Данные берутся из СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика»

РАСЧЁТ ДОРОЖНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ

ТРУБ

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Гидрология и регулирование стока»

 

ЯГТУ 280302.65-001 КР

 

 

Нормоконтролер

Преподаватель,

(____________) Симонова А. В.

06.02.2014

 

Работу выполнил

студент гр. ЗОВР-45а

___________ Ананенко А.А.

06.02.2014

 

 

Содержание

Введение.............................................................................................................. 3

1 Исходные данные............................................................................................ 5

2 Характеристика района проектирования....................................................... 6

2.1 Климатические условия............................................................................. 6

2.2 Гидрологические условия......................................................................... 7

2.3 Определение характеристик водосборного бассейна.............................. 8

3 Гидрологический расчёт дорожных водопропускных труб......................... 9

3.1 Определение расходов и объёмов ливневых вод..................................... 9

3.2 Расчёт стока талых вод............................................................................ 11

4 Гидравлический расчёт водопропускных труб........................................... 14

4.1 Назначение и выбор отверстия водопропускных труб......................... 14

4.2 Определение длины водопропускной трубы......................................... 17

Заключение........................................................................................................ 18

Список использованных источников................................................................ 19

Приложение 1.................................................................................................... 20

 

Введение

Малые водоотводные сооружения устраиваются в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами или балками, по которым стекает вода от дождей или таяния снега. Количество водопропускных сооружений зависит от климатических условий и рельефа, а стоимость их составляет 8-15% от общей стоимости автомобильной дороги с усовершенствованным покрытием. Поэтому правильный выбор типа и рациональное проектирование водопропускных сооружений имеют большое значение для снижения стоимости строительства автомобильной дороги.

Большую часть водопропускных сооружений, строящихся на автомобильных дорогах, составляют трубы. Водопропускные трубы — это искусственные сооружения, предназначенные для пропуска под насыпями дорог небольших постоянных или периодически действующих водотоков. Они не меняют условий движения автомобилей, поскольку их можно располагать при любых сочетаниях плана и профиля дороги. Они практически не чувствительны к возрастанию временной нагрузки и динамическим ударам, требуют меньшего расхода материала на постройку и меньших затрат на содержание и ремонт, допускают более высокие скорости течения воды в сооружении по сравнению с мостами, а поэтому при разных размерах пропускная способность их выше. Для увеличения водопропускной способности наряду с одноочковыми трубами применяются и многоочковые. Трубы не стесняют проезжую часть и обочины, а также не требуют изменения типа дорожного покрытия. Кроме того, трубы строятся полностью сборными из железобетонных и бетонных элементов небольшой массы, что позволяет пользоваться кранами малой грузоподъемности.

Труба состоит из средней части, входного и выходного оголовков. Средняя часть трубы обычно разделена на звенья, установленные на фундамент, объединяющий их в секции, или на грунтовую подушку. Между секциями устраивают сквозные деформационные швы для предотвращения трещин или других повреждений трубы от воздействия неравномерной осадки. Нижнюю часть отверстия или дно трубы оформляют в виде лотка, которому придают продольный уклон с учетом уклона лога на месте устройства трубы. Уклон трубы обеспечивают путем ступенчатого расположения ее секций.

Трубы под насыпями можно классифицировать по следующим признакам:

- по характеру протекания воды;

- по форме поперечного сечения трубы;

- по конструкции входной части трубы;

- по материалу труб.

По характеру протекания воды различают трубы напорные, безнапорные и полунапорные.

В напорных трубах вода заполняет все сечение трубы.

В трубах безнапорных поток на всем протяжении трубы имеет свободную поверхность.

В полунапорных трубах входное сечение трубы затоплено, а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность.

По форме поперечного сечения трубы бывают круглые, овальные, трапецеидальные, прямоугольные, треугольные.

По конструкции входной части различают трубы:

- с портальным оголовком;

- с раструбным оголовком;

- с воротниковым оголовком; при воротниковом оголовке трубы срезаны в плоскости откоса насыпи, а потому их иногда называют трубами со скошенными оголовками;

- с коридорным оголовком;

- с обтекаемым оголовком.

По материалу трубы бывают железобетонные, металлические, деревянные, бетонные, каменные и др.

 

1 Исходные данные

1 Район проектирования — Вологодская область

2 Топографическая карта — вариант №1

2 Характеристика района проектирования

 

2.1 Климатические условия

Данные берутся из СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика»

Вологодская область расположена во II₂ дорожно-климатической зоне - зоне со значительным увлажнением грунтов в отдельные периоды года. Для района проложения автомобильной дороги характерен климат с не очень холодной зимой и тёплым летом, что видно из дорожно-климатического графика, представленного на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 — Дорожно-климатический график района проложения

проектируемой дороги

 

Лето теплое: среднесуточная температура наиболее жаркого месяца (июля) составляет +17,4°С; зимы не холодные со среднесуточной температурой наиболее холодного месяца (января) –11,2°С. Отрицательные температуры воздуха бывают с ноября по март, а расчетная длительность периода отрицательных температур Т=213 сут.

Абсолютный максимум температуры воздуха в году достигает +35°С, минимум –48°С. Следовательно, амплитуда температуры составляет 83°С. Годовая средняя суточная амплитуда температуры воздуха бывает в июле (22,2°С), а максимальная в сентябре и декабре (-16°С).

За год выпадает 522 мм осадков; количество осадков в жидком и смешанном виде 573 мм за год; суточный максимум 72 мм. Средняя за зиму высота снежного покрова составляет 30-50 см, а число дней со снежным покровом до 170 суток.

Для рассматриваемого района зимой преобладают ветры юго-западного направления. Летом преобладают ветры западного направления (рисунок 2). Средняя скорость ветра за январь равна 4,4 м/с. Максимум из средних скоростей по румбам за январь — 6 м/с. Средняя скорость ветра за июль равна 2,0 м/с. Максимум из средних скоростей по румбам за июль — 23 м/с.

 

 

Рисунок 2 — Розы ветров

2.2 Гидрологические условия

По характеру и степени увлажнения проектируемый район относится к 1-му типу местности, для которой согласно приложению Г методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»:

- поверхностный сток обеспечен;

- грунтовые воды не влияют на увлажнение верхней толщи;

- почвы серые, лесные слабоподзолистые, в северной части зоны — темно-серые лесные и черноземы оподзоленные и выщелоченные. В районе дороги грунты представлены супесями.

Вероятная полоса проложения дороги пересекает грядовые холмы рельефа высотой менее 80 м (с перепадом высот 40 м) и речку без поймы и заболачивания. Холмы без растительности и имеют устойчивые склоны. Это позволяет оценить рельеф как равнинный слабопересеченный, то есть трудных участков не имеет и потому для проектирования следует принимать основные расчетные скорости.

 

2.3 Определение характеристик водосборного бассейна

Для определения расчетного расхода необходимо в процессе технических изысканий выполнить необходимые топографо-геодезические работы и обследования. Основными исходными данными являются план бассейна с характеристикой его площади, длины главного лога, среднего уклона лога, склонов. Кроме того необходимо установить характер поверхности бассейна: растительность, почвенный покров.

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.

Бассейн малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах снимают, как правило, по карте. При определении границ бассейна сначала устанавливают ближайшие к водопропускному сооружению точки перегиба местности на трассе (выпуклые переломы). Эти точки будут началом и концом водораздельной линии. Другие точки водораздельной линии определяют аналогично, при этом учитывают, что водораздел идет всегда перпендикулярно горизонталям и от него вода должна стекать в противоположные стороны.

При отсутствии необходимых карт или когда водосборы выражены неясно, а также при площади бассейна не менее 0,25 км² надлежит производить съемку водосборов в натуре.

Площадь бассейна, очерченного по карте, определяется планиметром, палеткой или разбивкой бассейна на простейшие геометрические фигуры.

В данной курсовой работе площадь водосбора определялась по выданной топографической карте (см. приложение) с масштабом 1:10000 методом разбивки очерченного на ней бассейна на квадраты со сторонами 100м споследующим их суммированием. Площадь водосборного бассейна, F = 0,32 км².

Уклон главного лога можно определить по формуле:

 

 

где Н_вс — отметка точки выше сооружения;

Н_нс — отметка точки ниже сооружения;

L_в, L_н — расстояние по тальвегу от сооружения, соответственно, до верхней и нижней точек.

 

Расчет максимальных расходов ведется по ливневому стоку и стоку талых вод. За расчетный принимается больший из них.

 

 

3 Гидрологический расчёт дорожных водопропускных труб

 

3.1 Определение расходов и объёмов ливневых вод

 

Для определения расхода и объёма ливневого стока используем следующие данные:

- ливневой район для заданной области, определяемый по приложению Д методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб» соответствует для Московской области 6-му ливневому району;

- площадь водосборного бассейна, принятая по карте, F = 0,06 км²;

- длина главного лога, определённая по карте, L = 320 м;

- средний уклон лога определяем по формуле:

 

 

- уклон лога у сооружения определяем по формуле (1):

 

 

Вероятность превышения паводка для трубы на дороге III категории — 2 %.

Максимальный расход ливневого стока, м³/с, определяется по формуле:

 

 

где α _час — интенсивность ливня часовой продолжительности в зависимости от ливневого района и вероятности превышения максимальных расходов расчётных паводков, мм/мин. По приложению Е методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб» принимаем α _час = 0,89;

k_t — коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчётной продолжительности, зависящий от длины водосброса L, м и среднего уклона лога i, ‰. По приложению Ж методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб» принимаем k_t = 2,765;

α — коэффициент потерь стока, зависящий от вида и характера поверхности бассейна. По приложению И методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб» принимаем α = 0,38;

φ — коэффициент редукции (уменьшения), учитывающий неполноту стока, тем большую, чем больше водосбор.

 

Коэффициент редукции φ зависит от площади водосбора F:

 

 

 

Тогда максимальный расход ливневого стока равен:

 

 

При площади водосборного бассейна F ≤ 0,1 км² коэффициент φ = 1.

Определяем объём ливневого стока:

 

 

3.2 Расчёт стока талых вод

 

Максимальный расход талых вод для любых бассейнов, м³/с определяется по формуле:

 

где k₀ — коэффициент дружности половодья, определяемый для равнинных рек по приложению К методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб», для горных рек с весенне-летним половодьем — по приложению Л методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»; для расчётного случая принимаем k₀ = 0,02;

n — показатель степени, зависящий, как и k₀, от рельефа и климатических условий, определяется по приложению К методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»; для расчётного случая принимаем n = 0,25;

δ₁, δ₂ — коэффициенты, учитывающие снижение расхода в зависимости от озерности, залесенности и заболоченности водосбора, принимаемые соответственно по таблице 2 и таблице 3 методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»; на местности нет озёр, поэтому δ₁ принимаем равным 1, а значение δ₂ = 0,59;

h_p — расчётный слой суммарного стока той же вероятности превышения, что и искомый максимальный доход, мм. Определяется по формуле:

 

 

где h₀ — средний многолетний слой стока, мм, определяемый по карте средних слоёв стока талых вод (приложение М методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб») и равный для рассматриваемого района проложения дороги 40 мм;

k_p — модульный коэффициент для расчётного расхода.

 

Величина модульного коэффициента зависит от величины коэффициента асимметрии С_s, который в свою очередь зависит от коэффициента вариации С_v, величина которого определяется по карте коэффициентов вариации слоя стока половодий (приложение Н методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»). Для района проложения дороги С_v = 0,5. Данную величину для бассейнов площадью менее 200 км² умножают на коэффициент 1,25. Тогда С_v = 0,63.

Коэффициент асимметрии С_s для равнинных водосборов принимается по формуле:

 

Величина коэффициента k_р определяется по кривым модульных коэффициентов слоёв стока для соответствующей вероятности превышения (по приложению П методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»). Принимаем k_р = 2,6.

 

 

 

Рисунок 3 — Кривые модульных коэффициентов слоёв стока

 

Тогда расчётный слой суммарного стока h_p = 40 2,6=104 мм.

Определяем максимальный расход талых вод:

 

 

4 Гидравлический расчёт водопропускных труб

 

4.1 Назначение и выбор отверстия водопропускных труб

 

Наибольшее применение получили дорожные водопропускные трубы круглого и прямоугольного сечения. Согласно нормативным данным дорожные трубы имеют следующие стандартные отверстия:

- круглые — 0,75; 1,0; 1,25; 1,5 и 2,0 м;

- прямоугольные: одноочковые — 2,0; 2,5 и 3,0 м; двухочковые — 2х2,2; 2х2,7 и 2х3,2 м.

Пропускная способность многоочковых (двухочковых, трёхочковых) труб равна суммарной пропускной способности соответствующего количества одноочковых труб.

Расчёт труб производится при безнапорном режиме протекания воды через сооружение.

Условие безнапорного режима протекания воды:

 

 

где Н — подпор (глубина воды) перед трубой, м;

h_τ — высота трубы в свету, или диаметр отверстия трубы d, м.

Условие пропускной способности трубы:

 

 

где Q_p — расчётный расход воды, м³/с;

Q_c — пропускная способность трубы, м³/с.

 

За расчётный расход Q_p принимаем наибольший из максимальных расходов, определённых в гидрологическом расчёте, т.е. ливневый расход, равный м³/с.

Принимаем предварительно круглую одноочковую трубу диаметром 2,0 м с раструбным оголовком и с коническим (обтекаемым) входным звеном. Для принятого расчётного расхода из приложения Р методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб» выписываем данные:

- диаметр трубы d=1,25 м;

- глубина воды перед трубой H=0,51 м;

- скорость воды на выходе из трубы V=1,5 м/с.

Проверяем выполнение условия безнапорного режима

0,51<1,2 1,25=1,50 — условие безнапорного режима соблюдается.

Определяем пропускную способность трубы по формуле:

 

 

где g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с²;

ω_с — площадь сжатого сечения потока.

 

Находим значение глубины потока h_c в сжатом сечении трубы:

 

 

 

Соотношение:

 

 

 

По рисунку 4 определяем, что:

 

откуда следует:

 

Рисунок 4 — График для расчёта круглых сечений

 

Пропускная способность трубы будет равна:

 

 

 

Проверяем выполнение условия пропускной способности трубы:

0,94<0,98 — условие пропускной способности трубы выполняется.Таким образом, выбираем одноочковую трубу диаметром 1,25 м. В типовых проектах для унифицированных труб составляют расчётные таблицы или графики пропускной способности типовых труб (приложение С методички ЯГТУ №2653 «Расчёт дорожных водопропускных труб»)

 

 

4.2 Определение длины водопропускной трубы

 

Длина водопропускной трубы зависит от высоты насыпи у трубы, которая определяется по продольному профилю и углу, который образует ось трубы с осью дороги.

Высота насыпи у трубы должна быть больше или равна минимальной высоте насыпи Н_min, определяемой по формуле:

 

где δ — толщина стенки звена трубы, равная 0,22;

Δ — минимальная толщина засыпки над звеньями трубы, принимаемая для всех типов труб на автомобильных и городских дорогах равной 0,5 м; с учётом толщины дорожной одежды принимаем Δ = 0,8 м.

 

 

Длина водопропускной трубы определяется по формуле:

 

 

где В — ширина земляного полотна, равная для дороги III категории 12 м;

m — коэффициент заложения откосов насыпи, равный 1,5;

Н_нас — высота насыпи у трубы, которую принимаем равной 2,27 м;

i_τ — уклон трубы, соответствующий уклону лога у сооружения, равный 24,2‰;

α — угол между осью дороги и осью трубы, равный 90°.

 

Тогда длина водопропускной трубы будет равна:

 

Принимаем длину трубы равной 14,5 м.
Заключение

В данной курсовой работе первоначально были определены характеристики водосборного бассейна, где была посчитана площадь водосборного бассейна (F = 0,06 км²). Далее, был произведён гидрологический расчёт дорожных водопропускных труб, где графо-аналитическим способом был определён средний уклон лога (25 ‰) и уклон лога у сооружения (24,2 ‰), затем, был посчитан максимальный расход ливневого стока (Q_л = 0,94 м³/с) и объём ливневого стока (W_л = 1920 м³). Далее, был произведён расчёт стока талых вод (Q_m = 0,07 м³/с).

Второй задачей был произведён гидравлический расчёт водопропускных труб, где был подобран диаметр водопропускной трубы (1,25 м) и определена пропускная способность водопропускной трубы (Q_с = 0,98 м³/с). В завершении работы была определена длина водопропускной трубы (14,5 м).

Список использованных источников

 

 

1 ЯГТУ Расчёт дорожных водопропускных труб. Методическое пособие – Я.: ЯГТУ, 2006. – 32 с.

2 СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика.