КП ИСвТС Ушмаев

Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЕВА»
Архитектурно-строительный факультет
Кафедра зданий, сооружений и автомобильных дорог
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
на тему: «Проектирование водопропускных сооружений на автомагистралях»
по дисциплине: «Инженерные сооружения в транспортном строительстве»
Автор курсового проекта: студент 503 гр. ___________________ А.В. Ушмаев
Обозначение курсового проекта: КП – 02069964 – 08.05.01 – 19 – 21
Специальность: 08.05.01 – Строительство уникальных зданий и сооружений
Руководитель проекта
доцент _______________________________________________ Г.Ф. Тыщук
Проект защищен _____________
Оценка _______________
Саранск 2021
1
2
3
4
5
6
Формат
№
строки
Ведомость курсового проекта
Обозначение
Наименование
Кол.
Документация текстовая
А4
КП - 02069964 – 08. 05. 01 – 06 - 16
Пояснительная записка
41
Документация графическая
7
8
А1
КП - 02069964 – 08. 05. 01 – 06 - 16
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Проектирование водопропускных сооружений на а/д
1
Документация прочая
А4
КП - 02069964 – 08. 05. 01 – 06 - 16
Приложение А
1
А3
КП - 02069964 – 08. 05. 01 – 06 - 16
Приложение Б
1
А3
КП - 02069964 – 08. 05. 01 – 06 - 16
Приложение В
1
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 41 лист, 5 таблиц, 3 рисунка, 10 наименований использованных источников.
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ,
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
РАСЧЕТЫ, ВОДОТОК, ВОДОПРОПУСКНАЯ ТРУБА, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ, ЖИВОЕ СЕЧЕНИЕ, ГЛУБИНА, УКЛОН, РУСЛО, ОТКОС.
Объектом проектирования является водопропускное сооружение на автомагистрали.
Цель работы – расчет и конструирование водопропускного сооружения
на автомагистрали.
В процессе проектирования проводился анализ нормативной, учебной и
справочной литературы.
В результате проведенной работы разработан учебный проект водопропускного сооружения на автомагистрали.
Степень внедрения – учебный проект.
Область применения – разработанная проектная документация может
быть использована при разработке дипломного проекта.
Эффективность – приобретение навыков по проектированию водопропускного сооружения на автомагистрали.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм. Лист
Разраб.
Пров.
№ докум.
Ушмаев
Тыщук
Н. контр.
Утв.
Тыщук
Подп.
Дата
Проектирование водопропускных сооружений на автомагистралях
Стадия
У
Лист
5
Листов
41
СУЗиС 503 гр. д/о
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 8
1 Гидрологическая характеристика рассматриваемого участка .................... 10
2 Гидравлические расчёты ................................................................................. 15
2.1 Гидравлическая характеристика рассматриваемого водотока ............ 15
2.1.1 Гидравлический расчёт живого сечения водотока ......................... 15
2.1.2 Определение критической глубины hк, м, критического уклона
iк и состояния потока в русле .......................................................... 17
2.2 Гидротехнические расчёты ...................................................................... 18
2.3 Гидравлическая характеристика проектируемой трубы ...................... 18
2.3.1 Гидравлический расчёт живого сечения потока в трубе ............... 18
2.3.2 Определение критической глубины hк, м, критического уклона
iк и состояния потока в трубе .......................................................... 21
3 Определение типа крепления русла ............................................................... 22
3.1 На подходе к сооружению........................................................................ 22
3.2 На выходе из сооружения......................................................................... 22
4 Описание принятой конструкции водопропускной трубы .......................... 24
5 Определение необходимого объёма срезки (выемки) грунта в котловане
под сооружение ................................................................................................... 26
6 Исследование кривых свободной поверхности потока ................................ 27
7 Фильтрационные расчёты .............................................................................. 28
7.1 Определение положения кривой депрессии фильтрационного
потока при прохождении его через дорожную насыпь в месте прохождения водного потока через водопропускное сооружение ............ 28
7. 2 Определение величины удельного фильтрационного расхода qф ...... 29
8 Расчёт устойчивости низового откоса земляной насыпи............................ 30
9 Сравнение вариантов ....................................................................................... 33
Заключение .......................................................................................................... 35
Список используемых источников .................................................................... 36
Приложение А ..................................................................................................... 37
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
6
Приложение Б ...................................................................................................... 39
Приложение В...................................................................................................... 41
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
7
ВВЕДЕНИЕ
Самыми распространенными искусственными сооружениям на дорогах
являются трубы, на 1 км их насчитывается 1-1,4 шт. Объем железобетона и
бетона труб составляет 9-11% от общего расхода материала на искусственные сооружения.
Труба - это инженерное сооружение, укладываемое в тело насыпи автомобильной (железной) дороги для пропуска водного потока, дороги или
скотопрогона.
Существенные преимущества труб перед малыми мостами (непрерывность земляного полотна, и, следовательно, повышенная комфортабельность
проезда; низкие стоимость и трудоемкость строительства; малые эксплуатационные расходы и др.) привели к необходимости проектирования, строительства большого количества труб, замене ими многих малых мостов. Так,
на автомобильных дорогах Европейской части СССР, построенных до 1900
г., трубы составляли 46,3% от общего количества труб и малых мостов длиной до 30 м, а на дорогах, построенных в 1930-1980 гг. 88-93%. С течением
времени менялось соотношение между количеством труб из разных материалов: до 1900 г. трубы были, в основном, каменные и чугунные; в 1930 г.: каменные и бетонные - 42,2%, железобетонные - 39,4%, металлические - 16,8%,
деревянные - 1,6% (с 1985 г., в соответствии с нормами, запрещено строительство деревянных труб). К 1980 г. доля железобетонных труб составляла
95%, из других материалов (в том числе металлических) - 5%.
Наибольшее распространение получили круглые железобетонные трубы диаметром до 1,5 м (78-80%). В настоящее время на дорогах эксплуатируются: круглые трубы - 87%, прямоугольные - 9%, прочие - 4%; одноочковые - 82%, двух очковые - 16%, трех очковые и более - 2%.
Больше половины всех труб сооружают под насыпями высотой до 3 м,
85% труб - под насыпями высотой до 6 м.
До 70-х годов в основном применяли короткие железобетонные звенья
длиной 1 м. С оснащением дорожно-строительных организаций более мощ-
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
8
ным крановым оборудованием стали широко применяться более технологичные длинномерные (длиной до 5 м) звенья круглых труб ливневой канализации для промышленных предприятий. При этом не всегда учитывалась низкая морозостойкость бетона, что недопустимо для дорожных труб.
В настоящее время в России и за рубежом проводятся исследования по
применению в дорожном строительстве труб из алюминиевых сплавов и синтетических полимерных материалов с повышенной прочностью, химической
стойкостью и водонепроницаемостью.
С целью экономии материала и увеличения долговечности труб происходит постоянное совершенствование их конструктивных элементов, направленное на повышение пропускной способности водного по тока в обычных
дорожно-климатических условиях, в условиях вечной мерзлоты, а также на
косогорных участках дорог.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
9
1. Гидрологическая характеристика рассматриваемого участка
Проектирование водопропускного сооружения через овраг у с. Красный Шадым производится на автодороге III технической категории расположенной в Ковылкинском районе республики Мордовия.
Красный Шадым расположен на речке Шадым, в 42 км от районного
центра и железнодорожной станции Ковылкино. В современном селе работают — ТОО «Восток» (с 1996 года); средняя школа, Дом культуры, библиотека, магазины.
Административный центр, город Ковылкино, расположен в 100 км от
столицы Республики Мордовии г. Саранск. Площадь территории района составляет 2012,8 км2.
территориальную
В Ковылкинский район как административно-
единицу
входят
19 сельсоветов,
при
этом
го-
род Ковылкино имеет статус города республиканского значения и не входит
в административный район.
Численность населения района как административно-территориальной
единицы (без города) составляет 20 552 человек. В городских условиях (город Ковылкино) проживают 51,44 % населения муниципального района.
Ковылкинский район расположен в юго-западной части Республики
Мордовия. На юге район граничит с Пензенской областью. Район богат лесами. Их площадь составляет 36294 га. Крупными массивами они расположены
по правому берегу реки Мокши. Значительную часть занимают лиственные
деревья и сосна. Образован 16 июля 1928 года. 11 марта 1959 года к Ковылкинскому району была присоединена часть территории упразднённого Кочелаевского района.
В экономике района развиты агропромышленный, промышленный и
транспортный секторы. Одной из важнейших составляющих сельскохозяйственного сектора является свиноводство. Крупнейшее предприятие по выращиванию племенных свиней — ЗАО «Мордовский бекон». ОАО «Мордовский комбинат хлебопродуктов» производит комбикорма для свиней и КРС.
В 2010 году крупными и средними предприятиями обрабатывающих
производств отгружено товаров собственного производства, выполнено ра-
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
10
бот и услуг на сумму 2,18 млрд рублей.
Район расположен в западной части республики, для его территории
характерно богатое разнообразие природы. Леса сменяются обширными полевыми просторами, особенно в левобережной части реки Мокши; в широких
мокшанских и сивиньских поймах — десятки больших и малых озёр и протоков. На территории района имеется несколько заказников, где запрещена
охота на зверей, птиц и ловля рыбы.
Область проектирования относится к 6 ливневому району, расчётная
ежегодная вероятность превышения гидрологических характеристик P=2%.
Протяженность водосборного бассейна более 2887,5 м, направлен с юга на
север. Местность вокруг холмистая сильнопересеченная.
Определим параметры водосборного бассейна по карте М1:25000 (см.
приложение А).
Средневзвешенный уклон дна водотока: представляет собой условный
выровненный уклон ломаного профиля, рассчитывается по формуле:
𝑖в‰ =
∑𝑙 ∙ ℎ
;
𝐴
где ∑ 𝑙 − сумма длин горизонталей, определяется по карте при помощи
курвиметра, км;
h – превышение между горизонталями, м;
А – площадь водосборного бассейна, определяется по карте при помощи планиметра км2 .
𝑖в‰ =
(1,75 + 4 + 6,375 + 8,5 + 7,875 + 3 + 0,625) ∙ 10
= 26,12‰.
12,3
Коэффициент развития водораздельной линии: характеризует конфигурацию речного бассейна, рассчитывается по формуле:
Квд.л. =
𝐿вд.л.
2 √𝜋 ∙ А
;
где 𝐿вд.л. − длина водораздельной линии, определяется по карте при
помощи курвиметра, км.
Квд.л. =
12
2√𝜋 ∙ 12,3
= 0,97.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
11
Коэффициент извилистости русла: характеризует извилистость русла, чем больше коэффициент извилистости, тем больше извилистость и
наоборот, рассчитывается по формуле:
𝐾из. =
𝐿
;
𝐿и
где L – длина русла, определяется по карте при помощи курвиметра,
км;
𝐿и − условная длина русла (по прямой), определяется по карте при помощи курвиметра, км.
3,875
= 1,11.
3,5
𝐾из. =
Густота речной сети на 1 км𝟐 : отношение длины речной сети к
площади бассейна, выражается в км/км2 :
Кг =
∑ 𝑙𝑝
;
𝐴
где 𝑙𝑝 − сумма длин русел всех водотоков.
Кг =
4,92
= 0,4.
12,3
Уклон русла: отношение падения водотока на каком-либо участке к
длине этого участка, рассчитывается по формуле:
𝑖𝑝 =
∆𝑙
;
𝑙
где ∆l – падение водотока, м;
l – длина участка водотока, м.
𝑖𝑝 =
190 − 188
= 0,0073.
275
Расчетный максимальный расход воды весеннего половодья, м3 /с
заданной ежегодной вероятностью превышения % для водотоков следует
определять по формуле:
𝑄𝑃% = (𝐾0 ℎ𝑃% 𝜇𝛿𝛿1 𝛿2 /(А + А1 )𝑛1 )А;
где 𝐾0 − параметр, характеризующий дружность весеннего половодья,
определяемый по данным рек-аналогов;
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
12
ℎ𝑃% − расчетный слой суммарного весеннего стока (без срезки грунтового питания), мм, ежегодной вероятностью превышения P%, определяемый
в зависимости от коэффициента вариации и отношения этой величины, а
также среднего многолетнего слоя стока, устанавливаемого по рекаманалогам или интерполяцией;
𝜇 − коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды;
𝛿 − коэффициент, учитывающий влияние водохранилищ, прудов и
проточных озер;
𝛿1 − коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода
воды в залесенных бассейнах, определяется по формуле:
𝛿1 = 𝛼1 /(АЛ + 1)𝑛2 ;
где 𝛼1 − параметр, принимаемый по рекомендуемому приложению;
Ал − залесенность водосбора, %;
𝑛2 − коэффициент редукции, принимаемый по приложению.
𝛿1 = 1.
𝛿2 − коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода
воды в заболоченных бассейнах;
А1 − дополнительная площадь водосбора, учитывающая снижение редукции, км2 , принимаемая по приложению;
𝑛1 − показатель степени редукции, принимаемый по приложению.
𝑄𝑃% = (0,017 ∙ 150 ∙ 0,98 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1/(12,3 + 2)0,25 ) ∙ 12,3 = 15,8 м3 /с.
Максимальные мгновенные расходы воды рек дождевых паводков,
𝑄𝑃% , м3 /с , для водосборов с площадями, указанными в приложении, следует определять по формуле предельной интенсивности стока:
/
/
/
𝑄𝑃% = 𝑞1% 𝜑𝐻1% 𝛿𝜆𝑃% А;
/
где 𝑞1% − максимальный модуль стока ежегодной вероятности превы/
шения P= 1%, выраженный в долях от произведения 𝜑𝐻1% при 𝛿 = 1, определяемый по приложению в зависимости от гидроморфометрической характе-
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
13
ристики русла исследуемой реки ФР , продолжительности склонового добегания 𝜏ск , мин., и района, принимаемого по приложению;
/
𝐻1% − максимальный суточный слой осадков вероятностью превышения Р = 1%, определяемый по данным ближайших к бассейну исследуемого
водотока метеорологических станций, имеющих наибольшую длительность
наблюдений;
𝜑 − сборный коэффициент стока, определяемый по формуле:
𝜑 = (С2 𝜑0 /(А + 1)𝑛6 )(𝑖в /50)𝑛5 ;
где С2 − эмпирический коэффициент, принимаемый для лесной и тундровой зон равным 1,2; для остальных природных зон - 1,3;
𝜑0 − сборный коэффициент стока для водосбора, площадью А, равной
10 км2 , со средним уклоном водосбора 𝑖В , равным 50‰ принимается по приложению;
𝑛5 − принимается по приложению;
𝑛6 − принимается для лесотундры и лесной зоны равным 0,07, для
остальных природных зон - 0,11.
𝜑 = (1,2 ∙ 0,54/(12,3 + 1)0,11 )(26,12/50)0,7 = 0,21.
Гидроморфометрическая характеристика русла ФР определяется по
формуле:
/
ФР = 1000𝐿/(𝑥𝑃 𝑖𝑃𝑥 𝐴1/4 (𝜑𝐻1% )1/4 );
1
1
1
ФР = 1000 ∙ 3,875/(9 ∙ 73 ∙ 12,34 (0,21 ∙ 100)4 ) = 56,33.
/
𝑄𝑃% = 0,047 ∙ 0,31 ∙ 100 ∙ 1 ∙ 0,87 ∙ 12,3 = 16,2.
/
Так как 𝑄𝑃% = 15,8 м3 /с < 𝑄𝑃% = 16,2 м3 /с , то за расчетный расход
принимаем максимальный мгновенный расход воды рек дождевых паводков.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
14
2. Гидравлические расчеты
2.1 Гидравлические характеристики рассматриваемого водотока
2.1.1 Гидравлический расчет живого сечения водотока
В результате этого расчёта определяется:
– нормальная (бытовая) глубина, hо, м, нормальной (бытовой) глубиной
называется глубина, при которой имеет место равномерное движение потока
в русле с расчётным расходом Qр;
– средняя в сечении скорость потока Vр, м/с при равномерном движении потока.
Строим поперченный разрез оврага (см. приложение Б, рис. 2.1).
По чертежу находим характеристики живого сечения водотока, заполняем
таблицу 2.1. По результатам таблицы 2.1 строим график зависимости Q = f(H) и
v(H).
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
15
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
КП-02069964-08.05.01-19-21
Лист
16
Отметка поверхности
земли Н, м
2
188
188,5
189
189,5
190
№
п/п
1
1
2
3
4
5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
3
Превышение
h, м
46,25
37,5
26,25
10
0
4
Площадь
живого
сечения,ω,м2
100,1
85,06
65,04
40,02
0
5
Смоченный периметр
Х, м
0,46
0,44
0,4
0,25
0
6
Гидравлический
радиус
R, м
0,005
7
Уклон
дна русла,
𝑖𝑝
0,035
8
Коэф -т
естест.
шероховатости,
n
25,14
24,86
24,57
22,68
0
9
Коэф -т
Шези,
С
1,2
1,17
1,1
0,8
0
10
Сред.
скорость
потока,
м /с
55,7
43,72
28,83
8,03
0
12
Расход
𝑄𝑖 ,
м3 /с
136,28
80,58
36,86
8,03
0
Расход
нарастающим
потоком
𝑄, м3 /с
13
Таблица 2.1 – Гидравлический расчет живого сечения водотока
По графику (рис. 2.2, см. приложение Б) получаем: нормальная (бытовая) глубина в русле ℎ0 = 0,875 м, средняя в сечении скорость потока 𝑉𝑝 =
0,95 м/с.
2.1.2 Определение критической глубины hк, м, критического уклона iк и состояния потока в русле
Критическая глубина определяется по зависимости:
5 2 ∙ 1,1 16,2
5 2𝑎 𝑄
ℎ𝑘 = √ ( ) 2 = √
(
)2 = 0,53 м;
𝑔 𝑚
9,81 38,28
где Q – расчетный расход, м3 /с;
𝑚 − коэффициент, равный 1/𝑖ск =1/0,0261.
Чтобы определить критический уклон, подсчитаем значение расходной
характеристики 𝐾𝑘 для критической глубины. Для этого найдем:
– площадь живого сечения:
𝜔𝑘 = 𝑚ℎ𝑘2 = 38,28 ∙ 0,532 = 10,75 м2 ;
− гидравлический радиус:
𝑅𝑘 = 𝜔𝑘 /𝑥𝑘 = 10,75/40,59 = 0,27 м;
где 𝑥𝑘 − смоченный периметр, определяемы по формуле:
𝑥𝑘 = 2ℎ𝑘 √1 + 𝑚2 = 2 ∙ 0,53 ∙ √1 + 38,282 = 40,59 м;
− скоростную характеристику по приложению: «Скоростные характеристики W, м/с, при различных значениях коэффициента шероховатости»:
𝑊𝑘 = 9,67 м/с;
– расходную характеристику:
𝐾𝑘 = 𝜔𝑘 ∙ 𝑊𝑘 = 10,75 ∙ 9,67 = 103,95 м3 /с;
В соответствии с зависимостью 𝑖𝑘 = (
𝑄
𝜔𝑘 ∙𝑊𝑘
𝑄
)2 = ( )2 критический
𝐾𝑘
уклон равен: 𝑖𝑘 = (16,2/103,95)2 = 0,024.
Поскольку ℎ𝑘 = 0,53 м < ℎ0 = 0,875 м и 𝑖𝑘 = 0,024 > 𝑖0 = 0,005, поток находится в спокойном состоянии.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
17
2.2 Гидротехнические расчёты
Пропускная способность труб любой формы поперечного сечения, работающих в безнапорном режиме, может быть определена по формуле А. А.
Угинчуса:
Q  mbk 2 g H 0 2
3
Отсюда

Q
H0  
 mb 2 g
 k




2
3
где m – коэффициент расхода водослива; при совершенном сжатии потока на входе принимается в зависимости от типа входного оголовка:
m = 0,35 – для труб квадратного сечения;
m = 0,33 – для труб круглого сечения;
bk 
k
hk
- средняя ширина потока в сечении с критической глубиной:
𝑏𝑘 = 19,84/0,53 = 36,74;
Н0 – гидродинамический напор перед входным оголовком (с учётом
скорости подхода);
Нподп= Н0 + h0, м; где h0 – нормальная (бытовая) глубина в русле;
𝐻0 = (
16,2
0,35 ∙ 36,74√2 ∙ 9,81
2
)3 = 0,43 м;
𝐻подп. = 0,875 + 0,43 = 1,31 м.
Для поддержания безнапорного режима в проектируемой трубе должно
быть соблюдено условие Нподп ≤ 1,2ℎтр , где hтр = 2 м – высота отверстия
трубы в свету.
𝐻подп. = 1,31 м < 1,2ℎтр. = 1,2 ∙ 2 = 2,4 м.
2.3 Гидравлическая характеристика проектируемой трубы
2.3.1 Гидравлический расчёт живого сечения потока в трубе
В результате этого расчёта определяется:
– нормальная (бытовая) глубина, hо, м, нормальной (бытовой) глубиной
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
18
называется глубина, при которой имеет место равномерное движение потока
в русле с расчётным расходом Qр;
– средняя в сечении скорость потока Vр, м/с при равномерном движении потока.
По расчетному расходу, принимаем двухочковую трубу.
Строим поперченный разрез водопропускных труб в масштабе. По чертежу (рис. 2.3, приложение В) находим характеристики живого сечения водотока, заполняем таблицу 2.2.
По результатам таблицы 2.2 строим график зависимости Q=f(H) и
v=f(H) (рис. 2.4, приложение В).
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
19
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
КП-02069964-08.05.01-19-21
Лист
20
Отметка поверхности
земли Н, м
2
188
188,5
189
189,5
190
№
п/п
1
1
2
3
4
5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
3
Превышение
h, м
5
3,75
2,5
1,25
0
4
Площадь
живого
сечения,ω,м2
6,5
5,5
4,5
3,5
0
5
Смоченный периметр
Х, м
0,77
0,68
0,55
0,36
0
6
Гидравлический
радиус
R, м
Таблица 2.2 – Результаты расчета живого сечения потока в трубе
0,005
7
Уклон
дна русла,
𝑖𝑝
59,8
58,61
56,57
52,71
0
9
Коэф -т
Шези,
С
3,71
3,39
2,94
2,21
0
10
Сред.
скорость
потока,
м /с
0,062
0,058
0,052
0,042
0
11
√𝑅 ∗ 𝑖
18,54
12,75
7,35
2,77
0
12
Расход
𝑄𝑖 ,
м3 /с
По графику получаем: нормальная (бытовая) глубина ℎ0 = 1,825 м,
средняя в сечении скорость потока 𝑉𝑝 = 3,61 м/с.
2.3.2 Определение критической глубины hк, м, критического уклона iк и состояния потока в трубе
Определяем критическую глубину и критический уклон для прямоугольной трубы 2 х 2,5 м с расчетным расходом Q = 16,2 м3 /с и уклоном 𝑖0 =
0,005. Принимаем коэффициент шероховатости n = 0,0016.
Критическая глубина определяется по зависимости:
𝑎 𝑄2 3 1,1 8,12
ℎ𝑘 = √ 2 = √
= 0,82 м;
𝑔𝑏
9,81 52
3
где Q – расчетный расход, м3 /с;
𝑔 − ускорение силы тяжести;
𝑎 − коэфф. кинетической энергии;
𝑏 − ширина дна.
Поскольку ℎ𝑘 = 0,82 м < ℎ0 = 1,875 м и 𝑖𝑘 = 0,024 > 𝑖0 = 0,005, поток находится в спокойном состоянии.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
21
3 Определение типа крепления русла
3.1 На подходе к сооружению
Находим максимально возможную скорость Vmax и допускаемую скорость на размыв Vразм. в естественном русле, т.е. без крепления, используя
выражение:
Vmax  Wmax i0 , м/с
где Wmax = f(n; Rmax) – расходная характеристика, определяется по приложению;
Rmax – гидравлический радиус, приближенно можно принять R max = 1/2
hо, где hо – нормальная глубина воды в русле.
Если Vmax < Vразм. – укреплять русло не нужно; если же Vmax > Vразм.
– принимаем необходимый тип укрепления и расчёт повторяем до тех пор,
пока не будет удовлетворяться условие Vmax < Vразм.
Проверяем
естественное
основание
представленное
суглинком:
Rmax=0,44 м; n=0,03; Wmax=14,85; Vразм=0,85 м/с.
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 14,85 ∙ √0,005 = 1,05 м/с;
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 1,05 м/с > 𝑉разм = 0,85 м/с.
Условие не выполняется.
Проверяем укрепление из гальки
крупностью
25-40
мм: Rmax=0,44 м; n=0,025; Wmax=19,55; Vразм=1,54 м/с.
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 19,55 ∙ √0,005 = 1,38 м/с;
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 1,38 м/с < 𝑉разм = 1,54 м/с.
Принимаем укрепление русла на подходе к сооружению из гальки
крупностью 25-40 мм.
3.2 На выходе из сооружения
Находим максимально возможную скорость Vmax и допускаемую скорость на размыв Vразм. в естественном русле, т.е. без крепления, используя
выражение:
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
22
Vmax  Wmax i0 , м/с
где Wmax = f(n; Rmax) – расходная характеристика, определяется по приложению;
Rmax – гидравлический радиус, приближенно можно принять R max = 1/2
hо, где hо – нормальная глубина воды в трубе.
Если Vmax < Vразм. – укреплять русло не нужно; если же Vmax > Vразм.
– принимаем необходимый тип укрепления и расчёт повторяем до тех пор,
пока не будет удовлетворяться условие Vmax < Vразм.
Проверяем укрепление из гальки: Rmax=0,91 м; n=0,025; Wmax=26,6 м/с;
Vразм=0,93 м/с.
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 26,6 ∙ √0,005 = 1,88 м/с;
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 1,88 м/с > 𝑉разм = 0,93 м/с.
Условие не выполняется.
Проверяем укрепление из булыжника
крупностью
100-150
мм: Rmax=0,91 м; n=0,0225; Wmax=33,95 м/с; Vразм=3,41 м/с.
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 31,18 ∙ √0,005 = 2,4 м/с;
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 2,4 м/с < 𝑉разм = 3,41 м/с.
Принимаем укрепление русла на выходе из сооружения из булыжника
крупностью 100-150 мм.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
23
4 Описание принятой конструкции водопропускной трубы
По заданию курсового проекта, приняты прямоугольные водопропускные трубы из железобетона размером 2 х 2,5 м, толщина стенок 0,2 м. Входной и выходной оголовок имеют длину 3 м. Водопроводящая часть состоит
из 32 секций длиной 1 м, общая длина составляет 17 м. (см. приложение В,
рис. 4.1).
Типовыми проектами рекомендуются два типа водопропускных труб:
бесфундаментные и фундаментные. Выбор типа фундамента для труб зависит прежде всего от инженерно-геологических условий, а также от отверстия
трубы. В бесфундаментных трубах звенья опираются на естественное грунтовое основание либо на специальную грунтовую подушку из щебеночнопесчаной или гравийно-песчаной смеси. Трубы этого типа применяют при
крупнообломочных и плотных песчаных грунтах (не пылеватых), а также при
твердых и полутвердых глинистых грунтах.
При грунтах всех наименований, имеющих условное расчетное сопротивление не ниже давления под подошвой фундамента от действующих
внешних нагрузок, звенья труб непосредственно опираются на специальные
жесткие фундаменты из сборных железобетонных элементов или из монолитного бетона. Эти фундаменты применяют также при скальном основании.
Водопропускная труба проектируется железобетонной, размером
2 х 2,5 м, на основании представленном глиной текучепластичной, сопротивление грунта С = 0,33 кг/см2, толщина слоя 2,1 м. В зависимости от состава
такая почва имеет свои характеристики и особенности. Такое основание может обладать достаточной несущей способностью, но после увлажнения это
значение может значительно снижаться.
Проверим требуемую площадь плиты по формуле:
𝑆>(𝐹𝛾н)/(𝛾с𝑅0),
где S – площадь под водопропускные трубы, см2 ;
𝛾н – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2;
F – нагрузка на грунт, создаваемая водопропускной трубой, кг;
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
24
𝛾с – коэффициент условной работы, для пластичного основания при
l/h = 17/2 = 8,5 > 4 принимаемый равным 1,1;
𝑅0 – условное расчетное сопротивление грунта, принимаемое для глинистых грунтов 2 кгс/см2.
894200 см2>(249600∙1,2)/(1,1∙2)=136145,46 см2.
Учитывая особенности грунта основания и характеристики проектируемой трубы, принимаем фундаментную плиту.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
25
5 Определение необходимого объёма срезки (выемки) грунта в котловане под сооружение
Объём выемки находится по формуле:
Wср = 𝜔Вкотл.
В зависимости от выбранного типа водопропускной трубы назначаем
ширину котлована под сооружение: Вкотл = 10,55 м.
Площадь срезки (площадь треугольника ABC по рис. 5.1) находим по
формуле:
𝜔 = х𝐿котл .
Длину котлована назначить исходя из условия:
Lкотл.= Lсоор.+ Lподх.+ Lвых.
где Lсоор – длина сооружения, м;
Lподх – необходимая длина на подходе к сооружению, м;
Lвых – необходимая длина на выходе из сооружения.
Lкотл = 23,31 + 200 + 150 = 373,31 м.
Используя рисунок 5.1, находим х.
Рисунок 5.1 – К определению объёмов срезки
𝜔 = 0,84 ∙ 373,31 = 313,6 м2 .
Wср = 313,6 ∙ 10,55 = 3308,63 м3.
Принимаем необходимый объём выемки грунта в котловане под сооружение равным 3500 м3.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
26
6 Исследование кривых свободной поверхности потока
Составим схему протекания потока до сооружения, на входе в сооружение, непосредственно через сооружение и на выходе из сооружения. Нанесем на схему все определяемые глубины.
Рисунок 6.1 – Схема протекания потока
Согласно схеме имеем спокойное движение жидкости – движение, при
котором то или другое возмущение, например, искусственно созданное на
свободной поверхности, будет распространяться как вверх, так и вниз по течению.
При спокойном установившемся движении воды в русле характер протекания воды на низовых участках влияет на течение в пределах верховых
участков; течение же на верховых участках русла не сказывается на протекании воды в пределах низовых участков. Следовательно, при спокойном установившемся движении глубина воды в данном сечении русла определяется
обстоятельствами в пределах нижележащей части потока и не зависит от обстоятельств движения в пределах верховой части потока.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
27
7 Фильтрационные расчёты
Фильтрационные расчеты земляных плотин выполняются с целью
установления следующих параметров фильтрационного потока:
а) положение кривой депрессии в теле плотины и берегах;
б) фильтрационный расход через тело плотины, основание и берега;
в) напоры фильтрационного потока и их градиенты в теле плотины, в
основании и в местах контакта грунтов с различными характеристиками.
Указанные параметры фильтрационного потока необходимы:
а) для расчета фильтрационной прочности грунтов тела плотины, основания и берегов;
б) для расчета устойчивости откосов плотины и берегов;
в) для обоснования рациональных и экономических форм, размеров и
конструкций элементов плотины, ее противофильтрационных и дренажных
устройств.
7.1 Определение положения кривой депрессии фильтрационного
потока при прохождении его через дорожную насыпь в месте прохождения водного потока через водопропускное сооружение
При проектировании ответственных сооружений для выполнения
фильтрационных расчетов в настоящее время используются различные компьютерные программы, которые реализуют метод конечных элементов. На
предварительных этапах проектирования ответственных сооружений, а также
на окончательных этапах проектирования небольших насыпей при выполнении фильтрационных расчетов используются апробированные приближенные расчетные схемы и аналитические зависимости. Один из таких способов
построение кривой депрессии.
Положение кривой депрессии зависит от уровней воды в верхнем и
нижнем бьефах, геометрических размеров, дренажных и противофильтрационных элементов, а также от фильтрационных характеристик грунтов тела
насыпи и основания. При этом следует иметь ввиду, что в случае водонепро-
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
28
ницаемого основания положение кривой депрессии наиболее высокое.
Вычерчиваем поперечный профиль насыпи , соблюдая горизонтальный
и вертикальный масштабы одинаковыми, наносим кривую депрессии.
Рисунок 7.1 – Поперечный профиль с нанесенной кривой депрессии
7. 2 Определение величины удельного фильтрационного расхода
Через тело насыпи осуществляется фильтрация, что потенциально создаёт условия для фильтрационных деформаций, ведёт к большим потерям
воды. Задачей фильтрационных расчетов является установление положения
кривой депрессии (верхней границы фильтрационного потока) в теле и разработка такого поперечного сечения, при котором кривая депрессии не выходила бы на низовой откос. Выход депрессионной кривой на низовой откос
может вызвать суффозию – вымывание мелких частиц грунта потоком профильтровавшейся воды, что ведет к оседанию тела плотины и обрушению
низового откоса. Другая цель расчетов – определение общего фильтрационного расхода. Параметры фильтрационного потока позволяют найти рациональные формы и размеры поперечного профиля и ее противофильтрационных и дренажных устройств, а также выбрать общую схему дренирования
тела и основания.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
29
8 Расчёт устойчивости низового откоса земляной насыпи
Низовой откос плотины больше всего является подверженным обрушению (сползанию), поэтому необходимо выполнить статический расчет его
устойчивости. Для этого вычерчиваем поперечный профиль плотины в одинаковом вертикальном и горизонтальном масштабе с указанием положения
кривой депрессии (рис. 7.1).
Расчет ведем по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения графоаналитическим способом. Расчет сводится к определению коэффициента запаса на устойчивость массива обрушения и сравнение его с коэффициентом капитальности строительства (таблица 8.1). Заложение откоса
принимается за расчётное, если выполняется условие:
[Kз]𝑚𝑖𝑛
уст ≥[Kз]min
Таблица 8.1 – Коэффициент капитальности строительства
Коэффициент капитальности строительства
Сочетание
нагрузок
I
II
III
IV
Основные
1,3÷1,25
1,2÷1,15
1,15÷1,10
1,1÷1,05
Особые
1,1÷1,05
1,1÷1,05
1,05
1,05
Определяем действующие силы. По В.В. Фандееву центры кривых
скольжения рекомендуется располагать в криволинейном прямоугольнике
ДД/Ж/Ж. Для построения этого прямоугольника, из середины низового откоса проводим вертикаль и линию под углом 85° к осткосу. Пользуясь таблицей
8.2 вычисляем радиусы ВД и ВЖ.
Таблица 8.2 Определение радиусов скольжения
Коэффициент
1
2
3
ВД/hнас = k1
0,75
0,75
1
ВЖ/hнас = k2
1,5
1,75
2,3
Для выявления всех действующих сил в массив АА/БВГ делим на вертикальные полосы b = 0,1R. Разбивку начинаем с нулевой полосы, ось кото-
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
30
рой находится на вертикали опущенной из точки О до пересечения с дугой
АГ.
На рисунке 8.2 (приложение Б): О – центр скольжения; R – радиус
скольжения, R = 8 м; дуга АГ – дуга скольжения; АА/БВГ – массив обрушения.
Используя рисунок 8.2 (приложение Б) заполняем таблицу 8.3.
Таблица 8.3 Подсчет действующих на откос сил
Определим коэффициент запаса на устойчивость массива обрушения по
формуле:
[КЗуст]min =
𝑅𝑏𝛾ест ∑ ℎпр 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑡𝑔𝜑+∑ 𝑐𝑙 ∙𝑅
𝑅𝑏𝛾ест ∑ ℎпр 𝑠𝑖𝑛𝛼+Ф ∙
𝑟
𝑅
;
упростим формулу разделив ее на R:
[КЗуст]min =
𝑏𝛾ест ∑ ℎпр 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑡𝑔𝜑+∑ 𝑐𝑙
𝑏𝛾ест ∑ ℎпр 𝑠𝑖𝑛𝛼+Ф ∙
𝑟
𝑅
;
где Ф = 𝜔нас 𝐼 = 25,528 ∙ 0,19 = 4,85;
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
31
𝐼 = 𝛥ℎ/𝛥𝑙 = 0,805/4,15 = 0,19;
[КЗуст]min =
0,8∙1,91∙4,68+53,6
0,8∙2,02∙7,06+4,85∙
5,6
8
= 4,1.
Сравниваем коэффициент запаса на устойчивость массива обрушения с
коэффициентом капитальности строительства (таблица 8.1):
[Kз]𝑚𝑖𝑛
уст = 4,1 >[Kз]min = 1,1.
Так как условие выполняется, принимаем заложение откосов m 1:1,5 за
расчетное.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
32
9 Сравнение вариантов
В местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами или
балками, по которым стекает вода от дождей или таяния снега устраиваются
малые водоотводные сооружения. Помимо водопропускных труб могут возводиться мосты длиной не более 25 м называемые малыми мостами. Так же
как и трубы, малые мосты работают на пропуск воды всего несколько часов в
год, работают в условии аналогичном с безнапорными трубами.
Малые мосты применяют в случаях [2]:
- когда трубы не могут обеспечить пропуск всей воды, притекающей к
дороге (многоочковые трубы с числом очков более 4 уже не экономичны, поэтому в этих случаях проектируют малые мосты);
- при наличии ледохода и карчехода;
- в местах возможного возникновения селей и образования наледи;
- на болотах.
Гидравлический расчет малых мостов сводится к:
1. определению Qрасч;
2. определению глубин (h0, hб);
3. определению допустимой скорости под мостом (vдоп);
4. определению отверстия моста (L).
5. определению Hподп.
Проведем расчет при Qрасч. = 16,2 м3/с без крепления русла,
vдоп = 2,84 м/с:
Hподп = hкр(1+1/(2𝜑 2 ) = 0,82(1+1/(2 ∙ 0,92) = 1,33 м;
hкр = vдоп2/g = 2,842/9,81 = 0,82 м;
L = gQ/(𝜀vдоп3) = (9,81 ∙ 16,2)/(0,9 ∙ 0,823) = 320,41 м.
Требуется уменьшение отверстия моста, для этого принимаем крепление русла из гальки крупностью 25-40 мм, vдоп = 1,54 м/с:
Hподп = hкр(1+1/(2𝜑 2 ) = 0,24(1+1/(2 ∙ 0,92) = 0,39 м;
hкр = vдоп2/g = 1,542/9,81 = 0,24 м;
L = gQ/(𝜀vдоп3) = (9,81 ∙ 16,2)/(0,9 ∙ 1,543) = 48,35 м.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
33
Принимаем 2 пролета длиной 24 и 33 м каждый.
Для расчета стоимости строительства мостового перехода со сборными
железобетонными пролетными строениями определим расчетную площадь
мостового перехода: S = (2 ∙ 3,5) ∙ (24+ 33) = 399 м2 .
Согласно Укрупненные нормативы цены строительства НЦС 81-02-092020 Сборник N 09. Мосты и путепроводы (приложение к приказу Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 30 декабря 2019 г. N 921/пр) стоимость 1 м2 мостового сооружения равна 193,76
тыс. руб.
Расчет стоимости объекта: 399 ∙ 193,76 = 77310,24 тыс. руб.
Производим приведение к условиям субъекта Российской Федерации –
республика Мордовия: 77310,24 ∙ 0,85 ∙ 1,01 = 66370,84 тыс. руб.,
где 0,85 - коэффициент перехода от стоимостных показателей базового
района (Московская область) к уровню цен республике Мордовия;
1,01 - коэффициент, учитывающий изменение стоимости строительства
на территории субъекта Российской Федерации – республики Мордовия, связанный с климатическими условиями.
Определим стоимость строительства малого водоотводного сооружения размером 2 х 2,5 м:
Согласно Укрупненные нормативы цены строительства НЦС 81-02-082020 Сборник N 08. Автомобильные дороги (приложение к приказу Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 30 декабря 2019 г. N 919/пр) стоимость 100 пог. м железобетонной водопропускной прямоугольной трубы равна 14852,37 тыс. руб.
Определим объем работ в пог. м: (17∙2)/100 =0,34 пог.м
Расчет стоимости объекта: 0,34∙14852,37=5049,81 тыс. руб.
Производим приведение к условиям субъекта Российской Федерации –
республика Мордовия: 5049,81 ∙ 0,85 ∙ 1,01 = 4335,26 тыс. руб.
Согласно приведенным расчетам стоимость строительства водопропускной трубы значительно меньше стоимости возведения мостового сооружения.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
34
Заключение
В результате выполнения курсового проекта были подобраны оптимальные параметры для строительства сборной железобетонной двухочковой водопропускной трубы прямоугольного сечения 2 х 2,5 м под автомобильной дорогой III технической категории в Ковылкинском районе республики Мордовия.
В ходе выполнения курсовой работы был произведен гидравлический
расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, где
графо-аналитическим способом рассчитана нормальная и критическая глубины,
критический уклон, с помощью которых мы определили площадь поперечного
сечения и скорость равномерного движения воды, также при искомой глубине и
уклоне определили состояние потока как спокойное.
Так же был определен размер безнапорной дорожной трубы, с помощью
которого были рассчитаны критическая глубина потока, площадь сечения,
напор перед трубой и критический уклон.
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
35
Список использованных источников
1. Автомобильные дороги: СП 34.13330.2012/Актуализированная версия
СНиП2.05.02–85.–Введ.2013–07–01.–М.: Минрегион России, 30.06.2012.–112 с.
2. Большаков В. А. Гидрологические и гидравлические расчёты малых
дорожных сооружений: учебное пособие для вузов/ В. А. Большаков, А. А.
Курганович. – К.: Высшая школа, 1983. – 280 с.
3. Колоколов Н. М. Искусственные сооружения: учебник для техникумов
транспортного строительства/ Н. М. Колоколов, Л. В. Бутков, Л. Н. Копац, И. С.
Файнштейн; под ред. Н. М. Колоколова. – М.: Транспорт, 1977. – 456 с.
4. Мосты и трубы: СП 35.13330. 2011/Актуализированная версия СНиП
2.05.03 – 84. – Введ.2011 – 05 – 20. – М.: Минрегион России, 28.12.2010. – 146 с.
5. Определение расчётных гидрологических характеристик: СП 33–101–
2003/Взамен СНиП 2. 01. 14 – 83. – Введ. 2004 – 01 – 01. – М.: Минрегион России, 26.12.2003. – 73 с.
6. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений/ М.: Транспорт, 1992. – 407с.
7. Савин К. Д. Искусственные сооружения: учебник/ К. Д. Савин. – М.:
Транспорт, 1977. – 256 с. с илл.
8. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ 3.501-104 СБОРНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ВОДОПРОПУСКНЫЕ ТРУБЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ И
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ. ЧАСТЬ1. ТРУБЫ ПОД АВТОМОБИЛЬНУЮ
ДОРОГУ.
9. Укрупненные нормативы цены строительства НЦС 81-02-09-2020
Сборник N 09. Мосты и путепроводы (приложение к приказу Министерства
строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 30 декабря 2019 г. N
921/пр).
10. Укрупненные нормативы цены строительства НЦС 81-02-08-2020
Сборник N 08. Автомобильные дороги (приложение к приказу Министерства
строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 30 декабря 2019 г.
N919/пр).
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
36
ПРИЛОЖЕНИЕ А
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
37
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
38
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
39
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
40
ПРИЛОЖЕНИЕ В
КП-02069964-08.05.01-19-21
Изм.
Лист
№ докум.
Подп.
Дата
Лист
41