Петрозаводский государственный университет Кафедра Промышленного транспорта и геодезии Курс " Изыскание и проектирование автомобильных дорог " «Проектирование малых водопропускных сооружений и дорожного водоотвода» Пояснительная записка к курсовому проекту Выполнил - студент гр. Проверил –. Петрозаводск 2006 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 2 1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ………………………………………………………. 3 2.СИСТЕМА ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА………………………………… 3 3.ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ…………………………………………… 4 3.1.Определение водосборной площади………………………………………. 4 3.2.Расчет ливневого стока……………………………………………….. ……. 4 3.3Определение расхода воды от талых вод…………………………………… 5 3.4.Определение расхода с учётом аккумуляции стока……………………….. 6 3.5Гидрологический расчет трубы……………………………………………… 7 3.6Гидрологический расчет канав……………………………………………… 8 3.7Гидрологический расчет малого моста……………………………………... 8 3.8.Гидрологический расчет лотков……………………………………………. 8 3.9.Гидрологический расчет фильтрующей насыпи……………………………8 4.ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ…………………………………………….. 9 4.1.Гидравлический расчет водопропускной трубы…………………………... 9 4.2.Гидравлический расчет водопропускной канавы………………………... 12 4.3.Гидравлический расчет малых мостов……………………………………. 13 4.4Гидравлический расчет лотков…………………………………………….. 15 4.5Гидравлический расчет фильтрующей насыпи…………………………… 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………… 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………... 17 1 ВВЕДЕНИЕ. Вода, проникая в земляное полотно дороги, размягчает грунт, сильно снижая способность земляного полотна воспринимать нагрузки. На рис. 1 показаны источники увлажнения земляного полотна. Для ограждения земляного полотна от разрушительного действия поверхностной воды или от капиллярного поднятия грунтовой воды устраивают водоотводные сооружения. Совокупность сооружений для сбора, задержания, отвода воды от земляного полотна и пропуска ее через полотно составляет систему дорожного водоотвода. В данном курсовом проекте осуществлено проектирование дорожного водоотвода участка дороги III категории. 2 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Необходимые данные для проектирования дорожного водоотвода взяты из предыдущего курсового проекта по курсу «Изыскания и проектирование автомобильных дорог», СНиП 2.05.02 – 85 «Автомобильные дороги», СНиП 2.05.03 – 84 «Мосты и трубы», СНиП 2.01.14 -83 «Определение расчетных гидрологических характеристик». 2. СИСТЕМА ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА Для отвода поверхностной воды проезжей части и обочинам придают выпуклые очертания. Для ускорения отвода воды от земляного полотна, устроенного в виде небольшой насыпи, устраивают боковые водоотводные канавы. Отвод поверхностных вод, обеспечивающий устойчивость и сохранность земляного полотна, осуществляется также резервами, нагорными канавами, лотками(с проезжей части и разделительной полосы). На местности с поперечным уклоном 2‰ при высоте насыпей менее 2 м, на участках с меняющимся поперечным уклоном, а также на болотах, продольные водоотводные канавы устраивают с обеих сторон насыпи. При явно выраженном поперечном уклоне местности, когда поступление воды к земляному полотну возможно только с верховой стороны, канавы устраивают только с нагорной стороны. Для того, чтобы быстро отвести воду, боковым канавам придают продольный уклон, который не должен быть менее 5% в 1-3 дорожно-климатических зонах и 3% в 4-5 зонах. Если приток воды слишком большой, водоотводные канавы или резервы могут переполнятся и не будут выполнять своих функций по осушению земляного полотна. В связи с этим вода из боковых канав и резервов, расположенных с нагорной стороны, сбрасывается на низовую сторону дороги пропускными трубами, располагаемыми не реже чем через 500 м вдоль дороги на спуске к тальвегу. В обводненных и переувлажненных грунтах, неспособных держать откосы, а также на участках с продольными уклонами более 30‰ применяют продольные лотки (лотковый профиль) со сбросом воды по откосу при помощи специальных устройств через каждые 100 – 50 м. Для защиты земляного полотна от воздействия грунтовых вод служат специальные устройства: капилляропрерывающие и водонепроницаемые прослойки. Для перепуска воды через земляное полотно в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами и балками, по которым стекает вода от дождей и таяния снега, устраивают малые водопропускные сооружения. Количество водопропускных сооружений зависит от климатических условий и рельефа. К основным видам водопропускных 3 сооружений относят малые мосты и трубы, на дорогах низких категорий устраивают фильтрующие насыпи. Для прерывания и преграждения доступа воды к земляному полотну снизу, сбора и отвода воды с откосов выемки, понижения уровня грунтовых вод в основании земляного полотна, перехвата и отвода грунтовой воды, поступающей к дороге со стороны, а также сброса поверхностной воды в местах с необеспеченным стоком, применяют дренажные устройства. 3. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 3.1. Определение водосборной площади. Бассейном называется участок местности, с которого вода во время выпадения дождей и снеготаяния стекает к проектируемому водопропускному сооружению. Для определения площади бассейна необходимо установить границы его на карте или на местности. Границей бассейна с одной стороны всегда является сама дорога, а с другой стороны — водораздельная линия, которая отделяет данный бассейн от соседних. В данном курсовом проекте площадь водосбора определялась по топографической карте с помощью встроенной функции определения площади в программе AutoCAD 2007. Площадь, с которой стекает вода в низовую канаву, определяется половиной ширины дороги и длиной участка; к верховой канаве вода стекает не только с половины ширины дороги, но и с пространства до нагорной канавы, а при ее отсутствии – с некоторой площади, контуры которой могут быть найдены по плану в горизонталях. 3.2. Расчет ливневого стока Ливневый расход формируется за счёт выпадения ливневых осадков. Его определяем по следующим формулам СоюзДорНИИ: Qл 16.7 F a р K t 1 4 10 F a р aчас K t (1) (2) (3) где F – площадь водосборного бассейна, км2; φ – коэффициент редукции максимального расхода; 4 ар – расчетная интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин; Кt – коэффициент редукции ливня часовой продолжительности; α – коэффициент склонового стока часовой продолжительности; Для расчета более опасного ливневого стока к канавам и лоткам используются только формула полного стока: Qп.с. 87,5 aч F (4) ,где aч – интенсивность расчетного ливня часовой продолжительности, мм/мин; F – площадь водосборного бассейна, км2 Определение расхода воды от талых вод. 3.3. Максимальный расход талых вод для любых бассейнов (Qт), м3/с, определяется по формуле: Qcт ,где k0 hp F F 1n 1 2 (5) k0 — коэффициент дружности половодья; n — показатель степени зависящий, который как и k0 зависит от рельефа и климатических условий и определяются по табл. k0 = 0,015, а n = 0,17; F — площадь водосбора, км2; δ1 — коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов в заболоченной и залесенной местности.; δ2 — коэффициент, учитывающий наличие озер и приозерности. hр — расчетный слой суммарного стока той же вероятности превышения, что и искомый максимальный расход, мм. Определяется по формуле: 5 h p hср k p где (6) hср — средний многолетний слой стока, мм, определяемый по специальной карте. kр — модульный коэффициент для расчетного расхода, определяется по рисунка (2.4).Определяется с учетом вероятности превышения коэффициентов вариации и коэффициентов ассиметрии. коэффициент δ1 зависит от коэффициента , который рассчитывается как 5 Fл F 10 б 1 F F (7) δ2 — коэффициент, учитывающий наличие озер и приозерности. Величина коэффициента kр зависит от величины коэффициента асимметрии Cs, который в свою очередь зависит от коэффициента вариации Cv. Величина коэффициента Cv определяется по карте коэффициентов вариации слоя стока половодий.: (8) C s 2 Cv 2 0,5 1 Величина коэффициента коэффициентов слоев kр стока определяется для по кривым соответствующей модульных вероятности превышения.. 3.4. Определение расхода с учётом аккумуляции стока Для того чтобы учесть накопление воды, производим расчёт ливневого стока с учётом аккумуляции стока(рис.2). Если полученное значение будет меньше, или будет отличаться от значения ливневого расхода без учёта аккумуляции менее чем на десять процентов, то в дальнейших расчетах принимаем за расчётный расход без учёта аккумуляции. 6 i L 1:85 В 1:150 H Рис. 2 Аккумуляция воды перед сооружением. Формулы для расчёта ливневого расхода с учётом аккумуляции стока: Qc Q л (1 Wпр Wпр W (9) ) m1 m2 H3 6 iл Wпр 1000 a р F t р (10) (11) ,где Wпр – объём пруда, м3; W – объём дождевого стока, м3; Н – глубина пруда, принимается ; mпр , mл – заложения правого и левого склонов; iл – уклон главного лога; Qл – ливневый расход, м3/c. tр расчетная продолжительность осадков или временное освобождение пруда 3.5. Гидрологический расчет трубы Для примера в курсовом проекте взята труба на ПК 1+51,9 Последовательно по формулам (1)-(11) находим : F1 = 0,403 км2. для трубы на ПК 1+51,9 Qл 1= 16,7*0.2*1,2*0,706*0,403 = 1,14 м3/c. k0 = 0,015, n = 0,17, hср = 195,50 мм, kр =2,23. Qcт1=(0,015*195,5*0,403)/(0,403+1)0,17*1*1=1,12м3/с. Wпр =(60,132+60,132)*0,793 /(6*1,92)= 5,147 м3. 7 W =10000*1,2*34,55*0,2*0,403=3341,676м3. Qа = 1,14*(1-5,147 /0,7*3341,676) = 1,138 м3/c. 3.6. Гидрологический расчет канав Левый кювет. Исходные данные: коэффициенты заложения откосов – 1,5 ; уклон местности - 10‰; грунт – пески; форма – треугольная. Определяем водосборную площадь по карте Fл.к = 5007,744 м2=0,005 км2; м3 Определяем расход. Qкл 87.5 аЧ Fлк 87.5 0.74 0.005 0,324 с Правый кювет. Исходные данные: коэффициенты заложения откосов – 1,5; уклон местности - 14‰; грунт – пески; форма – треугольная Определяем водосборную площадь по карте Fп.к. = 0.025 км2; Определяем расход. Qпк 87.5 аЧ Fпк 87.5 0.74 0.025 1,618 3.7. м3 с Гидрологический расчет малого моста В данном курсовом проекте мост назначен не на пересечении малого водотока, а вместо трубы в месте пересечения суходола. Все данные рассчитываются, как и для трубы. Fм = 2,01 км2 Qрм = 5,7 м3/с. 3.8. Гидрологический расчет лотков Для лотков используем, как и для канав, формулу полного стока, но учитывающую только сток с проезжей части (ширина, с учетом укрепительной полосы = 4м). Площадь водосбора Fл = 0,004 км2. м3 Расчетный сток Qлр 87.5 аЧ Fпк 87.5 0.74 0.004 0,259 с 3.9. Гидрологический расчет фильтрующей насыпи Так как на дороге III категории фильтрующих насыпей не устраивают, то мы рассчитываем ее в учебных целях, без конкретных данных. Следовательно, все исходные данные нами просто задаются. Дано: Вз.п.= 15 м.; Ннас=3,28 м.; Нн=2,40 м.; m=3; Р=0,5 ; iлога=0,013 ; 8 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ Гидравлический расчет производят для выбора сечения водопропускных сооружений, а также для определения скорости движения воды и назначения укреплений. 4.1. Гидравлический расчет водопропускной трубы Все расчеты будем вести для трубы на ПК 1+51,9 Расчет труб производится при безнапорном режиме протекания воды через сооружение . Условие безнапорного режима протекания воды: H 1,2 d (12) где d – диаметр отверстия трубы, м. Подбираем с помощью таблиц для Q равного 1,2 м3/с следующие данные: – диаметр трубы 1 м, раструбный оголовок; – глубина воды перед трубой 1,05 м; – скорость потока в трубе 2,6 м/с H 1,05 1,05 1,2, d 1 условие безнапорного режима выполняется. Расчёт скорости на выходе Находим критическую функцию f f Q2 1,2 0,147, 5 g d 9,81 15 (13) По критической формуле из таблиц находим отношение h/d = 0,63, затем находим критическую глубину hк равную 0,63 м, определяем площадь живого сечения Wк =0,523*d2=0,523 м2, гидравлический радиус Rk=0,284*d=0,284 м. Рассчитываем коэффициент Шези С 9 1 C 1 1 6 1 R (0,284) 6 62,37, n 0,013 (14) Находим критический уклон ik Q2 Wk C 2 R k 2 1,2 2 0,0048, 0,523 2 62,37 2 0,284 (15) Так как уклон лога iл = 0,0129 больше критического уклона то принимаем нормальную глубину протекания воды. Определяем расходную характеристику сечения трубы Kd=24*d8/3 = 24 и фактическую расходную характеристику Ko= Q/(io)1/2 =10,565. Затем вычисляем отношение расходных характеристик Ko/ Kd =0,440 и по этому отношению находим ho/d=0,459 и отношение скоростных характеристик Wo/ Wd =0,975 и по этим значениям вычисляют ho = 0,459 и Wd=30,52/3=9,76 , а также Wo= Wd*0,975=9,516. По этим данным находим Vвых: Vвых Wo i л 9,516 0,0129 1,08 м/сек, (16) Сравнивая фактическую скорость на выходе с допустимой, видим, что она больше, следовательно, надо назначить укрепление русла. Определение длины водопропускной трубы Длина водопропускной трубы зависит от высоты насыпи у трубы, которая определяется по продольному профилю, от угла, который образует ось трубы с осью дороги и типа оголовка. Труба работает в безнапорном режиме, тип оголовка раструбный. Следовательно, используем следующую формулу: Lтр ( B 2 m H d ) H hт hз , 1 2 K 2M, sin (17) где Lтр – длина трубы, м; 10 В – ширина насыпи, м; m - показатель крутизны откоса насыпи, м; H – глубина заложения трубы, м; δ – ςолщина стенки трубы, м; α – σгол между осью трубы и осью дороги; К – толщина стенки оголовка, м; М – длина оголовка, м; hт – высота трубы, м; hз – необходимая по проекту высота засыпки, м (минимальной является 0,5 м). Полученное значение длины трубы округляем в большую сторону H 1,0 0,1 1,58 2,68м, Lтр (12 2 1,5 2,68 1,0 0,1) 1 2 0,35 2 1,47 20,34 м Назначение укрепления русла и откосов у водопропускной трубы Очень часто у малых искусственных сооружений наблюдаются повреждения связанные с воздействием потока воды и обычно начинаются эти повреждения на выходных участках. Вытекающий поток воды находится обычно в бурном состоянии и обладает повышенной кинетической энергией, которая и вызывает размыв выходных участков за сооружением. Так как при расчётах фактическая скорость получилась больше допустимой и так как hкр>ho вследствие чего получаем незатопленный водослив и, следовательно, вероятность появления гидравлического прыжка очень высока, делаем укрепление русла на входном и выходном участках. Укрепление русла назначаем, пользуясь типовым проектом 5501-046. На входном участке делаем укрепление с помощью плитки. В качестве укрепления на выходном участке используем монолитные бетонные блоки различных размеров. Откосы укрепляем, покрывая их деревянной 11 сеткой и засевая травой. Для того чтобы избежать появления воронки размыва за укреплением, устанавливаем "порожек". 4.2. Гидравлический расчет водопропускной канавы Дорожные канавы рассчитывают по уравнению равномерного движения жидкости. Если длина канавы не велика, то расчет производят по одному значению расхода, фактически собирающемуся только к замыкающему сечению расчетного участка. При большой длине канавы или при большой площади, с которой стекает вода, целесообразно делить канаву на участки по длине и рассчитывать каждый участок на свою величину расхода. Размеры сечения канавы (трапецеидального с откосами 1:1,5) принимают с таким расчетом, чтобы она обеспечила пропуск расходы, определенного по формуле 6.1, с запасом по высоте порядка 0,1 м, чтобы не допустить переполнения канавы. Это условие выражается неравенством w Q C R i (18). Если длина канавы более 100 … 150 м, ее следует разбить по длине на участки по 100 … 150 м и для каждого участка подбирать размеры поперечного сечения с учетом нарастания расчетного расхода на соответствующем участке. Выбор типа укрепления канавы зависит от скорости воды, наличия местных материалов. Допускаемая скорость течения зависит от глубины потока. Тип укрепления канав выбирают на основании результатов гидравлического расчета. При проектировании дорожного водоотвода принимают средние значения допускаемых скоростей для каждого из типов укрепления При уклоне канавы i > 0.01 в супесях и 0.025 в суглинках дно канав укрепляют щебнем, а стенки – одерновкой. Возможны другие варианты, а также устройство перепадов. Левый кювет 1. Определяем допустимую скорость по таблице Vдоп= 0.2 м/с. 2. Определяем площадь живого сечения. w 3. Определяем глубину канавы. hК w m Q 0,324 0,405 м 2 Vдоп 0.2 0,405 0,52 м 1,5 4. Определяем ширину канавы. в 2 m hK 2 1,5 0,52 1,56 м 5. Находим смоченный периметр. 2 hK 1 m 2 2 0,52 1 2,25 1,87 м 12 8. Находим гидравлический радиус. R w 0,405 0,216 м 1,87 1 n 9.Определяем коэффициент Шези. С R y 1 0,216 0.25 17,04 0.04 2 10.Находим продольный уклон. iпрод Vдоп 0.2 2 0.005 С 2 R 17,04 2 0,216 11. Определяем скорость течения потока. V C R i 17,04 0,216 0.005 0.55 м с Вывод: по таблице при данной скорости назначаем в качестве укрепления – засев травой. Правый кювет 1. Определяем допустимую скорость по таблице Vдоп= 0.2 м/с. 2. Определяем площадь живого сечения. w 3. Определяем глубину канавы. hК Q 1,618 8,09 м 2 Vдоп 0.2 w 8,09 2,32 м m 1,5 4. Определяем ширину канавы. в 2 m hK 2 1,5 2,32 6,96 м 5. Находим смоченный периметр. 2 hK 1 m 2 2 2,32 1 2,25 8,36 м 8. Находим гидравлический радиус. R w 6,96 0,832 м 8,36 1 n 9.Определяем коэффициент Шези. С R y 1 0,832 0.25 23,88 0.04 2 10.Находим продольный уклон. iпрод V 0.2 2 доп 0.005 С 2 R 23,88 2 0,832 11. Определяем скорость течения потока. V C R i 23,88 0,832 0.005 1,5 м с Вывод: по таблице при данной скорости назначаем в качестве укрепления – засев травой. 4.3. Гидравлический расчет малых мостов Исходные данные: - Расход с учетом аккумуляции Qp=280,8 (м3/сек) - Бытовая глубина hбыт=3,8 (м) 1) Определяем критическую глубину по hкр=(1.1*Vдоп)2/g=2,0 (м) следующей формуле: 13 Vдоп определяется по таблице. Затем проверяем условие течения потока: hбыт<1.3* hкр – свободное hбыт ≥1.3* hкр – затопленное 3,8≥2,6 – условие затопления 2) Определяем скорость воды в сооружении Vc=1.1*Vтабл=6,18(м/сек) 3) Рассчитываем величину подпора воды перед сооружением H= hбыт+Vc2/2*g*φ2=7,2(м) 4) Находим ориентировочную величину отверстия моста: b=Qp/Vc*hбыт=11,9 м (округляем до 12,5м) 5) Уточняем значение hб и Н: hбуточн=Qp/Vc*bmin =3,63 м Hуточн= hбуточн+ Vc2/2*g* φ2= 7,02 (м) 6) Находим минимальную рабочую отметку насыпи при подходе к мосту: Н=0.88* Hуточн+h+z=7,48м 7) Назначаем 1 пролет Так как мост с затопленным водосливом, то в качестве укрепления русла используем тип укрепления – мощение булыжником d=15 (см). 4.4. Гидравлический расчет лотков Расчет лотка Исходные данные: Q = 0,259 1. Принимаем глубину h = 0.05м. 2. Определяем ширину канавы. в 2 h( 1 m m) 2 0,05 ( 1 1 1) 0,04 м 3. Определяем площадь живого сечения. w bh m1 m2 2 2 h 0,04 0,05 0,05 2 0,0045 м 2 2 2 4. Находим смоченный периметр. b h( 1 m12 1 m2 2 ) 0,04 0,05( 1 12 1 12 ) 0,44 м 5. Находим гидравлический радиус. R w 0,0045 0,01м 0,44 6. Определяем коэффициент Шези по графику. С 40 7. Определяем скорость течения потока. V C R i 40 0,01 30 21,9 м с 8. Расход воды Q w V 0,0045 2,5 0,09 м сек 9. Полная глубина лотка h h p 0,05 0,2 0,25 м 3 14 4.5. Гидравлический расчет фильтрующей насыпи Дано: Вз.п.= 15 м.; Ннас=3,28 м.; Нн=2,40 м.; m=3; Р=0,5 ; iлога=0,013 ; Qл=1,88 м3/сек 1) S= Вз.п+2* m* Ннас+l=35,68 (м) 2) Н≤ S/Сl, 2,40≤ 35,68/9=3,96 – условие выполняется. 3) Определяем hб=m*3√K/I , m=0,61 , K= 7,15 hб=1,53 (м) 4)К=0,68 (м/сек) – коэффициент фильтрации (из таблицы). 5) Находим площадь поперечного сечения w=Q/K*√((H- hб)/S)+io=20,757(м2) 6) Вычисляем высоту Т=√ w/ mср=2,63 (м) 7)Определяем ширину фильтрующего потока при минимальной величине удельного расхода: Вф=2* mср*Т=15,78 (м) Находим значение удельного расхода q=Q/ Вф=0,119 и сравниваем его с минимальным значением 0,25; 0,119≤0,25; Принимаем ширину фильтрующего потока при минимальном значении удельного расхода: Вф1=Q/0,25=7,52 (м); Т=5,521 (м); mср1=0,681 h=(T+ hб)/2=7,05 (м); 8)Определяем wр= mср1*h=4,802 (м2) 9)Vср.р = Q/ wр*P*ξ=0,87(м/сек); Vр=1,7* Vср.р=1,48 (м/сек) 10)По средней глубине потока и средней скорости течения в таблице находим нужный нам тип укрепления – одерновка в стенку. 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе выполнения курсовой работы мною была запроектирована система дорожного поверхностного водоотвода. Вместе с подземным водоотводом , они составляют комплекс мер по регулированию Воднотеплового режима земляного полотна, что имеет еще большее значение в тяжелых гидрогеологических условиях, то есть у нас в республике Карелия. Поэтому в наших условиях необходимо внимательно и тщательно подходить к проектированию поверхностного водоотвода. 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Справочник инженера – дорожника: Проектирование автомобильных дорог. Под ред. Г.А. Федотова. М.: Транспорт, 1989. 437 с. 2 Кочатков П.П. Гидравлический расчёт труб / П.П. Кочатков, А.Д. Юршев. Йошкар-Ола.: 1977, 20с. 3 СНиП 2.01.14-83 Определение расчётных гидрологических характеристик. Изд-во стандартов. М.: 1985. 47 с. 4 СНиП 2.05.02-85 Автомобильные дороги. Изд-во стандартов, 1997. 67 с. 5 СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. Изд-во стандартов, 1986. 341 с. 6 Конспект лекций. 17