Проект пересечения водотока

Министерство  образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Факультет транспортных коммуникаций

Кафедра: Проектирование дорог

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой  проект

по дисциплине  “Специальные вопросы проектирования автомобильных дорог”

“Проект пересечения водотока”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: ст.гр. 114369

Мазур А.А.

Руководитель: Аксеневич К.Ю.

 

 

 

Минск, 2013г.

Раздел 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО РАСХОДА  ВОДЫ И ОТВЕРСТИЯ ВОДОПРОПУСКНОЙ ТРУБЫ

 

1.1 Определение расчетного  расхода талых вод

по методике А.П. Лебедева

 

Формула А.П. Лебедева имеет вид:

, м³/с                                 

где F – площадь водосбора, км²;

h_n – слой стока в фазе подъема половодья расчетной вероятности превышения 1% (табл. 1.1.1м/у ), мм;

a – коэффициент формы гидрографа (табл. 1.1.2м/у);

g – коэффициент полноты гидрографа (табл. 1.1.2 м/у);

t_n – продолжительность подъема половодья в сутки максимальной интенсивности снеготаяния (в часах), складывается из продолжительности водоотдачи на склоны t_c (табл. 1.1.2 м/у) и продолжительности стекания по логу t_л, определяемой по формуле:

, ч                                                                       

где L – длина лога от водораздела до створа, км;

Q_З – расчетный расход, которым предварительно задаются, м³/с;

J_o – общий уклон лога от водораздела до створа, ‰;

l – коэффициент, зависящий от вероятности превышения, равен 1 – при ВП=1%, 0,87 – при ВП=2% и 0,81 – при ВП=3%;

d_л – коэффициент, учитывающий снижение расхода в связи с залесенностью бассейна f_л (табл. 1.1.3 м/у);

d_б – то же, в связи с заболоченностью бассейна (табл. 1.1.4 м/у).

По таблице 1.1.1м/у для Слуцкого района и песка принимаем слой стока h_n=9мм. По таблицам 1.1.2, 1.1.3м/у назначаем для географического района №2 a=0,2, g=0,81, d_л=0,83, dб=0,97 и t_с=5 часов. Задаемся расходом воды Q₃=4м³/с и определяем время стекания воды по логу:

ч;

t_n=t_л + t_c=3,92+5=8,92ч.

Вычислим расход от таяния снега:

.

Полученный  расход отличается от заданного более  чем на 5%.

Примем Q₃=1,6м³/с. Вычислим ; t_n=9,93; Q_сн=1,62м³/с. Полученный расход отличается от заданного на 0,02 м³/с, что составляет 1,23%. Принимаем Q_сн=1,6м³/с.

 

1.2 Определение расчетного расхода  ливневых вод

1.2.1 Определение расчетного расхода  ливневых вод по методике Союздорпроекта

По формуле находим:

Составляющие  формулы вычисляем:

где

 

1.2.2 Определение расчетного расхода  ливневых вод по А.П. Лебедеву

 

Дорога III технической категории пересекает малый водоток с площадью водосбора F=4 км². Длина водосбора 6 км, общий уклон J_o=8‰. Требуется определить расчетный расход от ливня.

Вычислим величину :

Величина  коэффициента δ вычисляется по формуле:

 

Расчетный расход:

 

1.2.3 Определение расчетного расхода  от ливня по О.В. Андрееву

 

Дорога  3 технической категории (ВП=2%). Площадь водосбора 4 км², длина водосбора 6 км. Общий уклон лога 8‰, грунты: супеси. Требуется определить расчетный расход ливневых вод.

Вычислим  K_t при Jo=8‰:

 

Расчетный расход от ливня при Jo=8‰: 

.

 

1.3 Построение графика зависимости  расхода воды от глубины

 

Уклон водотока у сооружения 6%_o, русло сильно заросшее (m=20). Поперечное сечение водотока характеризуется черными отметками, приведенными в метрах:

Таблица 1.1

Пикет, плюс	92+00	92+15	92+45	92+25	92+35	92+45
Отметки	104,00	102,00	100,00	100,00	102,00	104,00

Задаем  уровень воды 100,00, вычисляем глубины на вертикалях, соответствующих точкам 92+15, 92+35, и вычисляем скорости движения воды, элементарные расходы. Эти данные заносим в таблицу 1.2 и строим эпюру элементарных расходов. Эта эпюра состоит из двух треугольников и прямоугольника. Вычисляем их площадь и заносим в таблицу 1.2 (графа 7). Суммарная площадь эпюры равна расходу при уровне 100,00. Принимаем отметки уровня 102,00 и 104,00 и проводим аналогичные вычисления. Строим эпюры элементарных расходов, вычисляем их площади (табл. 1.2), равные расходами при уровнях 102,00 и 104,00. По полученным данным строим график зависимости расхода воды от глубины Q= f (h) .

Таблица 1.2

Заданный уровень Н	Отметка дна Нi	Глубина hi	Скорость Vi	Элементарный расход qi	Расстояние Li	Qi
1	2	3	4	5	6	7
102,00	102,00	0	0	0	5	12,3
	100,00	2	2,46	4,92	5	24,6
	100,00	2	2,46	4,92	10	24,6
	102,00	0	0	0		Сумма
						61,5
104,00	104,00	0	0	0	15	36,9
	102,00	2	2,46	4,92	5	51,3
	100,00	4	3,9	15,6	5	78,0
	100,00	4	3.9	15,6	10	102,6
	102,00	2	2,46	4,92	10	24,6
	104,00	0	0	0		Сумма
						293,4

1.4 Определение отверстия круглой  железобетонной водопропускной  трубы

 

Сечение водотока имеет форму двух плоскостей с заложением откосов 1:24 и 1:29. Уклон лога у сооружения 6‰. Площадь водосбора4 км². Максимальный расход 4,93 м³/с.

Требуется вычислить сбросной расход с учетом аккумуляции ливневых вод.

Назначаем глубину воды 1,0 м и вычисляем объем пруда:

.

Назначаем глубину воды 1,5 м и вычисляем объем пруда:

.

Назначаем глубину воды 2,0 м и вычисляем объем пруда:

Назначаем глубину воды 2,5 м и вычисляем объем пруда:

.

Вычисляем общий объем стока за паводок:

.

Сбросной  расход:

.

При глубине  воды 2,5 м получаем Q_с= - 0,75 м³/с, т.е. Q_с отрицательно. По полученным данным строим график зависимости сбросного расхода от глубины. На этот график наносим зависимость пропускной способности труб от глубины воды Н перед трубой, пользуясь таблицей 1.4м\у.

В качестве сбросного расхода воды примем Q_с=2,9 м³/с. Этот расход пропускает одноочковая труба отверстием 1,4 м при Н=1,75 м (таблица 1.4 м\у).

 

 

Раздел 2. Проектирование водопропускных труб

 

2.1 Определение длины трубы

 

В курсовом проекте проектируют круглые  безоголовочные трубы. Предварительно проверяют достаточность заданной высоты насыпи по двум условиям: по засыпке  над трубой; по возвышению над уровнем  воды перед трубой в расчетный  паводок.

=4,1м.

 hон= -   -   =4,1-0,02*(0,5+3,5)-0,04*(3-0,5)=3,92м.

 

2.1.1 Определение длины трубы при  заложении откоса насыпи m=1,5 и высоте откоса насыпи h_он

12 м

 

Дорога III технической категории ( =12,0м). Высота насыпи 4,1 м, заложение откоса 1:1,5, уклон трубы 0,014. Требуется определить общую длину трубы и ее составляющие (верховую и низовую).

Теоретическую длину трубы вычислим:

.

L_тр=2,5*10+0,12=25,12м.

.

Тогда длина  верховой части трубы L₁ и низовой L₂:

,

 

2.2 Назначение отметок лотка  трубы

 

Отметка лотка трубы по оси дороги определяется по формуле:

Н_о = Н_ч + f =165+1/80*4,1=165,051.

Отметки лотка трубы на входе Н₁ и на выходе Н₂ определяются по формулам:

Н₁=Н_о – f + ( i  L₁)=165,051-0,051+(0,014*12,30)=165,17

Н₂=Н_о – f – ( i  L₂)=165,051-0,051-(0,014*12,56)=164,82

После расчета отметок лотка  трубы следует проверить отсутствие застоя воды у входа до осадки середины трубы (Н₁ ³ Н_о). Условие выполняется.

 

 

 

2.3 Выбор группы звена водопропускной  трубы

по  несущей способности

 

Принимаем трубу ТВ 160.25 – 1 – П.

 

2.4 Типы укрепления русел и откосов  у труб

 

Глубина потока воды на выходе из трубы (в зоне растекания) определяется по формуле:

h_вых = К d (П_Q)ⁿ =0,75*1,6*(0,74)^0,5=1,03м,                                                                      

где К  и n – эмпирические коэффициенты, (К=0,75; n= 0,5);

d – отверстие одноочковой трубы;

П_Q – безразмерный параметр расхода.

П_Q= Q_с / ( 3,13   d^2.5)=7,47/(3,13*1,6^2,5)=0,74                                                               

Q_с – сбросной расход на одно очко.

Необходимо  выполнение условия: ,

, условие выполняется.

 

2.5 Проектирование укрепления русла  и откосов у водопропускных  труб

2.5.1 Определение размеров укрепление  русла на выходе

 

Круглая трёхочковая труба отверстием 1,6м пропускает сбросной расход Q_c=7,47м³/с, расчетный диаметр частиц грунта лога d_гр=0,8мм=0,0008м, укрепление русла плитами ПК100.12.е. Требуется запроектировать укрепление русла на выходе трубы. По таблице 2.5.3 м/у назначаем длину укрепления русла L=6,0м, по таблице 2.5.2м/у – ширину потока b_п=5,36м. Эквивалентный диаметр трубы Д_э=1,6м

Эталонный расход Q_K=1,6* Д_э^5/2=20,43м³/с.

Вычислим  показатель степени n:

.

Вычислим  ширину растекания потока:

.

Ширина конца укрепления: N=В_раст+3=8,49+3=11,49м.

Вычислим  предельную глубину размыва, предварительно определив величину М:

,

Расчетная глубина размыва в  конце укрепления при ограниченном времени прохождения паводка  и отсутствии каменной наброски вычисляется  по формуле, приняв для супесчаных грунтов по таблице 2.5.5 м/у значение К_с равным 0,6.

.

Т_р/Д_э =2,65/2,77=0,96 и L/Д_э=6/2,77=2,17 => К₁=0,48

Вп=3*2,65/0,48=16,58м.

В случае укрепления русла плитами ПК100.12.е  следует принять ширину конца  укрепления кратной ширине стороны  плиты, т.е. N=В_п=12м.

Глубина предохранительного откоса Т определяется исходя из расчетной глубины размыва в конце укрепления при ограниченном времени прохождении паводка и наличии каменной наброски по формуле:

 

где Т_пр – глубина размыва по формуле;

d_гр – диаметр частиц грунта, м;

d_н – диаметр камня наброски м;

Т_р – глубина размыва;

W_K – удельный объем каменной наброски.

 

где h_кам – высота каменной наброски, которой задаются в пределах 0,50-0,80м.

По таблице  назначаем ширину N₁ укрепления русла на выходе у подошвы насыпи N₁=9м.

 

2.5.2 Укрепление русла на входе

 

По таблицам м/у 2.5.8 и 2.5.9: длина укрепления русла на входе 4,0м.

Ширина укрепления русла на входе 11,0м.

 

2.5.3 Укрепление откосов насыпей у  трубы

 

Длина укрепления откоса t_o равна:

=d + t +0,25=1,6+0,16+0,25=2,01м.

 

2.6 Составление чертежа водопропускной  трубы

 

Составление чертежа водопропускной трубы выполняется  совместно с определением размеров элементов трубы и их объемов. Чертеж водопропускной трубы включает:

1. продольный разрез по оси трубы;
2. поперечные разрезы тела трубы;
3. план водопропускной трубы;
4. детали стыка звеньев между собой, сопряжение откосов и русла;
5. спецификацию;
6. основную надпись.

 

2.7 Определение объемов работ  по строительству

водопропускной  трубы

 

2.7.1 Устройство тела трубы

2.7.1.1 Бесфундаментные трубы с заменой грунта под основание

 

Труба одноочковая ТВ160.25 состоит из 10 звеньев, имеет длину 25,12 м, угол обхвата , заложение откосов котлована . Требуется вычислить объемы работ по рытью котлована, по устройству подушки из ПГС и замене грунта под основание.

По таблице 2.1.1м\у принимаем t=0,16 м. Тогда . Вычислим:

Единичные объемы работ:

 

 Единичный объем  работ по обратной засыпке котлована вычисляем:

 

 Общий объем по работе:

 

2.7.1.5 Определение объемов работ по  позициям 1.5, 1.6, 1.7 и 1.8

 

Работа 1.5 включает 10 звеньев ТВ 160.25-1. Масса 1 звена 5170кг.

Масса 10 звеньев: 10*5170=51700кг.

Объем строительного  раствора на стык определяется по формуле:

                   

Площадь оклеечной  изоляции одного стыка звеньев:

 

 

2.7.2 Устройство противофильтрационного  экрана

 

Предварительно  вычисляют ширину противофильтрационного экрана L_п, длину котлована (вдоль оси трубы) по низу и по верху ( ), ширину низа котлована и верха .

                            

Работа 2.1 «Рытье котлована» под один противофильтрационный  зуб определяется по формуле объема усеченной пирамиды:

                                               

 

Объемы  работ 2.2, 2.3 определяются по формулам:

Работа 2.4 «Устройство подушки из ПГС»:

 

2.7.3 Устройство ковша размыва

 

Работа 3.1. Объем грунта определяется по формуле:

 м³

Работы 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5 определяются площадью предохранительного откоса с заложением 1:1,5.

 м²

Площадь планировки поверхности (работа 3.2) равна  площади поверхности предохранительного откоса. Устройство щебеночной подготовки под укрепление толщиной 0,10м (работа 3.3):

;   м³                                        

Укладка бетона (работа 3.4) толщиной 0,12м:

м³

Монтаж  плит ПК100.12.е (работа 3.5) по площади равен  площади предохранительного откоса. Последняя должна быть кратна площади  одной плиты, т.е. 1м².

Объем наброски камня (работа 3.6):

 

 

где Т_к – высота наброски камня.

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОСТОВОГО  ПЕРЕХОДА

 

3.1 Определение бытовых  характеристик водотока

 

Поперечный профиль приведен на рисунке. Расчетный уровень воды 114,70 м, коэффициенты m, характеризующие шероховатость русла и поймы, равны соответственно 19 и 21. Расчетный продольный уклон водной поверхности J=0,0004.

Вычислим  глубины, скорости на вертикалях и элементарные расходы. Данные о вычислениях приведены в таблице. Эпюра элементарных расходов приведена на рис.3.1. Она состоит из отдельных трапеций.

Общий расход на пойме:

 

Q_пб=2533,05+971,1+3,6=3507,75 м³/с,

 

Расход  на пойме, проходящий через сечение  шириной 1 м – элементарный расход – q_пб = =3507,75/3917=0,9 м³/с

 

Расход  в русле в бытовых условиях:

 

Q_рб=17,4+46,8+169,65+678,6+179,14=1091,59 м³/с.

 

Расчетный расход равен: Q=1091,59+3507,75=4599,34 м³/с.

 

Ширина  элементов живого сечения (рис.3.1) и ширина разлива воды:

 

В_рб =263 м, В_пб =3917 м, В_о=263+3917=4180 м

Площадь живого сечения поймы  =4095+1950+13=6058 м²

Площадь живого сечения русла  =29+78+156+572+182=1017м²

Средняя скорость течения воды определяется как отношение расхода к площади  живого сечения:

, 

 

 

 

Средняя глубина равна отношению площади  живого сечения к его ширине:

, 

 

3.2 Определение отверстия моста

 

Ширина русла 263м, средняя глубина русла в бытовых условиях 3,87м, расчетный расход 4599,34 м3/с, расход в русле в бытовых условиях 3917 м3/с, допускаемый коэффициент общего размыва Р_доп=1,75. Средний элементарный расход на пойме 0,9 м³/с, глубина воды      h_пб=1,55 м.

Вычислим  отверстие моста:

 

 

где – гарантийный запас ( );

– ширина укрепления у подошвы  конусов подходов ( 10 м);

– средняя бытовая глубина  воды на пойме.

 

Определим степень стеснения потока и среднюю глубину в русле после размыва:

 

где Q, Q_рб – расходы, расчетный и в русле бытовой

q_пб – средний элементарный расход на пойме бытовой

l_М1 – отверстие моста

В_рб – бытовая ширина русла

 

 

где – средняя бытовая глубина воды в русле

– коэффициент, учитывающий стеснение  потока опорами моста

Проверим  условие:             

 

 

Условие не выполняется, вариант отверстия моста =315,5м не подходит.

 Определение отверстия  моста с уширенным руслом

 

Уширение русла под мостом возможно за счет срезки пойм.

При редком затоплении пойм срезка заиливается, на пойме восстанавливается бытовая  глубина. Поэтому срезка целесообразна  при выполнении следующего условия:

 

где – степень стеснения потока подходами 

ВП_п – вероятность затопления поймы, 90%

 

Т.к. условие выполнено, то максимальная ширина русла под мостом с учетом срезки:

 

где В_рм, В_рб – ширина русла под мостом и бытовая

 – степень стеснения потока подходами

К_п – коэффициент, учитывающий полноту расчетного паводка

К_ВПп – коэффициент, учитывающий частоту затопления пойм

 

Полнота расчетного паводка П равна отношению  средней глубине воды на пойме  к максимальной. Для рек Республики Беларусь можно принять П=0,55.

Коэффициент К_п при <4,5 и частота затопления пойм ВПп<95% определяется по формуле:

 

 

Коэффициент частоты затопления пойм при ВПп<95% определяется по формуле:

 

 

где – степень стеснения потока подходами

 

 

Отверстие моста  при уширении русла :

 

 

Вычислим  среднюю глубину в русле после  размыва h_рм по О.В. Андрееву:

 

где h_рб  – максимальная глубина воды в русле в бытовых условиях

В_рб, В_рм – ширина русла бытовая и под мостом

 – степень стеснения потока  насыпями подходов, равная отношению  расхода воды, который проходит  через поперечное сечение под  мостом, к расходу, который проходил  через это сечение в бытовых  условиях:

 

 

где Q, Q_рб – расходы, расчетный и в русле бытовой

q_пб – средний элементарный расход на пойме

 

Проверим  условие :

≤1,75

Так как  условие выполняется, то принимаем  отверстие моста           =762,25.

 

 Определение пикетного  положения начала и 

конца отверстия моста

 

Пикетное положение начала отверстия моста вычисляем по формуле:

 

=(250+00)-10-2*1,55=249+986,69

 

где РК(БРл) – пикетное положение левой бровки русла 

Пикетное  положение конца отверстия моста:

 

=(249+986,69)+762,25=250+748,94

 

где l_Мi – отверстие моста

 

3.3 Проектирование струенаправляющих  дамб

 

РУВВ=114,7, Q_рб=1091,59 м³/с, Q=4599,34 м³/с, Q_пб=3507,75 м³/с; h_пб=1,55 м; степень стеснения потока , отверстие моста l_М2=762,25 м, начало отверстия моста расположено на пикете 249+986,9 конец на пикете 250+749,15 .

По таблице 3.3.1 для  по интерполяции находим . Длина верховой струенаправляющей дамбы l_в=0,75·762,25=572 м. Радиус кривизны СНД в голове дамбы .

Координаты  XY оси струенаправляющей дамбы вычислим с шагом S=0,2·191=38,2 м, умножая данные таблицы 3.3.2 на R=191 м.

 

Таблица 3.3.3

S	X	Y	S	X	Y
0	443,31	274,09	420,2	153,76	16,62
38,2	439,3	236,27	458,4	116,51	9,55
76,4	428,41	197,69	496,6	78,31	4,39
114,6	410,84	166,17	534,8	40,11	1,15
152,8	387,16	135,61	572	0	0
191,0	360,23	108,87	610,2	-36,67	1,0
229,2	330,81	86,52	648,4	-75,06	3,82
267,4	297,2	66,49	686,6	-113,07	7,83
305,6	262,63	48,51	724,8	-151,08	11,84
343,8	226,53	36,86	763,0	-189,09	15,66
382	191,0	25,59	801,2	-227,1	19,67