«В.А.Подвербный, В.В.Четвертнова ПРОЕКТ УЧАСТКА НОВОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ. ЧАСТЬ 5. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ПЕРИОДИЧЕСКИХ ВОДОТОКАХ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ИРКУТСК 2000 УДК 625.111 ...»

Рис.П.1.9. Объемная схема проектирования водоотвода:1 – водоразделы; 2 – точки пересечения трассой логов; рис. из /33/ (дополнен) На рис.П.1.10 хорошо видно как определить на карте положение периодического водотока. На рис.П.1.10 обозначен пунктиром со стрелками главный лог; показаны бергштрихи; высота сечения горизонталей 10 м.

На рис.П.1.11 показано, что у бассейна может быть несколько логов. Для определения притекаемого расхода с помощью номограммы ливневых расходов необходимо вычислить уклон главного лога. Поэтому задачей нахождения всех логов бассейна ограничиться нельзя. Необходимо из них выделить один – главный лог, по которому вода стекает от самой высокой точки бассейна до места расположения ИССО в замыкающем створе.

Рис.П.1.10. Изображение периодического водотока: а – на блок-диаграмме; б – на топографической карте; рис. из /33/( дополнен)

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ БАССЕЙНОВ НА КАРТЕ

Бассейны, образованные одним или двумя склонами, называются – односкатными или двускатными и относятся к простым бассейнам; на рис.П.1.12 бассейн, ограниченный водоразделами АБ, БВ, и ВГ – простой. Бассейны, имеющие промежуточную русловую систему, называются расчлененными, или сложными бассейнами; на рис.П.1.12 бассейн, ограниченный водоразделами ГВ, ВД и ДЕ – сложный.

Всегда следует помнить две вещи, см. рис.П.1.13: во-первых, что площади бассейнов и даже их число зависят от положения трассы, поэтому границы бассейнов определяют по картам после того, как нанесена трасса; во-вторых, что основной целью всех работ на данном этапе является размещение водопропускного ИССО поперечного водоотвода или проектирование продольного водоотвода. На рис.П.1.13 показано как соотносятся изгибы горизонталей и формы поверхности рельефа.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ БАССЕЙНОВ НА КАРТЕ

Рис.П.1.13. Рисунок местности, совмещенный с фрагментом топографической карты (выделенны границаы бассейна и размещено водопропускное ИССО): 1–2–3–4–5 – главный продольный водораздел в районе прохождения трассы; 6–2-3-4-7 – границы бассейна, из них: 6-2 и 7-4 – поперечные (боковые) водоразделы, 2-3-4 – главный (верхний, продольный) водораздел данного бассейна; 3-8 – главный лог бассейна (боковые лога не показаны); 8 – место расположения ИССО – двухочковой круглой железобетонной трубы 2х2,0 м с раструбным оголовком; рис. из /36/(пееработан) Рис.П.1.13 отражает всю последовательность действий: находим на карте бассейн определяем расход воды, притекающей с него к замыкающему створу подбираем тип и отверстие водопропускного ИССО, выполняя необходимые проверки, размещаем ИССО на трассе (на плане и продольном профиле).

Для того, чтобы Вы хорошо усвоили, как горизонтали, расположеные на плоской карте передают рельеф местности и что такое высота сечения рельефа мы приводим два рисунка П.1.14 и П.1.15. На рис.П.1.14 хорошо видно, что такое лог и водораздел (в этом помогают и берг-штрихи); из рисунка становится понятным и термин высота сечения рельефа (на рис.П.1.14 она равна 10 м).

Если Вы хорошо усвоили материал, то без труда найдете все периодические водотоки на рис.П.1.15 (они специально не нарисованы, хотя часть из них подписана). На рис.П.1.15 как раз и показано (с помощью блок диаграммы и отмывки в тенях) как находить водоразделы (обозначены пунктиром). Постоянные водотоки уже нарисованы, а вот сухие лога Вам придется поискать (если хотите себя проверить).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ БАССЕЙНОВ НА КАРТЕ

Рис.П.1.14. Соответствие форм рельефа и рисунка горизонталей; рис. из /35/(дополнен) Рис.П.1.15. Объемное изображение рельефа в виде блок-диаграммы с отмывкой в тенях;

рис. из /34/ (дополнен) На участках, где трасса пересекает продольный водораздел и нагорная сторона изменяет свое положение по отношению к трассе, соответственно изменяется и расположение бассейнов, см. рис.2.2: бассейны 6 и 7 расположены по разные стороны главного водораздела.

В отдельных случаях сложные бассейны могут состоять из бассейнов, расположенных с противоположных сторон трассы. Например, на рис.П.1.16 показан такой сложный расчлененный бассейн периодического водотока. Замыкающий створ сложного – 4-го бассейна расположен в сечении А. Бассейн состоит из бассейнов, расположенных как с одной стороны трассы, так и с другой ее стороны. Причем, на рассматриваемом участке трассы придется размещать четыре водопропускных сооружения.

Сначала – в точке А и этот бассейн по площади – максимальный, затем – в точках Б, В и Г. В точке Б вода собирается не со всего бассейна 1, а лишь с его части - нагорной по

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ БАССЕЙНОВ НА КАРТЕ

отношению к трассе (с левой стороны по ходу километров). Такие же замечания справедливы и для точек В и Г.

Вся сложность данного примера (рис.П.1.16) состоит в том, что вода, уже однажды пропущенная через ИССО в точках Б, В и Г, попадает в длинный сухой лог 4-го бассейна (который получает еще часть воды со своего левого склона) и опять должна быть пропущена через земляное полотно трассы в точке А.

Рис.П.1.16. Сложный бассейн, состоящий из бассейнов 1 - 4, расположенных с противоположных сторон трассы: 1, 2, 3 – бассейны, расположенные с левой стороны трассы (по ходу километров); 4 – бассейн, расположенный с правой стороны от трассы; рис. из /7/ Рассмотренный нами пример очень важен. В курсовом проекте вполне могут встретиться сложные бассейны, границы которых определить сложно. Все зависит от категории сложности рельефа местности и от того, насколько сложный план трассы Вы наметили.

Приведенные ниже примеры определения границ бассейнов, рис.П.1.17 и П.1.18, позволят Вам закрепить прочитанный материал.

На рис.П.1.17 показан пример определения границ сложного (расчлененного) бассейна, расположенного по одну сторону от главного водораздела и трассы. Седло с отметкой 502 (рис.П.1.17, точка m) на главном водоразделе является началом главного лога. Самая низкая отметка в замыкающем створе – 437 м – является конечной точкой лога в пределах бассейна (рис.П.1.17, точка n). Другие лога на рис.П.1.17 не показаны. Высота сечения горизонталей равна 5 м.

На рис.П.1.18 приведена схема определения площадей бассейнов, три из которых могут быть отнесены к сложным – расчлененным. Найденные площади заштрихованы. Показаны главные лога в пределах всех пяти бассейнов. Бассейны №1, №2 и №3 (считая по ходу километров трассы) имеют хорошо выраженные дополнительные лога (на рисунке они не показаны). Однако, как мы видим, было принято решение по размещению в пределах этих бассейнов лишь по одному ИССО на главных логах. Вода из других логов в пределах бассейнов отводится водоотводными канавами к основным ИССО поперечного водоотвода.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ БАССЕЙНОВ НА КАРТЕ

Рис.П.1.17. Определение границ бассейна и выявление главного лога: а-б-в-г – боковой водораздел; г-д-е-ж-з – главный водораздел; з-и – боковой водораздел; а-и – замыкающий створ; n – место размещения ИССО; m – седло на главном водоразделе, начало главного лога; m-n – главный лог; рис. из /20/ Рис.П.1.18. Определение площадей бассейнов и выявление главных логов для участка трассы железнодорожной линии: а, б, в, г, д – водораздельные точки; рис. из 20/

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ БАССЕЙНОВ НА КАРТЕ

На рис.П.1.19 приведен пример, на котором хорошо видно, что при пересечении трассой главного водораздела (обычно – в седле, как самой пониженной точке водораздела) направление, с которого вода притекает к трассе – меняется. Рис.П.1.19 приведен в виде схемы – без горизонталей, специально для того, чтобы подчеркнуть, что нагорная сторона – это та сторона, которая имеет более высокие отметки и именно с повышенной стороны (со стороны главного, продольного водораздела) вода стекает к трассе5. На рис.П.1.19 бассейны №17 – 20 расположены с южной стороны от водораздела, а бассейны №21 – 23 – уже с северной стороны. Но все равно, вода бежит «сверху – вниз» - по отношению к отметкам (а не к тому как повернута в данный момент карта). Мы так подробно объясняем этот вопрос потому, что иногда студенты неправильно находят бассейны, т.к. рисуют их не с нагорной стороны.

Сравните рис.П.1.19 и П.1.20, чтобы закрепить прочитанный материал. Рис.П.1. проще для понимания тем, что на нем приведены горизонтали. Но, зато на нем не показаны главные лога с направлением стока воды. Однако, мы надеемся, что Вы уже научились их находить и определять (по отметкам, по виду горизонталей) – куда бежит вода.

Рис.П.1.19. Пример определения бассейнов при пересечении трассой главного продольного водораздела; рис. из /20/ Рис.П.1.20. Топографическая карта с участком трассы железнодорожной линии, пересекающей главный водораздел: А-Б-В – главный продольный водораздел;а, б, в, г, Б, д, е – водораздельные точки на трассе; 1 – 6 – места размещения ИССО; рис. из /7/ Трасса делит любой бассейн, как правило, на две части: нагорную (верховую) и подгорную (нижнюю). Для размещения ИССО необходимо определить площадь именно нагорной части бассейна.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

В приложении 2 приведены основные сведения о водопропускных трубах. В приложении использованы материалы работ /3/, /4/, /16/, /39/-/41/, /45/, /46/, /49/, /50/. Приложение в первую очередь предназначено для студентов специальности 240100, т.к.

студенты специальности 290900 подробно рассматривают конструкцию и расчеты труб в курсе «Сооружение и эксплуатация мостов, тоннелей и труб».

П.2.1. Основные части водопропускных труб Трубы представляют собой малые водопропускные сооружения, расположенные в насыпях дорог. Они, как правило, состоят из следующих основных частей: входного и выходного оголовков (для плавного ввода и вывода водного потока), секций трубы (для возможности независимой осадки и фундамента, рис.П.2.1.

Рис.П.2.1. Схема водопропускной трубы: поверхность потока воды при режимах протекания: I – безнапорном; II – полунапорном; III – напорном; 1 – подводящее русло; 2 – входной оголовок; 3 – секция трубы; 4 – звено трубы; 5 – деформационный шов; 6 – гидроизоляция; 7 – выходной оголовок; 8 – фундамент; 9 – укрепление отводящего русла; – каменная наброска; рис. из /16/ Длина средней части трубы определяется шириной насыпи по подошве и длиной входного и выходного оголовков. Для исключения изгиба трубы расчленяют на секции длиной не более 5 м. Швы между секциями и звеньями заполняют упругим гидроизоляционным материалом, чтобы вода из труб не проникала в насыпи и не разжижала грунт. Соприкасающиеся с грунтом поверхности труб покрывают гидроизоляцией, чтобы вода из насыпи не разрушала кладку труб. Во избежание застоя воды после осадки секции трубы укладывают со строительным подъемом по круговой кривой.

В зависимости от скорости течения воды на выходе из трубы отводное русло и откосы насыпи у трубы укрепляют одерновкой, каменным мощением или бетонными плитами. При необходимости перед входом в трубу устраивают сквозное ограждение для защиты трубы от засорения.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

П.2.2. Классификация труб По форме поперечного сечения: круглые, прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, овоидальные, с вертикальными стенками и сводом, эллиптические и арочные, рис.П.2.2.

Рис.П.2.2. Основные формы поперечных сечений труб: а – круглое; б – прямоугольное; в трапецеидальное; г – треугольное; д – овоидальное; е – с вертикальными стенками и сводом; ж – эллиптическое; з – арочное; рис. из /16/ По числу отверстий: одноочковые и многоочковые, рис.П.2.3.

По материалу, из которого трубы изготавливаются: железобетонные - рис.П.2.4, П.2.5, бетонные – рис.П.2.6, П.2.7, каменные – рис.П.2.8, П.2.9, металлические – рис.П.2.10, деревянные - рис.П.2.11.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

По уклону трубы: равнинные при iт 20 ‰ и косогорные при iт>20 ‰.

Рис.П.2.12. Схема косогорной трубы: 1 – быстроток с уширением; 2 – входной оголовок;

3 – средняя часть трубы; 4 – гаситель энергии; 5 – порог с прорезью; 6 – укрепление отводящего русла; 7 – ковш с камнем (рисберма); рис. из /16/ По влиянию длины трубы на ее водопропускную способность: короткие – сжатое сечение не затоплено и длина не влияет на водопропускную способность и длинные – сжатое сечение затоплено и на протяжении всей длины трубы сохраняется спокойный поток, вследствие чего сопротивления по длине трубы влияют на ее пропускную способность.

По влиянию глубины воды в нижнем бьефе: затопленные со стороны нижнего бьефа, когда уровень воды в нижнем бьефе влияет на пропускную способность трубы и на глубину воды перед трубой и незатопленные.

По углу между трассой и осью трубы: прямые и косые. Трубы, как правило, располагают перпендикулярно трассе, но при косом пересечении логов (особенно - глубоких) устраивают косые трубы, рис.П.2.13, или даже криволинейные. Косые трубы могут иметь индивидуальные оголовки или клиновидные звенья. Применение индивидуальных оголовков улучшает гидравлические характеристики, но усложняет конструкцию и увеличивает длину трубы.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

На сети железных дорог России наиболее часто встречаются короткие незатопленные трубы, поэтому расчеты возможной водопропускной способности типовых труб заранее выполняют для этих характерных условий: при iт = iк (уклон трубы равен критическому уклону, что обеспечивает увеличение водопропускной способности трубы).

.2.3.Сравнение конструкций труб из различных материалов П.2.3.1. Каменные трубы Трубы из камня напоминают каменные мосты, рис.П.2.14.

В каменных трубах как и в каменных арочных мостах, свод оперт пятамим на устои, которые в то же время являются стенами трубы и подпорными стенами для грунта, расположенного по сторонам, рис.П.2.15. Отверстия каменных труб – от 1 до 6 м. Каменные трубы бывают одно- и двухочковыми водопропускной способностью до 130 м3/с.

Фундамент при большом отверстии – самостоятельный под каждую стену, а при малом отверстии – общий в виде сплошной плиты, рис.П.2.15.

Рис.П.2.15. Поперечные сечения каменных труб со сплошными и раздельными фундаментами: а – одноочковых; б – двухочковых; рис. из /39/ При раздельных фундаментах необходим каменный или бетонный лоток, рис.П.2. б. Разновидностью каменных труб являются овоидальные трубы; в них высокий свод оперт непосредственно на фундамент, рис.П.2.16 а.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

подготовка из щебня или гравия с глиной; рис. из /16/ Своды каменных труб принимают параболического, элиптического, коробового или другого очертания, приближающегося к кривой давления от нагрузок на трубу, для уменьшения изгибающих моментов в сечениях сводов. Трубы состоят из секций длиной от до 6 м, покрытых гидроизоляцией. Каменные трубы имеют портальные, раструбные, коридорные или воротниковые оголовки с нормальными или повышенными входными звеньями. Видимые поверхности оголовков обычно облицовывают тесаным камнем.

Овоидальные каменные трубы имеют суживающиеся к верху отверстия, рис.П.2.16 а, что несколько снижает их водопропускную способность. Из-за большого объема работ по устройству сложной кладки сводов и укреплению подводящего и отводящего русел трудоемкость и продолжительность возведения овоидальных труб высока. Трубы с вертикальными стенками, рис.П.2.16 б, имеют пологие своды кругового очертания и небольшой лоток, отделенный от стен деформационными швами. По сравнению с овоидальными трубами они имеют большую водопропускную способность, меньший объем кладки сводов, простую кладку стен, поэтому трудоемкость и продолжительность их строительства меньше.

Достоинства каменнных труб – простота их содержания и хорошая сохранность.

Использование камня сокращает расход цемента. Недостатки каменных труб – большая трудоемкость возведения и выполнение всех работ на месте строительства.

Таким образом, каменные трубы являются надежными и долговечными сооружениями с малыми эксплуатационными расходами, но не удовлетворяющими современным требованиям индустриального строительства. Каменные трубы могут быть целесообразны в труднодоступных районах при наличии местного природного камня. В курсовом проекте проектирование каменных труб может быть задано в качестве элемента УИРС.

П.2.3.2. Бетонные трубы Бетонные трубы имеют прямоугольные отверстия шириной 1,5; 2,0 и 3,0 м при высоте 2,0 м и шириной 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 м при высоте 3,0 м. Бетонные трубы могут быть одно- и двухочковыми; водопропускная способность их достигает 152 м3/с.

Средняя часть бетонных труб состоит из секций длиной 3-4 м, которые могут быть монолитными или сборными. Сборные секции состоят из железобетонных плит перекрытия отверстия, бетонных блоков стен, насадок, лотка и фундамента, рис.П.2.17.

Рис.П.2.17. Конструкция бетонной трубы: а – поперечный разрез двухочковой трубы; б – секции трубы; 1 – фундамент; 2 – бетонный стеновой блок; 3 – насадка; 4 – железобетонная плита; 5 – гидроизоляция; 6 – лоток; рис. из /16/ Железобетонные плиты шириной 1 м не только перекрывают отверстия труб, но и служат распорками между стенками труб. Бетонные блоки стен имеют массивную фигурную

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

конструкцию длиной 1 м и высотой 1,8 м и 2,6 м. Поверху стеновые блоки объединяют железобетонными насадками длиной 3-4 м, на которые укладывают плиты покрытия.

Бетонные трубы отверстием до 3,0 м имеют сплошные фундаменты, а свыше 3,0 м – раздельные. Фундаменты могут быть на естественном основании или свайные. Бетонные трубы имеют раструбные оголовки с нормальными или повышенными входными звеньями (призматические звенья с наклонно лежащими плитами покрытия). Выходные звенья имеют нормальную высоту.

Для бетонных труб предельная высота насыпи зависит от типа основания. При естественных нескальных основаниях толщтна ж/б плиты перекрытия увеличивается при высоте насыпи более 7,0 м и предельная высота составляет 19,0 м. При скальных и свайных основаниях толщина плиты перекрытия увеличивается при насыпях свыше 6,0 м; предельная высота насыпи при таких основаниях составляет от 16,0 до 18,0 м в зависимости от величины отверстия трубы.

Прямоугольные бетонные трубы с плитным ж/б перекрытием могут применяться на периодических и постоянных водотоках без наледных явлений. В виде исключения, в местах возможного образования наледей может быть допущено применение ПБТ (шириной не менее 3,0 м и высотой не менее 2,0 м) в комплексе с постоянными противоналедными сооружениями /1, п.8.7/, /15, п.8.3/.

Достоинства бетонных труб. Бетонные трубы применяют на периодических и постоянных водотоках. Трубы отверстием свыше 3,0 м можно применять на водотоках с наледями в комплексе с постоянными противоналедными сооружениями /1, п.8.7/. Бетонные трубы имеют малые эксплуатационные расходы и большой срок службы.

Недостатки бетонных труб. Сборные трубы из бетонных блоков, хотя и проще в изготовлении, чем каменные или бетонные монолитные, но все же неудобны из-за большого разнообразия блоков. Большой объем кладки блоков на цементном растворе, гидроизоляционных и других работ требует значительных трудовых затрат и времени строительства. В этом отношении неоспоримое преимущество на стороне железобетонных труб, монтируемых из готовых однотипных звеньев.

П.2.3.3. Железобетонные трубы Железобетонные трубы сохраняют эксплуатационные достоинства каменных и бетонных труб, но лучше них приспособлены к индустриальному изготовлению в виде удобных для перевозки и монтажа однотипных звеньев замкнутого контура.

Сборные железобетонные трубы состоят из круглых цилиндрических, круглых с плоским основанием (пятой), овоидальных и прямоугольных звеньев, рис.П.2.18.

Рис.П.2.18. Поперечные сечения звеньев железобетонных труб: а – круглое цилиндрическое; б – круглое с плоским основанием; в – овоидальное; г – прямоугольное; b – отверстие трубы, равное диаметру трубы или ширине трубы в свету; hт – высота трубы в свету; рис. из /16/

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

Толщину стенок звеньев принимают не менее 10 см. Длина звеньев, как правило, равна 1 м. Удлинение звеньев до 2-3 м снижает затраты труда на монтаж трубы и устройство гидроизоляции стыков между звеньями на 15-25%.

Круглые цилиндрические звенья имеют отверстия 1,00; 1,25; 1,50 и 2,00 м. Толщину и армирование звеньев принимают в зависимости от высоты насыпи, временной и подвижной нагрузки и положения звена в трубе.

В круглых трубах толщина звеньев увеличивается при высоте насыпи более 3,0 м, а затем при высоте насыпи более 7,0 или 8,0 м (в зависимости от величины отверстия трубы).

В прямоугольных трубах увеличение толщины звеньев производится при высоте насыпи более 3,0 м или 3,5 м, а затем при высоте 7,0 или 9,0 м.

Предельная высота насыпи в типовых проектах круглых и прямоугольных железобетонных труб при естественных нескальных основаниях принята 19,0 м, для скальных и свайных оснований в круглых трубах 16,5 м, а в прямоугольных – от 16, 0 до 18,0 м в зависимости от величины отверстия трубы. Круглые ж/б трубы отверстием 1,00 м применяются при высоте насыпи не более 6,0 м при естественном нескальном основании и не более 5,5 м при скальном или свайном основании.

Круглые звенья с плоским основанием имеют более экономичное армирование, переменную толщину стенок и не нуждаются в лекальных блоках, в результате чего стоимость, трудоемкость и продолжительность строительства.

Овоидальные звенья имеют свод небольшой толщины с незначительным армированием, что сокращает расход стали и бетона.

Прямоугольные железобетонные звенья имеют отверстия:

b =1,00 и 1,25 м при высоте трубы в свету hт = 1,5 м;

Из круглых и овоидальных звеньев собирают одно-, двух- и трехочковые секции длиной 2 – 3 м, рис.П.2.20, водопропускной способностью до 40 м3/с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

Пространство между звеньями в трубах с фундаментами заполняют бетоном, а в бесфундаментных – дренирующим грунтом. Верхней поверхности заполнения придают двускатный уклон не менее 0,03. Секции из прямоугольных звеньев могут быть одно- и двухочковыми (с заполнением шва между стенками смежных звеньев), рис.П.2.21, водопропускной способностью до 84 м3/с. Между секциями устраивают деформационные швы шириной не менее 3 см.

Для защиты бетона и арматуры от коррозии наружные поверхности и стыки в бетонных и железобетонных трубах покрывают гидроизоляцией. Гидроизоляция бывает оклеечной – с армирующими материалами и обмазочной – неармированной. Гидроизоляцию верхних поверхностей звеньев и плит покрытий труб защищают слоем цементно-песчаного раствора, а боковых поверхностей труб – асбоцементными плитами, кирпичной кладкой в кирпича или засыпкой грунтом. Наружные поверхности железобетонных звеньев и плит покрывают оклеечной гидроизоляцией. Соприкасающиеся с грунтом поверхности стен бетонных труб и оголовков покрывают обмазочной гидроизоляцией. Стыки между торцами звеньев и блоков оголовков труб конопатят паклей, пропитанной раствором битума в бензине и заделывают цементно-песчаным раствором. Деформационные швы между секциями труб перекрывают полосой оклеечной гидроизоляции с компенсатором, расположенным внутри шва.

Конструкция и материалы гидроизоляции постоянно совершенствуются. Вот три примера из практики строительства БАМа /46/.

1. Устройство битумной оклеечной изоляции, которая по проекту прямоугольных железобетонных труб должна защищаться стенкой из кирпича, является трудоемким процессом. В условиях линейного строительства из-за большого числа водопропускных труб (в среднем, одна труба на 1 – 2 км трассы) трудоемкость доставки и кладки кирпича (при его расходе до 15 тыс. штук на трубу) значительна. Снижение трудоемкости и ускорение темпов строительства на БАМе были достигнуты за счет применения звеньев с заводской гидроизоляцией. ЦНИИСом и Ленгипротрансмостом были разработаны конструкция и технология изготовления звеньев с заводской битумнопластиковой гидроизоляцией, в которых предусмотрены изготовление стеклопластиковых листов и устройство гидроизоляции на них на стадии бетонирования звеньев.

2. В тресте “Тындатрансстрой” для гидроизоляции водопропускных труб проводились опытные работы по применению эпоксидно-каменноугольной мастики. Эта мастика выпускается готовой к употреблению в виде двух компонентов. Перемешанную мастику наносили тремя слоями толщиной 0,6 – 0,8 мм. Трубы, изолированные эпоксиднокаменноугольной мастикой не требовали защитной стенки из кирпича.

3. По рекомендации СКТБ Главбамстроя трестом “Нижнеангарсктрансстрой” была осущствлена замена трудоемкой монолитной защитной стенки из кирпича сборным покрытием асбоцементными листами толщиной 8 мм. В 1981 г. на Бурятском участке БАМа были построены 74 трубы с защитной изоляцией

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

асбоцементными листами, что дало значительный экономический эффект, после чего конструкция защиты гидроизоляции прямоугольных труб асбоцементными листами была внесена Ленгипротрансмостом в типовой проект, рис.П.2.22.

Масса звеньев железобетонных труб до 4,7 т; устанавливают их небольшими кранами на автомобильном или гусеничном ходу, рис.П.2.23.

Типовые круглые трубы имеют раструбные оголовки с коническими входными и выходными звеньями. В прямоугольных трубах отверстиями 1,00 – 2,50 м приняты раструбные оголовки с повышенным входным звеном на входе и нормальном на выходе ( высота входного звена на 0,50 м больше нормального звена трубы); в трубах отверстием 3,00 и 4,00 м входные и выходные оголовки имеют нормальные звенья.

Круглые и прямоугольные железобетонные трубы могут применяться на периодически действующих водотоках, где отсутствуют наледные явления, а на постоянных водотоках – лишь в климатических районах с январской изотермой (среднемесячной температурой января не ниже –13 С. Иначе при очистке трубы весной от льда металлическими скребками может быть поврежден защитный слой бетона, арматура трубы подвергнется коррозии в условиях водной среды со значительными перепадами температур и частыми переходами через 0С, в результате чего труба разрушится, начнутся интенсивные деформации земляного полотна.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

П.2.3.4. Деревянные трубы Деревянные трубы могут иметь прямоугольное, трапецеидальное, треугольное или круглое отверстие, рис.П.2.24.

Рис.П.2.24. Деревянные трубы: а – трапециевидная; б – прямоугольная; в – треугольная;

рис. из /41/ Наиболее рациональна трапециевидная форма. По сравнению с треугольной такая труба лучше пропускает воду и более удобна для эксплуатации (для осмотра, очистки и ремонта). По сравнению с прямоугольной трубой трапециевидная труба обладает большей жесткостью.

Деревянные трубы состоят из лежней, рам и обшивки, рис.П.2.25.

Лежни из бревен укладывают на спланированный грунт или глинистую подушку толщиной 0,50 – 0,75 м. Рамы изготавливают из бревен или брусьев и ставят на расстоянии 1,0 – 1,5 м. Элементы труб соединяют простейшими врубками с минимальным применением металлических скреплений. Обшивку делают из пластин или толстых досок. Поверху досок укладывают слой мятой глины толщиной 0,2 – 0,3 м. Круглые деревянные трубы состоят из кольцевых кружал, обшитых горбылем или досками. Оголовки труб представляют собой портальные или раструбные стенки из свай и обшивки. Перед трубой в грунте устраивают шпунтовую стенку для защиты от подмыва. Отверстия деревянных труб – до 2,0 м.

Достоинства. Деревянные трубы имеют малую стоимость, трудоемкость и продолжительность строительства. Их можно возводить из местных материалов в любое время года. Недостатки. Деревянные трубы имеют незначительный срок службы (4 – 6 лет) из-за гниения древесины. Их ремонт и замена сложны и трудоемки.

Деревянные трубы могут быть конкурентоспособны в северных районах страны с преобладанием низких температур, например, в Северной строительно-климатической зоне, при условии пропитки антисептиками. Деревянные трубы могут применяться на временных

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

притрассовых автомобильных дорогах. Размещение деревянных труб может быть задано в курсовом проекте в качестве элемента УИРС.

П.2.3.5. Металлические трубы Металлические трубы применялись на железных дорогах еще в ХIХ веке. Первые металлические трубы были чугунными. Они состояли из круглых звеньев отверстием до 2, м, длиной не более 3,2 м и толщиной стенок до 30 мм, которые взаимно объединяли стыковыми полухомутами, стягиваемыми болтами, рис.П.2.26 б. Чугунные трубы имели малую стоимость и трудоемкость строительства, хорошие эксплуатационные качества, но большой расход металла.

Рис.П.2.26. Металлические трубы: а – из волнистой стали (гофрированные); б – чугунные; 1 – стыковые накладки; 2 – ребра жесткости; 3 – оголовок; 4 – мощение; рис. из /39/ В конце ХIХ века начали применять более экономичные трубы из тонколистовой гофрированной (волнистой) стали с повышенной стойкостью против коррозии, рис.П.2.26 а.

Характерная особенность этих труб состоит в том, что при действии давления грунта насыпи они немного сплющиваются и деформируются в стороны, при этом возникает упругий отпор грунта, который повышает несущую способность труб и тем значительнее, чем выше качество и степень уплотнения окружающего грунта. Отверстия гофрированных труб имеют круглую, элиптическую или арочную форму. Отверстия круглых труб достигают 9 м, а эллиптических – 12 м.

Гофрированные трубы могут быть как с оголовком так и без оголовка, рис.П.2.27.

Вертикальный торец трубы должен выступать из насыпи на уровне ее подошвы не менее чем на 0,2 м, а наклонный торец, срезанный параллельно откосу насыпи – не менее чем на 0,5 м. Оголовок типа «капюшон», рис.П.2.27 в, обеспечивает «зарядку» гофрированных труб при малых подпертых глубинах, в России не применяется, но широко распространен в США. Его недостаток – неустойчивый напорный режим при значениях H/hт близких к 1,00.

Рис.П.2.27. Типы гофрированных труб: а – без оголовка со срезом перпендикуляроно оси трубы; б – со срезом параллельно откосу; в – с оголовком типа «капюшон»; г – с раструбным железобетонным оголовком с углом раструбности 20; D – диаметр (отверстие) трубы; mот – величина заложения откоса насыпи; рис. из /4/

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

Металлические гофрированные трубы бывают многоочковыми и многоярусными.

При многоярусном расположении верхние отверстия пропускают только весенние паводковые воды и поэтому большую часть времени эксплуатации остаются сухими, что повышает их долговечность, позволяет применять на водотоках с наледями.

Наибольшее отверстие имеет построенная в Канаде труба, состоящая из пяти отверстий по 10,8 м каждое. Общее отверстие ее 54 м. Наибольшее число очков имеет двухъярусная труба, построенная в Канаде и состоящая из 14 круглых отверстий по 2,6 м в нижнем ярусе и 7 круглых отверстий по 1,5 м в верхнем ярусе; всего 21 отверстие.

Стальные трубы состоят из гнутых гофрированных листов толщиной 1,5 – 7,0 мм с кольцевыми или спиральными гофрами. Для защиты от коррозии листы после механической обработки покрывают тонким слоем цинка толщиной 80 - 100 мкм.

Гофрированные трубы могут значительно деформироваться без повреждений, поэтому их укладывают без фундаментов на грунтовые подушки или ложе со строительным подъемом. Наименьшая толщина подушки 0,4 м, рис.П.2.28.

В качестве материала подушки рекомендуются дренирующие грунты: пески средней крупности, крупные и гравелистые, а также щебенисто-галечниковые и дресвяно-гравийные грунты, не содержащие частиц размером больше 50 мм. При повышенной агрессивности среды поверхности труб дополнительно покрывают битумом, эпоксидной смолой или полимерной эмалью. Для защиты от абразивного действия наносов и коррозии лотки труб покрывают бетоном или асфальтобетоннными блоками, что сокращает трудоемкость и сроки работ. Толщина покрытия лотков должна быть выше гофр на 2 см.

Трубы засыпают песчаным, супесчаным грунтом (не применяют пылеватые пески и глинистые грунты) послойно равномерно с обеих сторон трубы и тщательно уплотняют для обеспечения надежной совместной работы гибкой стальной трубы с окружающим грунтом, рис.П.2.29 - П.2.31.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

Рис.П.2.30. Последовательность отсыпки и уплотнения слоев грунта обсыпки при устройстве металлической гофрированной трубы: 1 – грунт вблизи стенок трубы, уплотняемый электротрамбовками; 2 – труба отверстием 1,5 м; 3 – часть грунта над телом трубы, уплотняемая бульдозером при толщине засыпки свыше 0,5 м; цифры в кружках – последовательность отсыпки и уплотнения слоев; рис. из /46/ Рис.П.2.31. Технологическая схема сооружения металлической гофрированной трубы: 1 – автосамосвал, доставляющий грунт из карьера; 2 – бульдозер перемещающий грунт к телу трубы и разравнивающий его слоями заданной толщины; 3 – труба; 4 – полуприцепной пятисекционный пневмокаток ДУ-16В массой 26 т (толщина уплотняемых слоев 30 см); рис.

из /46/ Предельное относительное изменение горизонтального диаметра трубы в процессе отсыпки и уплотнения грунтовых призм по бокам конструкции не должно превышать 3 %.

Область применения металлических гофрированных труб согласно утвержденному МПС в 1983 г. проекту ограничивалась высотой насыпи 6 м из-за вероятных деформаций поперечного сечения трубы (овализации). СибЦНИИСом предложена конструкция трубы с устройством для предотвращения ее деформации, рис.П.2.32.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

В зависимости от модуля деформации грунта Е, МПа, обсыпки трубы и величины ее отверстия нормируют наибольшую величину насыпи, допускаемую по условиям прочности.

Коэффициент уплотнения грунта должен быть не менее 0,95 максимальной стандартной плотности. Толщина засыпки над трубой на железных дорогах должна быть не менее 1,2 м.

Важное замечание. Основная особенность металлических гофрированных труб – это их совместная работа с окружающим грунтом. Вертикальная нагрузка воспринимается трубой и через ее боковые поврхности передается грунту, расположенному рядом с ней, рис.П.2.33. Если рядом с трубой грунт не будет сопротивляться этому силовому воздействию, то конструкция получит недопустимые деформации с потерей устойчивости и разрушением. Поэтому наряду с выполнением всех требований по изготовлению и монтажу собственно металлической трубы должно быть обеспечено высокое качество работ устройства основания и особенно – обсыпки трубы. Высота обсыпки трубы должна быть не менее 0,5 м.

Рис.П.2.33. Металлическая гофрированная труба: а - продольный разрез трубы, сооружаемой до возведения насыпи; б - фасад трубы, сооружаемой в прогале насыпи; в - фасад трубы при сооружении ее с заглублением в грунт основания; 1 – металлическая гофрированная труба с двусторонним цинковым покрытием; 2 – дополнительное защитное покрытие; 3 – асфальтобетонный лоток; 4 – грунтовая призма (обсыпка); 5 – гравийно-песчаная подушка; 6 – противофильтрационный экран; 7 – укрепление откосов; 8 – блок-упор; 9 – укреплените русла; - действие нагрузок на трубу в сечении А-А; рис. из /50/ Предельная высота насыпи для металлических труб зависит от отверстия трубы и модуля деформации Е, Мпа (1МПа – 1 мегапаскаль = 1·106 Па; 1Па – единица давления в системе СИ; паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2). Деформируемость грунтов при сжатии характеризуется модулем деформации Е, МПа, который определяют в полевых и лабораторных условиях. Для предварительных расчетов модуль деформации может приниматься по таблицам /49, табл.1.13, 1.14/. Для песчаных грунтов в зависимости от значения коэффициента пористости е и гранулометрического состава грунта Е изменяется от 11 МПа для пылеватых песков при е = 0,75 до 50 МПа для гравелистых крупных и средней крупности песков при е = 0,45. Для глинистых грунтов значения модуля деформации изменяются от 5 МПа для аллювиальных суглинков с показателем текучести 0,50< JL 313,60 (проверка не выполняется).

Для трубы КЖБТ отв. 31,5м: НУПВ + 0,50 = 312,95 + 0,50 = 313,45 < 313,60 (проверка выполняется).

Следовательно, только КЖБТ отв.31,5 м прошла все пять гидравлических проверок.

Конструктивные проверки ИССО.

1. По прил.5 определяем hн(min) – констр КЖБТ 31,5м =2,04 м. На профиле запроектирована насыпь по оси сооружения hн =2,20 м. Так как 2,20 > 2,04, то первая конструктивная проверка выполняется.

2. По прил.5 определяем hн(max) – констр = 19,00 м – на естественном, нескальном и несвайном основании. Так как 2,20 2,20 м. Однако, и в этом случае можно было бы предусмотреть углубление русла hсрез = 0,36 м. Следовательно, небольшое различие (до 0,50 м) между минимально допустимыми и запроектированными высотами насыпи, в разумных пределах, не являются препятствием для размещения 2. На практике подбор типов и размеров ИССО не выполняют последовательно по пяти гидравлическим и затем по трем конструктивным проверкам, тем более, что это деление на проверки (требования, условия) введено в учебном пособии как методический прием – для последовательности изложения. В действительности, открыв какое-либо из приложений по трубам прил.5 – 8 сразу смотрят проходит ли труба гидравлические и конструктивные проверки (начинать рекомендуется с небольших труб, т.к. они дешевле по строительной строимости). Если не проходит, тогда переходят к другому типу труб (или даже мостов – когда расходы притекают большие, а насыпь запроектирована невысокая).

Следующие два примера изложены именно так: не по последовательным проверкам, а комплексно – по перебираемым типам ИССО.

Пример №2. Разместить ИССО на периодическом водотоке при исходных данных:

- расходы притока к замыкающему створу составляют (см.п.2.2 пособия «Определение расходов притока» пример №1): Qпр(расчет) = 47,25 м3/с; Qпр (max) = 65,70 м3/с;

- отметки: дна лога Нл = 311,40 м; проектной линии по оси ИССО Нпр = 313,60 м;

- высота насыпи по оси ИССО: hн = 313,60 – 311,40 = 2,20 м.

Гидравлические проверки ИССО + Конструктивные проверки ИССО 1. По прил.5, рис.П.5.1 устанавливаем, что из типовых круглых железобетонных труб расчетный расход притока Qпр(расчет) = 47,25 м3/с в зоне расчетных расходов не пропустит ни одна труба.

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

2. По прил.7, рис.7.1 устанавливаем, что Qпр(расчет) = 47,25 м3/с в зоне расчетных расходов пропустит только МГТ отв. 33,0 м, однако, максимальный расход притока эта труба не пропустит внутри поля графика, т.е. не будут выполнены третья и четвертая гидравлические проверки; к тому же, эта труба не пройдет и первую конструктивную проверку по величине hн(min) – констр МГТ 33,0м =3,65 > hн =2,20 м.

3. По прил.6, рис.П.6.1 устанавливаем, что Qпр(расчет) = 47,25 м3/с в зоне расчетных расходов пропустит только ПЖБТ отв. 24,0 м; однако, по величине hн(min) – констр ПЖБТ 24,0м =3,20 > hн =2,20 м труба не проходит первую конструктивную проверку.

4. По прил.8, рис.П.8.1 устанавливаем, что Qпр(расчет) = 47,25 м3/с в зоне расчетных расходов пропустят: ПБТ отв. 6,0 м; ПБТ отв.23,0 м (при hт = 3,0м); ПБТ отв.24,0 м;

ПБТ отв. 25,0 м и ПБТ отв.26,0 м; однако, по величине hн(min) – констр ПБТ ни одна из них в запроектированную насыпь не войдет, т.е. не пройдет первую конструктивную проверку.

5. По прил.9, рис.П.9.2 (hн = 3,00м) устанавливаем, что притекаемые расходы Qпр(расчет) = 47,25 м3/с и Qпр (max) = 65,70 м3/с могут пропустить семь разных схем свайно-эстакадных мостов. Учитывая то обстоятельство, что проектная отметка по оси сооружения является самой низкой в пределах разлива подпертой воды при пропуске максимального расхода (при принятой в данном примере схеме профиля, см. рис.П.11.2 а), т.е. является контрольной точкой А, в которой необходимо проверять незатопление земляного полотна), из семи схем следует оставить для дальнейшей проверки только те, которые пропускают максимальный расход с напором не более: (hн - hзапас над НУПВ = 2,20 - 0,5 = =1,70 м – см. третью гидравлическую проверку для мостов). Следовательно, остаются четыре схемы: СЭМ 56,0 м; СЭМ 39,3 м; СЭМ 66,0 м; СЭМ 49,3 м.

6. Для отобранных четырех схем выполняются: вторая гидралическая проверка (максимальный напор не превышает 3,00 м), третья гидралическая проверка (запас проектной линии, а следовательно, и бровки подходной насыпи над наивысшим уровнем подпертой воды составляет не менее 0,50 м) и обе конструктивные проверки (2,00 < hн=2,20 < 8,00). Следовательно, осталось проверить только первую гидравлическую проверку, см.

формулу (П.11.40):

Расчет начинаем с моста, имеющего небольшое по длине пролетное строение, хотя и запроектированного по схеме с пятью пролетами, следовательно, с числом опор – 4, но учитывая то, что насыпь невысокая и опоры – свайные, данная схема вполне конкурентоспособна.

Для СЭМ 56,0 м по рис.П.9.2 определяем значения напоров: Нрасчет = 1,29 м; Нmax = 1,57 м. Значения запаса принимаем: при пропуске расчетного расхода mmin-Qрасчет-(Н>1) = 0,75 м (когда глубина подпертой воды перед мостом Н>1,00 м); при пропуске максимального расхода mmin-Qmax = 0,25 м. Строительную высоту конструкции для железобетонного пролетного строения полной длиной 6,0 м выписываем из прил.9: с = 0,95 м.

Выполняем проверку первого гидравлического требования для мостов:

- при пропуске расчетного расхода: 313,60 > (311,40+0,85·1,29+0,75+0,95 –0,60 = 313,59) – проверка выполняется;

- при пропуске максимального расхода: 313,60 > (311,40+0,85·1,57 +0,25+0,95 –0,60 = 313,33) – проверка выполняется.

7. Рассчитаем отметку НУПВ для обозначения ее на продольном профиле: НУПВ = Нл + +Нmax = 311,40 + 1,57 = 312,97.

Вывод. Для пропуска притекаемых расходов в данных условиях может быть размещен свайно-эстакадный мост: СЭМ 56,0 м. Наивысший уровень подпертой воды НУПВ = 312, следует нанести пунктирной линией на продольный профиль и его отметку подписать, см.

рис.П.11.2 – П.11.4. Углубление русла не требуется.

Замечание. Для мостов с трапецеидальной формой подмостового русла, к которым относится и выбранный свайно-эстакадный мост, расход, пропускаемый сооружением зависит от высоты насыпи и при одной и той же схеме, но разных высотах насыпи больший

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

расход пропустит мост на меньшей насыпи, см. прил.4. В рассмотренном примере на продольном профиле запроектирована насыпь hн = 2,20м. При подборе схемы моста использовался график возможных водопропускных способностей мостов при высоте насыпи hн = =3,00м. Следовательно, принятые в расчете значения напоров Нрасчет (h = 3,0м) = 1,29 м; Нmax(h = 3,0м) = 1,57 м – несколько завышены. В действительности привысоте насыпи hн = 2,20м живое сечение потока под мостом будет больше и напоры несколько снизятся, см. рис.П.4.4. При необходимости уточнения расчетов следовало бы определить значения напоров для данной схемы моста и по графикам, изображенным на рис.П.9.1, т.е. при hн = 2,00м. Эти напоры составили бы Нрасчет (h = 2,0м) = 1,15 м; Нmax(h = 2,0м) = 1,43 м. Следовательно, с помощью линейной интерполяции могут быть установлены истинные напоры перед СЭМ 56,0 м при дробной высоте насыпи, запроектированной на продольном профиле (а не при целых высотах насыпей, для которых построены графики, приведенные в прил.9):

Нрасчет (h = 2,2м) = (1,29 - 1,15) · 0,2 + 1,15 = 1,18 м; Нmax(h = 2,0м) = (1,57 - 1,43)· 0,2 + 1,43 = 1, Следовательно, некоторая погрешность при определении напоров по графикам, приведенным в прил.9 с округлением высоты насыпи – существует, в примере она равна 0,11 м.

В курсовом проекте на данной стадии разрешается не учитывать эту погрешность и подбирать мосты по графикам из прил.9. При округлении высоты насыпи пользоваться обычным правилом, например hн = 2,01 2,44 – округляется отбрасыванием дробной части, т.е. напоры определяют по графикам с высотой насыпи hн = 2,00 м, а при значениях запроектированной насыпи hн = 2,45 2,99 – округляют в большую сторону и напоры определяют по графикам с высотой насыпи hн = 3,00 м.

Пример №3. Разместить ИССО на периодическом водотоке при исходных данных:

- расходы притока к замыкающему створу составляют (см.п.2.2 пособия «Определение расходов притока» пример №2): Qпр(расчет) = 21,00 м3/с; Qпр (max) = 29,20 м3/с;

- отметки: дна лога Нл = 343,20 м; проектной линии по оси ИССО Нпр = 367,12 м;

- высота насыпи по оси ИССО: hн = 367,12 – 343,20 = 23,92 м.

Гидравлические проверки ИССО + Конструктивные проверки ИССО 1. По прил.5 - 9 убеждаемся, что типовые трубы и свайно-эстакадные мосты размещены быть не могут при высоте насыпи hн = 23,92 м, см. вторые конструктивные требования труб и свайно-эстакадных мостов. Следовательно, необходимо разместить железобетонный мост по балочно-разрезной схеме с массивными опорами и обсыпными устоями (конструкция опор при рабочем проектировании может быть уточнена: сборные, сборномонолитные, монолитные, стоечные, столбчатые и др.).

2. По прил.10, рис.П.10.1 устанавливаем, что притекаемые расходы (кстати, весьма небольшие) могут быть пропущены мостом, у которого ширина русла по дну равняется bдн = 6,0 м, при этом напор воды перед мостом составит: при пропуске расчетного расхода Нрасчет = 1,80 м, при пропуске максимального расхода Нmax = 2,20 м. При столь высокой насыпи, конечно будут выполняться все проверки (гидравлические и конструктивные).

3. Необходимо назначить схему моста. Определим длину моста по формуле (см.схему моста в прил.10) Lм(потреб) = 6,0 + 3 · 23,92 + 2,0 = 79,76 м .

Учитывая большую высоту насыпи желательно назначить небольшое число пролетов моста, чтобы было немного высоких (и дорогих) опор.

4. По прил.10 принимаем самые длинные балочные двухблочные ребристые пролетные строения из преднапряженного железобетона полной длиной lп = 34,20 м.

Длина моста складывается (без учета деформационных швов): из длин пролетных строений lп и устоев lу = 4,0 м (см. часть 4 пособия).

Рассчитаем количество пролетов n по формуле: n = (Lм – 8) / lп = (79,76 – 8) / 34,2 = 2,1.

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

5. Примем n=2 и проверим, допустима ли погрешность (см. часть 4 пособия, раздел 2).

(Lм(потреб) - Lм(обеспеч)) / Lм(потреб) = (79,76 – 76,40) / 79,76 = 0,04 < 0,08, следовательно погрешность допустима и может быть принят двухпролетный мост.

6. Рассчитываем НУПВ = Нл + Нmax = 343,20 + 2,20 = 345,40.

Вывод. Для пропуска притекаемых расходов в данных условиях может быть размещен железобетонный мост с массивными опорами и обсыпными устоями: ЖБМ 234,2 м. Наивысший уровень подпертой воды НУПВ = 345,40 следует нанести пунктирной линией на продольный профиль и его отметку подписать, см. рис.П.11.2 – П.11.4. Углубление русла не требуется.

Замечание. Столь высокая насыпь при пересечении сухого лога, по-видимому объясняется сложным рельефом местности, частым чередованием крутых “пиков” при пересечении второстепенных водоразделов (отрогов хребтов, мысов) и глубоких “ям” при пересечении логов (ущелий, долин с крутыми склонами). Такой профиль поверхности земли называется “пилообразным”. Даже применяя крутые ограничивающие уклоны (руководящий уклон или уклон кратной тяги) на таком профиле бывает очень сложно уменьшить высоты насыпей при пересечении логов и глубины выемок при пересечении водоразделов. Причина заключается в том, что “пики” и “ямы” расположены близко друг к другу, и при переходе, например, с уклона –18 ‰ к уклону +18‰ при рекомендуемой алгебраической разности сопрягаемых уклонов, допустим, iрек = 6‰, необходимо запроектировать 5 элементов переходной крутизны (длиной lрек 200 м), которые «съедают» ограничивающий уклон, не позволяя опуститься поглубже в лога, чтобы уменьшить высоты насыпей. На таких профилях (на таких картах) вполне возможны высокие насыпи в логах. Применение кривых малого радиуса в плане позволяет лишь незначительно улучшить профиль земли по трассе.

При курсовом проектировании на кафедре “Изыскания, проектирование и постройка железных дорог” ИрИИТа отдельным студентам выдают сложные топографические карты.

Такая карта уже является элементом УИРС на тему “Трассирование железных дорог в сложных топографических условиях. Приемы развития линий на напряженных ходах”.

В таких случаях, какой рассмотрен в примере №3, по-видимому, наиболее целесообразным будет не проектирование железобетонного моста с массивными опорами и обсыпными устоями с высокой подходной насыпью, а замена моста и насыпи на железобетонный виадук (ЖБВ). В пользу такого решения могут быть приведены следующие доводы:

- раз такой сложный рельеф, то, скорее всего, и поперечные уклоны значительные, следовательно, большая косогорность местности, на которой обеспечить устойчивость земполотна подходов к мосту сложнее, чем усттойчивость виадука;

- в сложных топографических условиях вероятнее всего предполагать (пусть это даже не задано в курсовом проекте в явном виде) сложные склоновые инженерно-геологические процессы: обвалы, осыпи, оползни, курумы, снежные лавины, селевые потоки, в местах развития которых предпочтительнее проектировать виадуки и эстакады, нежели высокие насыпи.

Проектирование ИССО: тоннелей, виадуков, эстакад, переездов и путепроводов будет рассмотрено в части 6 пособия.

В качестве образца инженерного решения в сложных топографических и инженерно-геологических условиях может быть рекомендован опыт строительства мостовых переходов с сейсмостойкими опорами рамного типа на Бурятском участке БАМа, запроектированных Сибгипротрансом и построенных подразделениями треста “Мостостройп.4.4/.

На Бурятском участке БАМа железнодорожная линия пересекала Северо-Муйский хребет, расположенный в пределах высокоактивной в сейсмическом отношении Байкальской рифтовой зоны. Расчетная сейсмичность площадок для строительства мостов на этих участках оценивалась в 9 баллов, рис.П.12.4.

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

На капитальном обходе Северо-Муйского тоннеля (уклоном 18 ‰) Сибгипротрансом было запроектировано 12 мостовых переходов с сейсмостойкими опорами рамного типа: 4 путепровода, 6 мостов и 2 виадука различных схем с применением пролетных типовых строений, рис.П.12.1-П.12.4.

Двухъярусные опоры запроектированы в виде сборных железобетонных двухъярусных плоских рам со стойками квадратного сечения 0,80,8 м. Стойки с помощью усиленных стыков стаканного типа заделаны в монолитное тело фундамента.

Для опор высотой до 20 м использовалась одноярусная конструкция, состоящая из четырех железобетонных столбов диаметром 0,8 м, максимальной высотой до 15 м, объединенных вверху монолитной насадкой, а внизу – фундаментом или телом опор, рис.П.12.2.

Установка столбов наклонными в двух плоскостях способствовала повышению жесткости опор. При пересечении постоянных водотоков столбы защищались сборномонолитным телом из унифицированных блоков ЦНИИСа и облицовочных блоков с монолитным заполнением.

Фундаменты были разработаны двух типов: свайные на буронабивных сваях диаметром 1,2 и 1,5 м и на естественном основании.

Монтаж пролетных строений осуществлялся двумя способами: стреловыми кранами КАТО и ХИТАЧИ «с поля», см. рис. П.12.1 и поворотным консольным краном ГЭПК-130рис.П.12.3.

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Общая характеристика постоянного обхода с уклоном 18 ‰: длина - 54,3 км (в том числе, длина двухпутных вставок - 5,5 км), средний уклон трассы - 15,5 ‰; процент использования руководящего уклона туда/обратно - 38% / 48%; сумма преодолеваемых высот туда/обратно – 421 м / 450 м; протяженность кривых - 35,5 км / 65 %, в том числе, с радиусом 300 м - 20,2 км / 37,2%; покилометровый объем основных / суммарных земляных работ 267, / 280,6 тыс. м3/км; водопропускных труб - 28; малых и средних мостов: металлических – 3, железобетонных - 28; больших мостов - 6; виадуков - 2; путепроводов под ж.-д. нагрузку - 5;

переездов – 5; галерей - 6 шт. / 925 м; подпорных стен - 5 шт./610 м; высота насыпей до 25 м, на 639-м км при пересечении р.Итыкит виадуком высота насыпи более 35 м, рис.П.12.3, П.12.4; глубина выемок – до 25 м, на 668-м км – выемка глубиной около 42 м; /3, с.210, с.231-233/.

Экономический эффект от применения рамных конструкций составил на каждую опору в зависимости от ее типа 6 – 52 тыс.руб (1989 г.). По всем показателям строительной эффективности стоимость мостовых переходов в результате принятых решений снизилась на 43,3 %, расход строительных материалов - на 47 %, трудоемкость работ уменьшилась на 37,7 %; экономия бетона по сравнению с опорами массивного типа составила 50 %; срок строительства сократился на 30 % /46, с.164 - 165/.

Перспективность сооружения опор рамной конструкции в районах с повышенной сейсмичностью – очевидна. Отсутствие массивного тела и увеличение гибкости дают значительное снижение сейсмических нагрузок, действующих на опоры; на всех опорах предусмотрено антисейсмическое закрепление пролетных строений.

Рис.П.12.3. Строительство виадука через долину р.Итыкит на 639-м км БАМа по трассе постоянного обхода с уклоном 18 ‰ Северо-Муйского тоннеля; схема виадука 1034,2 м; а – монтаж пролетного строения; б – общий вид виадука; сейсмостойкие двухъярусные опоры рамной конструкции высотой более 35 м; металлические пролетные строения с ездой поверху на балласте (сплошные главные балки длиной 34,2м); радиус кривой около 600 м;

строительство ведет Мостоотряд – 52 треста «Мостострой – 9»; фото предоставлены Н.М.Быковой Рис.П.12.4. Схема планов основной трассы (трассы I-го главного пути с iр = 9 ‰) и трасс обходов на участке строительства СеПРИЛОЖЕНИЕ 12. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ веро-Муйского тоннеля (Бурятский участок БАМа, 1989 г.); рис. из /3/

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ

ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ

В приложении 13 приведены основные требования к проектированию водопропускных сооружений в сложных гидрологических, климатических и инженерногеологических условиях. В приложении использованы материалы работ /1/ - /4/, /8/ - /11/, /13/ - /16/, /20/, /46/ - /48/, /51/ - 60/.

В задании на курсовое проектирование обычно не включают данных по гидрологическим, климатическим и инженерно-геологическим условиям заданного района проектирования новой железнодорожной линии, которые могли бы осложнить выполнение проекта.

Это делается для того, чтобы не увеличивать объем работы по проекту.

Дополнительные данные в задание на проектирование могут быть внесены для того, чтобы приблизить курсовой проект к реальным природным условиям заданного района проектирования. Обычно, в курсовых проектах задают: Иркутскую область, Красноярский край, Республику Хакассию, Республику Бурятию, Читинскую и Амурскую области, Республику Саха - Якутию. Названные регионы, несомненно, относятся к районам со сложными природными условиями, для которых наиболее вероятны нижеперечисленные инженерногеологические, геокриологические и неотектонические процессы.

В таком случае, для разработки элемента УИРС в курсовом проекте необходимо провести библиографический поиск и кроме рекомендованной литературы найти дополнительные источники (нормативные, справочные, учебные, научные, технические, проектные).

Напоминаем, что УИРС расшифровывается как учебно-исследовательская работа студентов, следовательно, она не может не включать в себя элемент поиска и самостоятельного творческого проектирования (без шаблонов, без условностей и чрезмерных упрощений).

В прил.13 рассмотрены требования, обеспечивающие эксплуатационную надежность водопропускных сооружений, размещаемых как на периодических водотоках, так и на малых постоянных водотоках (ручьях). Полный обзор всех особенностей проектирования малых ИССО в различных гидрологических, климатических и инженерно-геологических условиях выходит за рамки учебного пособия.

1. Применение труб не допускается при наличии на водотоках (постоянных или периодических) ледохода и карчехода, а также, как правило, в местах возникновения селей и образования наледей /1, п.8.7/. Круглые и прямоугольные железобетонные трубы могут применяться на постоянных водотоках – только в климатических районах с январской изотермой не ниже - 13С /24, с.7/.

2. В виде исключения в местах возможного образования наледей может быть допущено применение прямоугольных бетонных труб (шириной не менее 3,0 м и высотой не менее 2,0 м) в комплексе с постоянными противоналедными сооружениями. Для пропуска селевых потоков следует предусматривать однопролетные мосты отверстиями не менее 4,0 м или селеспуски с минимальным стеснением потока /1, п.8.7/; рекомендации по проектированию см. в работах /13, главы 1 и 7/, /16, с.193, п.25.5, с.243 – 244, п.26.6, с.260 – 261/, 3. Пропуск вод нескольких водотоков через одно сооружение должен быть обоснован, а при наличии вечномерзлых грунтов, селевого стока, лессовых грунтов и возможности образования наледи – не допускается /1, п.8.4/.

4. В районах вечной мерзлоты на участках с просадочными при оттаивании грунтами должны соблюдаться следующие требования:

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

водопропускные сооружения необходимо проектировать во всех естественных понижениях продольного профиля, а на слабосточных участках они должны предусматриваться не реже, чем через 500 м; /3, п.2.2, 4.7.1, мосты и трубы необходимо располагать на естественном водотоке, не допуская их размещения в бортах логов и русел;

пересыпание водотоков насыпью с отводом русел не допускается /1, п.8.4/.

5. Рекомендуется применять методику районирования вариантов трасс проектируемых железных дорог по признакам активности неотектогенеза. При этом следует выделять в районе проектирования: регионы - с однотипной геотектонической структурой, районы – по пересечению блоков земной коры, участки – по расположению вариантов трассы относительно направления движения блоков и простирания разломов, присваивая каждому километру сравниваемых вариантов трассы проектируемой линии признак неотектонической активности: поднятие, опускание, разлом и сопряжение (граница блока) /54, с.121 – 123/. При выборе направления проектируемой линии следует, по возможности, обходить сложные участки, особенно узлы пересечения разломов /56, с.99/.

Пояснения по требованиям 1,2,3.

Примеры разрушительного воздействия ледохода и карчехода на мосты – см. введение части 4 пособия.

Селевые потоки образуются в горных долинах в периоды выпадения в горах сильных дождей, а также при быстром таянии снега и льда, и представляют собой мощные грязекаменные потоки с большим количеством обломочного материала - продуктами размыва и разрушения конусов выноса боковых логов. Общее содержание каменистого материала в селях составляет нередко половину и более от общей массы потока, известны случаи перемещения очень крупных глыб, рис. П.13.1.

Плотность селевой массы иногда доходит до 1,4 – 1,5 т / м3, а скорость движения потока в среднем составляет 4 – 5 м/с /47, с.207 – 209/. При этом ИССО, оказавшиеся на пути селевого потока могут быть полностью или частично разрушены, если при проектировании железной дороги не были выполнены требования СТН, рис.П.13.2.

автодорожным мостом (на фото видны огромные глыбы и обломки деревьев, принесенные к мосту селем и перекрывающие отверстие моста);

После прохождения селевого потока долина или лог оказываются покрытыми слоем жидкой грязи (мощностью до 1 м и более) и многочисленными камнями, рис.П.13.3.

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Нетрудно представить, что произойдет с малыми водопропускными трубами и смогут ли они пропускать водный поток после прохождения селя. Рекомендации по проектированию малых ИССО в районах распространения селей см. в работах /15, п.8.2 /, /53, п.1.4, 1.5/.

Наледь – это скопление льда на поверхности земли в результате замерзания изливающихся подземных или поверхностных вод /58, с.406 – 407/. Наледи различают по генетическим типам: обычные, образующиеся вследствие выхода (излияния) на поверхность подземных вод (грунтовых, надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных); речные, образующиеся за счет поверхностных вод рек и ручьев, рис.П.13.4: зимой вследствие уменьшения сечения русла реки от образовавшейся толщи льда т промерзания берегов, вода, не имея возможности проходить в речных наносах, под давлением напора вытекает на поверхность замерзшей реки, растекается и промерзает слой за слоем, образуя на льду обширные и мощные пласты слоистого льда ; смешанного типа; искусственные.

Рис.П.13.4. Речные наледи: а – глубокая трещина в речной наледи; б – деформация малого деревянного моста, построенного на водотоке с Площади наледей изменяются от сотен до миллионов квадратных метров при мощности наледного льда от нескольких десятков сантиметровм до 10 м /58, с.407/.

Наледи оказывают непосредственное и косвенное воздействие на ИССО. Непосредственное воздействие состоит в заполнении отверстий льдом, выходе наледных вод на основную площадку земполотна и деформациях верхнего строения пути, рис.П.13.5.

Косвенное воздействие проявляется в виде мерзлотных, гидрогеологических и других явлений (например, пучение грунтов, деградация мерзлых грунтов, растройство швов швеньев трубы вследствие замерзания воды в швах, разжижжение грунта насыпи во время таяния льда). Для нормальной эксплуатации труб и малых мостов в тех случаях, когда степень заполнения льдом отверстий превышает 50 %, организуют противоналедную борьбу (околка наледного льда, проколка наледных бугров, оттаивание наледей, устройство задерживающих валов из снега, льда и грунта и др.) /16, с.244/, рис.П.13.6; см. также /15, п.8.3/.

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Рис.П.13.6. Малый железобетонный мост отв.19,3 м на 639-м км по 40 ‰-ному обходу Северо-Муйского тоннеля на БАМе, см.рис.П.12.4 (на фото видна наледьна подходах к мосту с верховой и низовой сторон, для пропуска воды отверстие моста очищено от заполнявшего его льда); рис. из /3/

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Пояснения к требованию 4.

По температурному режиму грунтов территорию суши делят на три зоны /14/: 1) с положительной температурой верхних и глубинных слоев; 2) с положительной и отрицательной температурой верхних слоев и с положительной температурой нижних слоев (зона сезоннопромерзающих грунтов); 3) с переменной температурой (положительной или отрицательной) верхних слоев, а нижних только с отрицательной (зона вечной мерзлоты или многолетнемерзлых пород). Районы проектирования, задаваемые в курсовых проектах расположены преимущественно во второй и третьей зонах. Глубина промерзания грунта зависит от ряда причин (географического местоположения района проектирования, состава и состояния грунтов, глубины залегания грунтовых вод, характера зимы и др.), рис.П.13.7.

Рис.П.13.7. Карта распространения вечномерзлых грунтов по В.В.Докучаеву: 1 – южная граница распространения; 2 – изотерма на глубине 10 м; 3 – отдельные пункты обнаруженных мерзлых грунтов; 4 – зона отдельных островов мощностью 15 м; 5 - зона островного распространения грунтов мощностью от 15 до 60 м; рис. из /14, рис.17, с.45/.

Мерзлыми называют горные породы, имеющие отрицательную температуру и содержащие лед, рис.П.13.8.

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Если породы пребывают в мерзлом состоянии более трех лет, то их называют многолетнемерзлыми (ММП) или вечной мерзлотой. В распространении многолетнемерзлых пород наблюдается широтная зональность: на Крайнем Севере находится зона их сплошного развития, южнее она сменяется зоной прерывистого распространения, а затем зоной островного распространения, рис.П.13.7. Мощность толщи многолетнемерзлых пород в зависимости от климата и рельефа изменяется от нескольких метров до нескольких сотен метров.

Массивы многолетнемерзлых пород подстилаются немерзлыми и перекрываются талыми или сезонно-талыми породами. В зависимости от этого выделяют несливающиеся или сливающиеся многолетнемерзлые толщи. В первом случае поверхностный (деятельный) слой, подвергающийся сезонному оттаиванию и промерзанию, называют сезонно-промерзающим, а во втором случае – сезонно-оттаивающим, рис.П.13.9.

Рис.П.13.9. Сезонно-оттаивающие и сезонно-промерзающие слои при различном залегании многолетнемрзлых пород: а – сезоннопромерзающий слой в немерзлых породах; б – сезонно-промерзающий слой при глубоком залегании многолетнемерзлых пород; в – сезонно-оттаивающий слой при залегании ММП с Для предварительного определения границ районов с ММП и глубин промерзанияоттаивания в курсовом проекте может быть использована схематическая карта глубин промерзания и протаивания по М.С.Успенскому (хотя и несколько устаревшая), рис.П.13.10. В дипломном проекте следует провести инженерно-геологические изыскания /43/, /44/, /57/ или воспользользоваться данными проектов – аналогов.

Рис.П.13.10. Схематическая карта глубин промерзания и протаивания грунтов на территории СССР (по М.С.Успенскому); рис. из /14/

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Температура многолетнемерзлых пород изменяется от –10 С в зоне сплошного распространения мерзлоты до десятых долей градуса ниже нуля в зоне островной мерзлоты.

Годовые колебания температур ММП могут распростаняться до глубины 20 м, которую называют подошвой слоя годовых колебаний температуры /57/.

В районах развития ММП вследствие перехода воды в лед и льда в воду широко распространены специфические мерзлотные геологические (геокриологические) процессы и явления. Среди них наиболее часто встречаются следующие.

Наледи – рассмотрены выше в пояснении к требованиям 1,2,3.

Солифлюкция – медленное оплывание влажных тонкодисперсных глинистых или пылеватых пород по склонам вследствие воздействия гравитационных сил в период оттаивания. Процесс солифлюкции может развиваться даже на очень пологих склонах крутизной всего 2 – 3. В результате солифлюкции оплывают откосы насыпей и выемок, грунт откосов выемок заполняет кюветы, нарушая продольный водоотвод, оплывшим грунтом заполняются подводящие и отводящие русла и сами отверстия водопропускных сооружений.

Бугры пучения бывают сезонными и многолетними. Сезонные бугры пучения появляются в слое сезонного промерзания и протаивания и разрушаются в течение года. Диаметр их достигает 50 м, высота – 3 м. Многолетние бугры пучения (гидролакколиты, булгунняхи) достигают в диаметре нескольких сотен метров, а в высоту – 40 м при крутизне склонов 20 – 30. При замерзании воды объем образующегося льда на 10 % больше объема воды. Увеличение грунта в объеме вследствие замерзания называют пучением, вредное воздействие которого испытывают земляное полотно (соответственно, и верхнее строение пути, см. часть пособия, с.33) и ИССО.

Очень часто деформации от вредного морозного пучения испытывают свайноэстакадные мосты (деревянные или железобетонные). Обычно этим деформациям подвержены промежуточные опоры, что сопровождается искривлением продольного профиля моста («горбатый» мост), изломом схваток и расстройством соединений элементов в местах их врубок у деревянных мостов. Деформации от пучения достигают 1,5 – 2,0 м (в отдельных случаях – 3,0 м), т.к. сила смерзания мерзлого грунта с деревом достигает значения 2,5 МПа (в зависимости от физических свойств грунта и состояния поверхности опор), рис.П.13.11.

У железобетонных свайно-эстакадных мостов из-за неравномерного выпучивания свай происходит разрушение насадок опор, а пролетные строения разрушаются в местах соединения отдельных блоков, рис.П.13.12.

Морозному пучению подвержены и обсыпные устои свайно-эстакадных мостов с низкими подходными насыпями, а также входные и выходные оголовки водопропускных

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

труб, у которых наблюдаются деформации крыльев оголовков, и сами звенья труб (деформации продольной растяжки, перекосов и просадок отдельных звеньев и секций), рис.П.13.13.

Термокарстом называют вытаивание ледяных образований, имеющихся в мерзлых породах, или протаивание сильно льдистых глинистых пород, вследствие чего на поверхности земли возникают воронки и поноры, по внешнему виду напоминающие карстовые. При вытаивании мощных линз повторно-жильных льдов и затрудненном стоке образуются термокарстовые озера, а при свободном стоке – останцы вытаивания (байджерахи). Отрицательные формы рельефа могут достигать в поперечнике нескольких километров, глубина их может составлять от нескольких метров до 40 м. Термокарст развивается при уничтожении растительного покрова (например, торфо-мохового покрова в таежно-болотистой местности, тундре и лесотундре) во время изысканий, строительства и эксплуатации железной дороги. Из-за нарушения природного баланса температур в случае плохо запроектированного водоотвода (слабый сток, недостаточны уклоны подводящих и отводящих русел, не предусмотрены водопропускные сооружения поперечного водоотвода во всех естественных понижениях местности) увеличивается глубина сезонного протаивания мерзлых пород, что также приводит к развитию термокарста, снижению несущей способности грунтов оснований земполотна и ИССО.

Рассмотрим пример. При проведении ВНИИТСом (ЦНИИС) в 1989 г. обследований железной дороги Ягельная – Ямбург (Тазовский полуостров, примерно: 68 с.ш. и 68 в.д.) был отмечен ряд участков с резкой активизацией термокарста и подтопления насыпи железной дороги, рис.П.13.14 /9/.

При сравнении результатов обследований, данных проектной документации и нормативных документов было выявлено, что на тех участках, которые в процессе инженерных изысканий были определены как потенциально опасные с точки зрения их подтопления, изыскателями были рекомендованы водопропускные сооружения. Однако в связи с тем, что нормы проектирования устанавливали не более двух ИССО на 1 км трассы, рекомендации изыскателей учтены не были. В результате на ряде участков наблюдалось неравновесное состояние геотехнической системы (ГТС), что выражалось в интенсивном заболачивании тундры, подтоплении насыпи железной дороги и пересекающих ее трех ниток газопровода.

Развивающееся подтопление привело к всплытию гтльз трубопроводов, которые уже практически стали основанием насыпи железной дороги, что может привести к серьезным последствиям. Возможно в данном случае необходимо было бы принять решение о проектировании трассы железной дороги на эстакаде. Это обеспечило бы не только значительное снижение нагрузок на геологическую среду на участке уже функционирующего газопровода, но и предотвратило бы столь масштабное нарушение ландшафтов тундры, вызвавшее интенсификацию термокарста, морозное пучение гркнтов, заболачивание.

Одной из основных причин деградации мерзлоты и активизации неблагоприятных мерзлотных процессов является нарушение растительного покрова тундры, которое часто происходит еще до начала строительства. Исследования, проведенные по линии ЯгельнаяЯмбург /9, 55/ показали, что за период от начала изысканий до завершения строительства

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

этой железной дороги скорость развития термокарста на тех участках, где он развивался еще до начала строительства, увеличилась в 10 раз (выявлено по материалам аэрофотосъемок разных лет), а на участках, расположенных вне зоны влияния строительства, практически не изменилась. Более того, был отмечен ряд участков трассы, где возникли термокарстовые озера глубиной протаивания до 1,7 м, которых не было до начала строительства. Причины?

На аэрофотоснимках 1988 г. (на стадии завершения строительства железной дороги) в зоне шириной 3 км вдоль трассы насчитывалось до 50 линейных следов гусеничного транспорта.

Мохово-кустарниковая растительность в этой зоне практически полностью была нарушена, а заболачивание достигло такой стадии развития, когда борьба с ним без специальных мелиоративно-осушительных мероприятий стала невозможной.

Рис.П.13.14. Подтопление насыпи железной дороги Ягельная – Ямбург на участке ее пересечения с тремя нитками газопровода (аэрофотоснимок выполнен А.П.Бгатовым); рис.

из /9/ При исследованиях кроме обычной аэрофотосъемки (АФС) применялась многозональная аэрофотосъемка (МАФС) с борта самолета Ан-30 с использованием камеры МСК-4, обеспечивающей синхронную съемку в шести узких спектральных диапазонах видимой части электромагнитного спектра (от 0,40 до 0,85 мкм) с получением четырех раздельных аэрофотоизображений в синем, зеленом, желто-оранжевом и красном каналах в масштабах

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

1:24000 – 1:70000. Последующее оптико-электронное преобразование снимков на специальных синтезирующих и обрабатывающих приборах (многозональных синтезирующих проекторах МСП-4) позволило получить снимки (масштабом до 1:5000), превосходящие во много раз по информативности материалы обычной АФС (например, данные о влажности почв и о процессах тепло-влаго-массопереноса). На рис. П.13.15. приведена копия фрагмента снимка МАФС (оригинал - цветной).

Дешифрирование материалов МАФС показало, что подтопление происходит на тех участках, где непредусмотрены водопропускные сооружения, которые по условиям рельефа крайне необходимы.

В НПЦ «Аэроизыскания» ВНИИТСа (ЦНИИС) были составлены карты прогноза критических ситуаций в состоянии транспортной геотехнической системы «Железная дорога Ягельная – Ямбург», фрагмент которой приведен на рис. П.13.16.

Такие инженерно-геологические прогнозно-оценочные карты, см. рис.П.13.16, позволяют проводить мониторинг ГТС на стадиях изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог с позиций анализа динамики компонентов ГТС при различных режимах функционирования для целей прогнозирования и предупреждения критических ситуаций путем управления транспортной ГТС «Железная дорога».

Рис.П.13.15.Фрагмент синтезированного многозонального аэрофотоснимка района эксплуатации железной дорог Ягельная – Ямбург в районе пересечения с магистральным газопроводом; рис. из /9/

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Рис.П.13.16. Фрагмент инженерно-геологической прогнозно-оценочной карты транспортной ГТС «Железная дорога Ягельная – Ямбург» на участке пересечения магистрального газопровода; рис.из /9/: инженерно-геологическая ситуация, генезис и возраст отложений: 1 – болотные современные отложения; 2 – среднечетвертичные отложения, салехардский горизонт; 3 – границы типов отложений; литологический состав: 4 – торф; 5 – суглинки; 6 – песок; 7 – границы отложений; неблагоприятные процессы и явления: 8 – термокарст; 9 – многолетнее пучение; 10 – заболачивание; – подтопление; 12 – глубина заболачивания и подтопления, м (по данным 1989 г.); существующие инженерные сооружения: 13 – железная дорога и километровые знаки; 14 – грунтовая дорога; 15 – малые мосты; 16 – трасса газопровода; 17 – водоотводные сооружения; прогноз критических ситуаций в состоянии ГТС: 18 – вертикальные деформации насыпи; 19 – размыв насыпи в результате подтопления; 20 – деформации мостовых опор; 21 – разрушение насыпи боковой эрозией; оценка устойчивости ГТС: 22 – устойчивые участки; 23 – относительно устойчивые участки; 24 – неустойчивые участки; 25 – участки в критическом состоянии (подтопление, заболачивание в основании насыпи, активизация термокарста и эрозии); рекомендации по инженерной защите: 26 – подсыпка берм железной дороги дренирующими грунтами; 27 – подсыпка насыпи автодороги; 28 – вскрытие перемычек; 29 – организация продольного водоотвода

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Самым коварным свойством ММП является то, что находясь в мерзлом состоянии они обладают высокими значениями сопротивлений сжатию и скалыванию, а при оттаивании (особенно илистых и глинистых грунтов) они переходят в разжиженное состояние, характеризующееся чрезвычайным переувлажнением и очень небольшими значениями несущей способности и сопротивления сдвигу. В некоторых случаях количество воды в оттаявших грунтах превосходит по весу содержание в них твердого вещества. Поэтому, нагрузка от сооружения (земляного полотна, ИССО), вполне допустимая для мерзлого грунта, оказывается чрезмерной для оттаявшего грунта, превратившегося в разжиженную массу, что приводит в таких случаях к выпиранию грунтов из-под подошв фундаментов ИССО, неравномерным осадкам насыпей и другим деформациям, названным деформациями просадок при оттаивании (напоминающим деформации просадочных грунтов, например, лессовых при их увлажнении - резким изменением свойств грунтов).

Протаивание вечномерзлых грунтов под фундаментами массивных устоев из-за теплового воздействия водотока в сочетании с неравномерной загрузкой фундаментов приводит к крену устоев малых мостов, в основании которых залегают ММП, рис.П.13.17. Это в свою очередь вызывает смещение опорных частей под пролетными строениями и деформации верхнего строения пути, что требует дополнительных расходов по текущему содержанию пути.

Обследования деформированных водопропускных сооружений показывают /48/, что 2/3 из них получили деформации из-за неудовлетворительных по объему и качеству инженерно-геологических изысканий, а также из-за ошибок при назначении проектноконструкторских решений. На устранение деформаций расходуются дополнительные средства, превышающие в некоторых случаях первоначальную стоимость сооружений.

Таким образом, из приведенных пояснений следует, что соблюдение требования по тщательному проектированию водоотвода на вечной мерзлоте и недопущению деградации ММП, расположеных в основаниях ИССО, - чрезвычайно важно.

Пояснения к требованию 5.

Тектоника – строение, структура участка земной коры, определяющаяся совокупностью тектонических движений и историей их развития. Тектонические движения в земной коре проявляются постоянно. В одних случаях они медленные, мало заметные для глаза человека, в других – в виде интенсивных бурных процессов.

Тектонические движения земной коры можно подразделить на три основных типа /59/: 1) колебательные, выражающиеся в медленных поднятиях и опусканиях отдельных участков земной коры; 2) складчатые, обусловливающие смятие слоев земной коры в складки и 3) разрывные, приводящие к тектоническим разрывам слоев и массивов горных пород.

Складчатые тектонические движения выводят пласты осадочных пород из горизонтального положения, придают им наклон или сминают в складки.Так возникают складчатые (пликативные) дислокации, особенностью которых является то, что они образуются без разрыва сплошности слоев (пластов). Основными складчатыми дислокациями являются: моноПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ клиналь, складка (антиклиналь, синклиналь), флексура, рис.П.13.18. Горные породы в вершинах складок всегда бывают трещиноваты, а иногда даже раздроблены, рис.П.13.19.

В результате интенсивных тектонических движений могут происходить разрывы сплошности пластов. Разорванные части пластов смещаются относительно друг друга.

Смещение происходит по плоскости разрыва, которая проявляется в виде трещины. К разрывным (дизъюнктивным) дислокациям относят сбросы, взбросы, горсты, грабены, сдвиги и надвиги, рис.П.13.20, П.13.21.

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Наличие дислокаций усложняет инженерно-геологические условия района проектирования железной дороги: нарушается однородность грунтов оснований сооружений, образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов, по трещинам разрывов периодически происходят смещения, циркулируют подземные воды. Например, при крутом падении слоев ИССО может располагаться одновременно на различных грунтах (что может привести к неравномерным осадкам основания сооружения), рис.П.13.22 в, или даже на линии разлома (хуже всего если разлом активен), рис.П.13.22 г.

На рис. П.13.23 представлена карта сейсмического районирования с нанесенными на нее крупными разломами земной коры. Указаны также эпицентры и даты крупнейших землетрясений. По карте можно сделать вывод, что задаваемые в курсовом проекте районы проектирования относятся, в основном, к районам активного неотектогенеза.

Рис. П.13.23. Карта сейсмического районирования (ИФЗ АН СССР, 1968 г.) из /36/ с нанесенными крупными разломами земной корыи датами землетрясений из /60/

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Например, на Бурятском участке БАМа ранжировано несколько типов разломов /54/:

генеральные разломы расположены через 50 – 75 км, региональные - через 10 – 50 км и локальные - через 1 – 5 км. Наиболее активными участками являются узлы пересечения продольных и поперечных региональных разломов, в которых наблюдаются разнонаправленные движения отдельных блоков земной коры.

При инженерно-геологических изысканиях железных дорог следует большее внимание уделять неотектоническим движениям земной коры, к которым кроме землетрясений относятся менее заметные, но, как выяснилось (см. работу /54/), не менее значимые медленные движения отдельных блоков земной коры, которые особенно опасны в зонах разломов и, в первую очередь - для водопропускных сооружений.

В сложных топографических условиях трассирование, в основном, ведут долинными ходами. В большинстве случаев природная гидрография повторяет рисунок тектонических разрывных нарушений – разломов. Следовательно, мосты и трубы оказываются в самой активной зоне и испытывают дополнительные (не учтенные при типовом проектировании) нагрузки из-за возникающих дополнительных перемещений, величина которых изменяется от 0,003 до 0,100 м /год. Мосты и трубы (также как и земляное полотно железных дорог) являются долговременными сооружениями и за 100-летний период деформации от неотектонических подвижек (часто разнонаправленных на противоположных берегах водотоков или склонах логов) могут достигнуть от 0,30 до 10,00 м /54/.

В работе /54/ проведено исследование влияния неотектонических подвижек на напряженно-деформированное состояние инженерных сооружений железных дорог (мостов, труб, земляного полотна) по методу конечных элементов с использованием вычислительного комплекса COSMOS/M, разработанного фирмой S.R.A.C. (США) для ПЭВМ.

В результате исследования были сделаны следующие выводы (ниже приведены только основные выводы из работы /54/).

Для малых однопролетных железобетонных мостов с массивными опорами на естественном основании с необсыпными устоями /54, с.85 – 86/.

1. Перемещения опоры, вызванные деформациями грунтового массива под опорой, приводят к резкому росту главных растягивающих напряжений (на которые материал опор – бетон класса В-20 работает плохо: расчетное сопротивление растяжению Rбт = 0,85 МПа), рис.П.13.24.

2. Наиболее чувствительным по восприятию тектонических деформационных воздействий является фундамент.

3. Появляются растягивающие напряжения, превышающие нормативные значения бетона, что может явиться причиной разрушения фундаментов и отрыва передних и задних стенок устоев, появления трещин в районе подферменной плиты, 4. При проектировании новых опор необходимо выполнять расчеты опор с учетом тектонических подвижек, армировать фундаменты с учетом возможного перераспределения напряжений от тектонических воздействий.

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Для водопропускных прямоугольных железобетонных труб /54, с.102 – 103/.

1. Неравномерные движения поднятия грунтового массива приводят к выгибу трубы вверх, благоприятные последствия которого заключаются в том, что: разгружается от растягивающих напряжений фундамент трубы и снижаются касательные напряжения в стенках трубы. Однако, в это же время часть трубы попадает в область высоких растягивающих напряжений, особенно в сечениях под рельсовой колеей; в районе оголовков также появляется зоны растягивающих напряжений, рис.П.13.26 а. В результате могут появиться разрушения оголовков и верхней части трубы, рис.П.13.27. Поэтому для улучшения работы трубы в местах неравномерного поднятия блоков земной коры необходимо усиливать поперечное армирование оголовков и продольное армирование верхней части тела трубы.

2. При опускании трубы наблюдается обратная картина. Сжимающие напряжения увеличиваются, что при хорошей работе на сжатие бетона в пределах нормативных значений сопротивления (для бетона класса В-20 расчетное сопротивление сжатию Rб = 10,5 МПа) не представляет опасности. Однако, при этом резко возрастают скалывающие напряжения в стенке трубы в сечениях, расположенных в четверти длины трубы, которые достигают 10,5 МПа, рис.П.13.26 б. Следовательно, неравномерное опускание трубы может привести к скалывающим трещинам стенки тела трубы. Поэтому, в таких случаях необходимо усиливать поперечное армирование трубы в стенках.

Рис.П.13.26. Результаты анализа напряженно-деформированного состояния трубы методом конечных элементов с использованием комплекса COSMOS/M: а – напряжения х при схеме тектонических подвижек ТП-3 (собственный вес и поднятие по центру грунтового массива на 0,20 м); б – напряжения xy при схеме ТП-4 (собственный вес трубы и опускание по центру грунтового массива на 0,20 м);

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

неравномерных тектонических подвижек; хорошо видны также и деформации насыпи над трубой (наклонены опоры контактной сети); (на одном из Выводы. После приведенных пояснений становится понятным требоване 5.

На стадии изысканий необходимо всеми возможными методами выявлять современные (новейшие) неотектонические движения земной коры, фиксировать разломы, их направленность и активность. Наука накопила большой материал, который может быть использован при этом. Методы выявления активных тектонических разломов: геоморфологические (анализ строения рельефа и речных долин); геологические (выявление мощности и структуры четвертичных отложений; изучение тектонического крипа); гидрогеологические (выявление аномалий подземных вод и газов); гидрологические (изучение уровенного режима озер и водохранилищ); геокриологические (изучение наледей); геофизические; геоботанические, геодезические и аэрокосмические.

Результатом комплексного изучения района проектирования новой железнодорожной линии должна стать карта районирования по инженерно-геологическим условиям, в том числе, по новейшим тектоническим подвижкам.

При необходимости трассирования в зонах активных разломов следует, по возможности, избегать узлов пересечения разломов, особенно разнонаправленных (воздымающихся и опускающихся блоков земной коры).

Водопропускные сооружения на разломах и в пределах блоков размещать исходя из принципа: на поднимающихся участках лучше работают мосты, а на опускающихся – трубы.

При необходимости размещения водопропускных сооружений на разломах применять индивидуальное проектирование ИССО, учитывая дополнительные напряжения, возникающие в конструкциях от соответствующих деформаций их оснований.

К чему может привести недоучет названных неотектонических подвижек можно видеть из примера.

Пример. Во время проектирования и строительства Транссибирской магистрали не были учтены названные факторы. В результате, на многих участках наблюдаются деформации ИССО, вызванные неотектоническими подвижками.

Анализ, проведенный в работе /54/ показывает, /54, с.43 – 46/:

по водопропускным трубам, что 38 % поврежденных труб (разрушение оголовков, разрыв швов между звеньями, сквозные или глубокие вертикальные и горизонтальные трещины, просадки оснований) приходится на участки поднятия, 47 % - на участки разломов, рис.П.13.28, 15 % на участки сопряжения блоков, 0 % - на опускающихся участках;

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

по мостам, из которых 18 % - металлические, 82 % (малые и средние) – железобетонные; ввиду замены пролетных строений были проанализированы повреждения и перемещения опор (силовые трещины в теле опор, отрыв стенок устоев, просадки, сдвиги опор, разрушение опорных плит, расстройство кладки, перекосы и угоны катков опорных частей, сдвиги пролетных строений): 51 % случаев повреждений приходится на участки опускания, 48 % - на участки разломов и сопряжений, рис.П.13.29; 1 % - на участки равномерного поднятия блоков земной коры.

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАЗМЕЩЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ИССО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

В работе /54/ выполнено районирование главного хода Транссиба на участке ст.Мариинск – ст.Горхон. Например, на Нижнеудинском участке распространены разломы трех видов ориентировок: 1) северо-западной (саянской) ориентировки; 2) меридиональные разломы; 3) северо-восточной (байкальской) ориентировки.

Нижнеудинский участок располагается в зоне сопряжения двух крупных блоков, разделяемых Топорокским разломом (по долине реки Топорок), подвижки блоков в пределах которого – разнонаправлены. Более того, трасса железной дороги проходит через узел двух разломов: Топорокского (преимущественно саянской ориентировки) и безымянного активного разлома байкальской ориентировки. В результате на данном участке ИССО имеют деформации (повреждено 72 % труб и 33% мостов). На рис.П.13.30 показана деформация водопропускной трубы, расположенной в узле разломов на закарстованных известняках; эта же труба показана на фото рис.П.13.27.

Рис.П.13.30. Фрагмент карты районирования Транссибирской магистрали (Нижнеудинский участок): 1 – разломы саянской ориентировки; 2 – меридиональные разломы; 3 – разломы байкальской ориентировки; рис. из /54/ Необходимость учета медленных неотектонических подвижек блоков земной коры при трассировании новых железных дорог пока не вошла отдельным пунктом в действующие нормативные документы по проектированию железных дорог, например, в раздел СТН Ц-01-95 /1/. Однако, необходимость применения такого критерия при принятии решений в проектировании железных дорог, на наш взгляд, доказана, см. /54/, /56/.

Исследование влияния неотектонических подвижек на работу всех несущих конструкций железных дорог – это новое перспективное направление, разработка которого начата Н.М.Быковой (с коллективом сотрудников ИрИИТа, СГУПСа, ИЗК и ИДСТУ СО РАН) в 1995 г. и которое продолжается по настоящее время. Результаты исследований внедрены на Восточно-Сибирской и Красноярской железных дорогах.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Барьерное место

Бассейн

- границы

- нагорная сторона

- объединение

- односкатный

- площадь

- простой

- разделение

- сложный

Берг-штрих

Блок-диаграмма - аксонометрическая

- геологическая

- перспективная

Бугры пучения

Быстроток

Ведомость ИССО

Водоотвод - поперечный

- продольный

Водопропускная труба - бетонная

- достоинства

- монолитная

- недостатки

- отверстие

- сборная

- фундамент

- высота насыпи - максимальная

- минимальная

- гидравлический режим работы

- безнапорный

- напорный

- полунапорный

- гидроизоляция

- защита

- обмазочная

- оклеечная

- деревянная

- достоинства

- недостатки

- длинная

- железобетонная

- достоинства

- круглая

- монтаж