром 1; 1,25 и 1,5 м и металлические гофрированные трубы диаметром 1,5 м;

2 < h„ < 3 м — круглые трубы диаметром до 2 м и прямоугольные желе­зобетонные трубы отверстием до 2,5 м, а также бетонные трубы отверстием до 2 м и высотой 2 м;

h_H > 3 м — прямоугольные железобетонные и бетонные трубы высотой 2 м всех отверстий.

Для размещения бетонных труб высотой 3 м насыпь должна быть не ниже 4—4,35 м (см. табл. 5.2).

При высоте насыпи 2 м и более можно также сооружать сборные желе­зобетонные мосты эстакадного типа.

Если высота насыпи недостаточна для размещения водопропускного со­оружения, то можно принять одно из следующих решений:

сместить трассу в плане в низовую сторону по косогору, для того чтобы пересечь лог на более низких отметках и тем самым увеличить высоту на­сыпи; такие решения наиболее вероятны на участках напряженного хода (рис. 5.24);

поднять проектную линию продольного профиля при неизменном пла­не трассы, что наиболее просто на участках вольного хода, если это не приводит к значительному увеличению объема земляных работ (рис. 5.25);

взамен одноочковой использовать двух- или трехочковую трубу при меньшем отверстии каждого очка и соответственно меньшей высоте трубы;

увеличить число пролетов моста, а следовательно, и отверстие. При этом снизится скорость течения воды под мостом, уменьшатся напор и, соответственно, требуемая высота насыпи;

Рис. 5.24. Увеличение высоты на­сыпи изменением плана трассы:

а — план трассы; 6 — продольный профиль трассы /; в — то же трассы 2

углубить русло с соответствующим понижением отметок лотка и уровня подпертой воды (рис. 5.26).

Рис. 5.25. Примеры увеличения высоты насыпи изменением продольного профиля железной дороги

Если позволяют высота насыпи и расход притока воды с водосборов, то целесообразно укладывать сборные железобетонные трубы, так как их можно изготовить индустриально. Существенные достоинства имеют ме­таллические гофрированные трубы (небольшая масса, транспортабельны, дешевы). На электрифицируемых линиях, а также на участках железных дорог, расположенных в пределах городских и промышленных районов, укладка металлических труб допускается только при устройстве дополни­тельной (кроме оцинковки) защиты от коррозии, вызываемой блуждаю­щими токами.

При длине трубы 20 м и более отверстие ее должно быть не менее 1,25 м, а в районах со средней температурой воздуха наиболее холодной пятидневки ниже —40 °С отверстие труб следует принимать не менее 1,5 м независимо от длины трубы. При наличии на водотоках ледохода и карче- хода, а также в местах возможного образования наледей и возникновения селей устанавливать трубы, как правило, нельзя. В виде исключения, в местах возможного образования наледей может быть допущено примене­ние прямоугольных бетонных труб отверстием не менее 3 м в комплексе с постоянными противоналедными сооружениями.

На заболоченных участках при насыпях высотой до 8 м эффективны свайно-эстакадные мосты, так как они менее подвержены деформациям и не требуют рытья котлованов. Независимо от инженерно-геологических условий мосты этого типа рациональны по экономическим показателям и при относительно больших расходах притока, которые не могут быть про­пущены сборными железобетонными и металлическими трубами. Такие мосты сооружают также при небольших насыпях, когда невозможно раз­местить трубы необходимых размеров.

В насыпях высотой более 8 м эффективнее сооружать водопропускные трубы. Лишь при расходах, которые не могут быть пропущены двухочко- выми трубами даже самых больших отверстий, возводят железобетонные мосты.

При индустриальном изготовлении необходимо уменьшать число типо­размеров сооружений. Для этого они должны быть не только однотипны­ми, но, по возможности, иметь одинаковые отверстия.

Для сокращения числа переездов и переходов в одном уровне целесооб­разно увеличивать отверстия мостов и труб, обеспечивая соответствующие габаритные размеры для использования этих сооружений в качестве пеше­ходных переходов, скотопрогонов и пропуска автомобильного транспорта и сельскохозяйственных машин. При этом для прохода пешеходов сооруже­ния должны иметь габаритные размеры не менее: ширину — 3,0/2,25 м (в числителе — тоннели, в знаменателе — пешеходные мосты), высоту — 2,3 м; для прогона скота — соответственно 8,0 и 3,0 м; для полевых дорог — 8,0 и 4,5 м [16].

Пример 1. Требуется выбрать тип и отверстие водопропускного сооружения при следующих исходных данных: расчетный расход воды с водосбора Q,% = 11, 1 м³/с; наибольший расход Q_{0 33 %} =15,4 м³/с. Отметки: лога Я, = 202,50 м, проектной ли­нии по оси водотока Я_Г)р = 205,10 м. Высота насыпи по оси водотока равна 205,10 — 202,50 = 2,60 м. Путь уложен на деревянных шпалах при толщине балла­ста под шпалой 0,45 м. Расстояние по высоте от подошвы рельса до уровня бровки земляного полотна d = 0,80 м.

По графику (см. рис. 5.13) подбираем круглую железобетонную трубу. Однооч- ковая труба непригодна, так как при отверстии 2 м она пропускает расчетный рас­ход не более 7,8 м³/с. Поэтому выбираем двухочковую трубу отверстием 2x2 м, ко­торая пропускает расчетный расход 11,1 м³/'с при напоре Н = 1,65 м, а наибольший расход 15,4 м³/с при напоре Я' = 2,05 м. Высота насыпи 2,60 м позволяет по кон­структивным условиям разместить трубу диаметром 2 м (см. табл. 5.2).

Проверяем незатопляемость земляного полотна по условию (5.2): 205,10 > 202,50 + 2,05 + 0,50. Условие выполняется, следовательно, круглая двух- очковая железобетонная труба отверстием 2x2 м может быть размещена на данном водотоке.

Рассмотрим возможность применения в данных условиях металлической гофри­рованной трубы. Одноочковая труба диаметром 3 м пропускает расчетный расход (см. рис. 5.14), но не может быть размещена по конструктивным условиям (см. табл. 5.2). Двухочковая труба диаметром 2 м не может пропустить расчетный расход 11,1 м³/с с обеспечением необходимого расстояния между уровнем воды при входе в трубу и высшей точкой внутренней поверхности трубы (точка пересечения кривой водопропускной способности трубы данного отверстия на рис. 5.14 и абс­циссы, соответствующей расчетному расходу на шкале двухочковых труб, находится вне зоны расчетных расходов). Необходимую водопропускную способность имеет трехочковая металлическая труба отверстием 3x2 м, которая может пропустить рас­четный расход 11,1 м³/с при напоре Я =1,40 м, а наибольший расход 15,4 м³/с - при Я' = 1,70 м. Высота насыпи 2,60 м достаточна для размещения металлической трубы данного диаметра (см. табл. 5.2). Проверка незатопляемости земляного по­лотна удовлетворяет поставленному условию (5.2), а именно: 205,10 > 202,50 + + 1,70 +0,50.

Вопрос о целесообразности выбора двухочковой железобетонной или трехочко- вой металлической трубы указанных выше отверстий может быть решен на основе технико-экономических соображений с учетом практики использования металличе­ских гофрированных труб в железнодорожном строительстве.

Пример 2. Требуется подобрать тип и отверстие водопропускного сооружения при Q, <5 =30,8 м³/с; (?₀,зз«с ⁼ 39,1 м³/с. Остальные исходные данные те же, что и в примере 1.

Использовать круглые трубы не удается, так как даже трехочковые трубы про­пускают расчетный расход не более 23 м³/с (железобетонная отверстием 3x2 м) и 16 м³/с (металлическая отверстием 3x2 м; принять трехочковую металлическую тру­бу отверстием 3x3 м нельзя, поскольку не позволяет высота насыпи 2,60 м). Учи­тывая относительно большие расходы водотока и сравнительно малую высоту на­сыпи, по графику эстакадных мостов (см. рис. 5.17, б) определяем, что расчетный расход 30,8 м³/с и наибольший расход 39,1 м³/с могут быть пропущены трехпролет- ным мостом 3x6 м при напоре Я = 1,45 м и Я' = 1.70 м. Принять двухпролетный мост 2x6 м нельзя, поскольку при этом Я' = 2,37 м, что недопустимо при насыпи высотой 2,60 м.

Проверяем достаточность возвышения пролетных строений моста над уровнем воды по условию (5.1). Глубину воды при входе под мост определяем по напору: А_вх = (0,75+0,85) Я. При пропуске расчетного расхода й_вх = 0,8 Я = 1,16 м, а при наибольшем расходе h'_B% =0,8 Я' = 1,36 м. Строительная высота пролетного строения длиной 6 м равна 0,95 м. Условие (5.1) при этих данных выполняется как при расчетном расходе: 205,10 > 202,50 + 1,16 + 0,75 + 0,95 - 0,80, так и при наи­большем расходе: 205,10 > 202,50 + 1,36 + 0,25 + 0,95 - 0,80. Проверка незатоп­ляемости земляного полотна удовлетворяет условию (5.2).

При подборе отверстия данного моста использован график водопропускной способности мостов при насыпи высотой 3 м. Поскольку фактическая высота на­сыпи равна 2,6 м, принятые в расчете значения напора Я и Я' несколько завыше­ны, что обеспечило некоторый запас при проверке условий (5.1) и (5.2). При необ­ходимости уточнения расчетов следовало определить значения напора при насыпи высотой 2 м (см. рис. 5.17, а): Н= 1,25 м, Н' = 1,47 м и найти напор при фактиче­ской высоте насыпи 2,6 м путем интерполяции.

Следовательно, на данном водотоке можно разместить трехпролетный эстакад­ный мост 3x6 м. Однако при такой значительной длине моста целесообразно про­должить поиски других приемлемых решений.

Рассмотрим возможность размещения прямоугольной железобетонной трубы. Чтобы уменьшить напор, принимаем двухочковую трубу отверстием 2x4 м; при пропуске расчетного расхода 30,8 м³/с напор Н = 1,8 м, а при наибольшем расходе 39,1 м³/с напор Н' = 2,1 м (см. рис. 5.15).

Отметка проектной линии по оси водотока удовлетворяет условию (5.2). По конструктивным условиям наименьшая высота насыпи для размещения прямо­угольной железобетонной трубы отверстием 4 м должна быть 3 м (см. табл. 5.2), что на 0,4 м превышает действительную высоту насыпи. Следовательно, двухочко­вую железобетонную прямоугольную трубу отверстием 2x4 м можно разместить на данном водотоке, если осуществить одно из следующих мероприятий: поднять про­ектную линию профиля на 0,4 м; сместить трассу вниз по косогору; углубить русло водотока на 0,4 м. Технико-экономическое сравнение вариантов позволит устано­вить, какое из двух возможных решений - эстакадный мост длиной 3x6 м или тру­ба 2x4 м с учетом проведения указанных мероприятий - наиболее эффективно.

Пример 3. Требуется выбрать тип и отверстие сооружения при высоте насыпи по оси водотока 9 м и расходах Q_l% = 59,1 м³/с и £?о,зз% ⁼ 82,2 м³/с.

Указанный расчетный расход воды не могут пропустить железобетонные трубы. Металлические трубы также не применимы, так как не пропускают указанные рас­ходы и, кроме того, не могут быть использованы при насыпи высотой 9 м. Поэтому рассмотрим прямоугольную бетонную трубу. В случае выбора одноочковой трубы наибольшего отверстия 6 м (см. рис. 5.16) при пропуске расчетного расхода 59,1 м³/с напор Н = 3,3 м, но при пропуске наибольшего расхода 82,2 м³/с напор Н' > 4 м, что недопустимо из-за большой скорости воды на выходе из трубы, вследствие чего может произойти размыв укрепления выходного русла. Поэтому принимаем бетонную трубу отверстием 2x4 м, при которой напор Н = 2,8 м и Н' — = 3,4 м, что обеспечивает выполнение условия (5.2). По конструктивным условиям (см. табл. 5.2) высота насыпи 9 м также позволяет разместить бетонную трубу от­верстием 4 м.

В данном примере можно рассмотреть вариант применения железобетонного моста с обсыпными устоями (см. рис. 5.21). По условиям пропуска наибольшего расхода 82,2 м³/с может быть принят мост, при котором ширина русла по дну Ь_ш = 6 м (см. рис. 5.22). В этом случае напор Н' = 3,8 м, что удовлетворяет усло­вию (5.2). Как следует из рис. 5.21, при значении Ь_пн = 6 м и высоте насыпи h„ = = 9 м полная длина моста L = Ь_1И+ 2 х 1,5 h„ + 2 = 6+ 2 х 1,5-9 + 2 =35 м.

В приведенных примерах отверстия водопропускных сооружений под­бирались из условия пропуска всего расхода воды, притекающей с водо­сбора. При преобладающем стоке дождевых паводков (исключая районы с продолжительными ливнями — Приморье, Дальний Восток, Черноморское побережье Кавказа) отверстия мостов и труб можно определять с учетом аккумуляции воды перед водопропускным сооружением. Аккумуляцию при преобладающем стоке весеннего половодья можно допускать только в том случае, если нет снежных заносов перед сооружениями.

Если на данном водотоке разместить сооружение, водопропускная спо­собность которого меньше расхода воды, притекающей с водосбора, то пе­ред сооружением образуется водоем. Задача заключается в подборе такого отверстия водопропускного сооружения, при котором уровень воды в во­доеме не будет превышать наибольшего допустимого уровня напора перед сооружением. Не всегда наименьшее допустимое отверстие обеспечивает наивыгоднейшее решение, так как при этом возрастают напор и скорость воды в сооружении. Это увеличивает затраты на укрепление русла и откоса насыпи. Кроме того, затопление больших территорий перед водопропуск­ным сооружением может привести к нежелательному нарушению сложив­шихся природных систем (изменению уровня грунтовых вод, режима функционирования нерестилищ и др.).

Наивыгоднейшее отверстие должно выбираться с учетом стоимости во­допропускного сооружения и затрат на эксплуатацию моста (трубы) и на­сыпи на подходах, а также с учетом экологических требований. Во всех случаях расход, пропускаемый сооружением, должен быть не меньше 1/3 расхода воды, притекающей с водосбора. г

Отверстия мостов и труб с учетом аккумуляции воды перед сооружени­ем подбирают обычно графоаналитическим методом с использованием графиков водопропускной способности сооружений (см. рис 5.13—5.20, 5.22). В Пособии по гидравлическим расчетам малых водопропускных со­оружений [46] приведен приближенный метод расчета, который упрощает решение задачи.