СОДЕРЖАНИЕ стр. Введение. 2 1. Исходные данные и краткая характеристика района проектирования. 3 1.1. Исходные данные. 3 1.2. Климат. 3 1.3. Гидро-геологические условия. 3 1.4. Рельеф. 3 2. Гидравлические расчеты отверстий водопропускных труб. 5 2.1. Определение площади водосборов. 5 2.2. Определение максимального расхода от ливневого стока. 5 2.3. Определение максимального расхода от снегового стока. 6 2.4. Определение пропускной способности трубы при безнапорном режиме. 7 2.5. Расчет отверстий труб с учетом аккумуляции воды у сооружения. 8 2.6. Определение высоты насыпи земп олотна над трубой и длины трубы. 10 3. Проектирование поверхностного водоотвода на участке трассы а /д. 12 4. Расчет элементов виража и его конструктивные схемы. 13 Литература. 14 Введение. Малые водоотводные сооружения устраиваются в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями , оврагами или балками , по котор ым стекает вода от дождей или таяния снега . Количество водопропускных сооружений зависит от климатических условий и рельефа , а стоимость их составляет 8-15% от общей стоимости автомобильной дороги с усовершенствованным покрытием . Поэтому правильный выбор т ипа и рациональное проектирование водопропускных сооружений имеют большое значение для снижения стоимости строительства автомобильной дороги. Большую часть водопропускных сооружений , строящихся на автомобильных дорогах , составляют трубы . Водопропускные тру бы — это искусственные сооружения , предназначенные для пропуска под насыпями дорог небольших постоянных или периодически действующих водотоков . Они не меняют условий движения автомобилей , поскольку их можно располагать при любых сочетаниях плана и профиля дороги . Они практически не чувствительны к возрастанию временной нагрузки и динамическим ударам , требуют меньшего расхода материала на постройку и меньших затрат на содержание и ремонт , допускают более высокие скорости течения воды в сооружении по сравнен и ю с мостами , а поэтому при разных размерах пропускная способность их выше . Для увеличения водопропускной способности наряду с одноочковыми трубами применяются и многоочковые . Трубы не стесняют проезжую часть и обочины , а также не требуют изменения типа до р ожного покрытия . Кроме того , трубы строятся полностью сборными из железобетонных и бетонных элементов небольшой массы , что позволяет пользоваться кранами малой грузоподъемности. Труба состоит из средней части , входного и выходного оголовков . Средняя часть трубы обычно разделена на звенья , установленные на фундамент , объединяющий их в секции , или на грунтовую подушку . Между секциями устраивают сквозные деформационные швы для предотвращения трещин или других повреждений трубы от воздействия неравномерной оса д ки . Нижнюю часть отверстия или дно трубы оформляют в виде , которому придают продольный уклон с учетом уклона лога на месте устройства трубы . Уклон трубы обеспечивают путем ступенчатого расположения ее секций. Трубы под насыпями можно классифицировать по следующим признакам : ь по характеру протекания воды ; ь по форме поперечного сечения трубы ; ь по конструкции входной части трубы ; ь по материалу труб. По характеру протекания воды различают трубы напорные , безнапорные и полунапорные. Ш в напорных т рубах вода заполняет все сечение трубы. Ш в трубах безнапорных поток на всем протяжении трубы имеет свободную поверхность. Ш в полунапорных трубах входное сечение трубы затоплено , а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность. По форме попе речного сечения трубы бывают круглые , овальные , трапецеидальные , прямоугольные , треугольные. По конструкции входной части различают трубы : ь с портальным оголовком ; ь с раструбным оголовком ; ь с воротниковым оголовком ; при воротниковом оголовке трубы ср езаны в плоскости откоса насыпи , а потому их иногда называют трубами со скошенными оголовками ; ь с коридорным оголовком ; ь с обтекаемым оголовком. По материалу трубы бывают железобетонные , металлические , деревянные , бетонные , каменные и др. 1. Исходные данные и краткая характеристика района проектирования. 1.1. Исходные данные. 1. Район проектирования — Воронежская область. 2. Интенсивность движения на двадцатилетнюю перспективу — по курсовому про екту № 1. 3. Топографическая карта — по курсовому проекту № 1. 4. Продольный профиль — по курсовому проекту № 1. 1.2. Климат. Воронежская область расположена в III-ей дорожно-климатической зоне — зоне со значительным увлажнением грунтов в отдельные периоды года . Для района проложения автомобильной дороги характерен климат с не очень холодной зимой и теплым летом , что видно из дорожно-климатического графика (рис 1.1). Лето теплое : среднесуточная температура наиболее жаркого месяца (июля ) составляет +20,4 ˚ С ; зимы не холодные со среднесуточной температурой наиболее холодного месяца (января ) – 9,2 ˚ С . Отрицательные температуры воздуха бывают с ноября по март , а расчетная длительность периода отрицательных температур Т =179 сут. Абсолютный максимум температуры воздуха в году достигает +35 ˚ С , минимум -32 ˚ С . Следовательно , амплитуда температуры составляет 67 ˚ С . Годовая средняя суточная амплитуда температуры воздуха бывает в июне (13,2 ˚ С ), а максимальная в феврале (30,2 ˚ С ). За год выпадает 696 мм осадков ; количество осадков в жидком и смешанном виде 612 мм за год ; суточный максимум 112 мм . Средняя за зиму высота снежного покрова составляет 25 см , а число дней со снежным покровом до 142 сут (период 04.12 — 29.03). Для рассматриваемого района зим ой преобладают ветры северного и западного направлений . Летом преобладают ветры южного и юго-восточного направлений (рис 1.2). Средняя скорость ветра за январь равна 3,22 м /с . Максимум из средних скоростей по румбам за январь — 6,8 м /с . Средняя скорость в е тра за июль равна 3,55 м /с . Максимум из средних скоростей по румбам за июль — 4,4 м /с. 1.3. Гидро-геологические условия. По характеру и степени увлажнения проектируемый район относится к 1-му типу местности : поверхностный сток об еспечен ; грунтовые воды не влияют на увлажнение верхней толщи ; почвы серые , лесные слабоподзолистые , в северной части зоны — темно-серые лесные и черноземы оподзоленные и выщелоченные . В районе дороги грунты представлены супесями. 1.4. Рельеф. Вероятная полоса проложения дороги пересекает грядовые холмы рельефа высотой менее 80 м (с перепадом высот 40 м ) и речку без поймы и заболачивания . Холмы без растительности и имеют устойчивые склоны . Это позволяет оценить рельеф как равнинны й слабопересеченный , то есть трудных участков не имеет и потому для проектирования следует принимать основные расчетные скорости. 2. Гидравлические расчеты отверстий водопропускных труб. 2.1. Определение площади водосборов. Для определения р асчетного расхода необходимо в процессе технических изысканий выполнить необходимые топографо-геодезические работы и обследования . Основными исходными данными являются план бассейна с характеристикой его площади , длины главного лога , среднего уклона лога, склонов . Кроме того необходимо установить характер поверхности бассейна : растительность , почвенный покров. Бассейном называется участок местности , с которого вода во время выпадения дождей и снеготаяния стекает к проектируемому водопропускному сооружению . Для определения площади бассейна необходимо установить границы его на карте или на местности . Границей бассейна с одной стороны всегда является сама дорога , а с другой стороны — водораздельная линия , которая отделяет данный бассейн от соседних. Бассейн мал ых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах снимают , как правило , по карте . При определении границ бассейна сначала устанавливают ближайшие к водопропускному сооружению точки перегиба местности на трассе (выпуклые переломы ). Эти точки будут нача л ом и концом водораздельной линии . Другие точки водораздельной линии определяют аналогично , при этом учитывают , что водораздел идет всегда перпендикулярно горизонталям и от него вода должна стекать в противоположные стороны. При отсутствии необходимых карт или когда водосборы выражены неясно , а также при площади бассейна не менее 0,25 км 2 надлежит производить съемку водосборов в натуре. Если местность открытая пересеченная и линии водоразделов ясно выражены , применяют съемку засечками . В этом случае на харак терных точках водораздельной линии устанавливают вехи таким образом , чтобы их можно было видеть с двух или нескольких точек трассы . В этих точках устанавливается инструмент , который ориентируют по направлению трассы дороги . Последовательно визируя на выст а вленные вехи , замеряют углы между направлением трассы , принимаемой за базис , и визирными лучами на веху . На каждую веху должны быть сделаны взгляды не менее чем с двух точек трассы . На плане , ориентируясь на направление трассы , проводят визирные линии . Ес л и из-за рельефа и растительности на поверхности бассейна нельзя выполнить съемку указанным методом , применяют обход по водоразделам . При этом расстояние между вехами определяют лентой или шагомером , а углы поворота по румбам или азимутам , измеренными бусс о лью или гониометром. Если водораздел плоский и неясно выражен на поверхности , бассейн снимают ходами по тальвегам до водораздела . Измерив длины ходов и определив их направления , составляют план бассейнов. Площадь бассейна , очерченного по карте , определяетс я планиметром , палеткой или разбивкой бассейна на простейшие геометрические фигуры. В данном курсовом проекте площадь водосбора определялась по выданной топографической карте ( см . приложение ) методом разбивки очерченного на ней бассейна на квадраты со стор онами 100 м с последующим их суммированием . Площадь водосборного бассейна , F = 1,64 км 2 . Расчет максимальных расходов ведется по ливневому стоку и стоку талых вод . За расчетный принимается больший из них. 2.2. Определение максимального расход а от ливневого стока. Для определения максимального расхода ливневого стока ( Q л ) необходимы следующие данные : 1. Ливневой район для заданной области , который определяется по рис . XV .2 [1]. Воронежской области соответствует 6 ливневый район ; 2. Площадь водосборного бассейна , принимается по карте , F , км 2 , F = 1,64 км 2 ; 3. Длина главного лога , определяется по карте , L , м , L = 1820 м ; 4. Средний уклон лога , i , ‰ , i = (57,92-51,16)/1820 = 4 ‰ ; 5. Уклон лога у сооружения, i соор , ‰ , i соор = (52,1 0-51,16)/320 = 3 ‰ ; 6. Вероятность превышения паводка для трубы на дороге III категории — 2 %. Расход ливневого стока , Q л , м 3 /с , определяется по следующей формуле : где а час — интенсивность ливня часовой продолжительности в зависимости от ливневого района и вероятности превышения максимальных расходов расчетных паводков , мм /мин . По табл . XV .2 [1] а час = 0 ,89; k t — коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной продолжительности , зависящий от длины водосбора L и среднего уклона лога i , %. По табл . XV .3 [1] k t = 1,39; F — площадь водосбора , км 2 , F = 1,64 км 2 ; б — коэффициент потерь стока , зависящий от вида и характера поверхности бассейна . По табл . I [2] стр . 23 б = 0,25; ц — коэффициент редукции (уменьшения ), учитывающий неполноту стока , тем большую , чем больше водосбор . Коэффициент редукции ц зависит от площади бассейна и вычисляется по формуле : Тогда расход ливневого стока по формуле (1) равен : 2.3. Определение максимального расхода от снегового стока. Максимальный расход талых вод для любых бассейнов ( Q т ), м 3 /с , определяется по формуле : где k 0 — коэффициент дружности половодья ; n — показатель степени зависящий , который как и k 0 зависит от рельефа и климатических условий и определяются по табл . II [2] стр . 23. По указанной таблице k 0 = 0,02, а n = 0,25; F — площадь водосбора , км 2 ; д 1 — коэффициент , учитывающий снижение максимальных расходов в заболоченной местности . В данном случае бассейн не заболочен , поэтому д 1 принимаем равным 1; д 2 — коэффи циент , учитывающий снижение максимальных расходов в залесенных бассейнах . Определяется д 2 по формуле : где А л — залесенн ость водосбора , А л =0,5, тогда по формуле (4) д 2 =0,7; h р — расчетный слой суммарного стока той же вероятности превышения , что и искомый максимальный расход , мм . Определяется по формуле : где h 0 — средний многолетний слой стока , мм , определяемый по рис . XV .3 [1]. Для Воронежской области h 0 = 40 мм ; k р — модульный коэффициент для расчетного расхода. Величина коэффициент а k р зависит от величины коэффициента асимметрии C s , который в свою очередь зависит от коэффициента вариации C v . Величина коэффициента C v определяется по карте коэффициентов вариации слоя стока половодий . По рис . XV .4 [1] C v = 0,5. Данную величину для басс ейнов площадью менее 200 км 2 умножают на коэффициент определяемый по табл . I [2] на стр . 7 и равный 1,25. Тогда C v = 0,63. Коэффициент асимметрии C s для равнинных водосборов принимается равным : Величина коэффициента k р определяется по кривым модульных коэффициентов слоев стока для соответствующей вероятности превышения по рис . XV .5 [1]. k р =2,6. Тогда по формуле (5) h р = 104 мм , а по формуле (3): 2.4. Определение пропускной способности трубы при безнапорном р ежиме. Безнапорный режим характеризуется незатопленным входным отверстием и работой трубы неполным сечением , что отвечает условию : где H — подпор перед трубой , м ; h тр — высота трубы в свету , м. Принимаем наиболее максимальный расход для определения диаметра трубы , т . е . ливневый расход равный 4,24 м 3 /с . Принимаем по выбранном у расходу диаметр трубы (1,5 м ) и скорость воды на выходе (3,9 м /с ) по табл . IV [2] стр . 26. Критическая скорость V кр , м /с , определяется по формуле : где V с — скорость в сжатом сечении , м /с. Критическая глубина h кр , м , определяется по формуле : где g — ускорение свободного падения , м /с 2 . Глубина воды в сжатом сечении h с , м : Подпор воды перед трубой определяе тся по формуле , H , м : где ц — коэффициент скорости , принимаемый для конического звена 0,97. Произведем проверку выбранно й трубы на высоту подпора трубы по формуле (7): Произведем проверку пропускной способности выбранной трубы . Пропускная с пособность трубы Q c , м /с 3 , при безнапорном режиме определяется по формуле : где щ с — площадь сжатого сечения в трубе , м 2 , который определяется из рис . I [2] стр . 13 из соотношения h c / d = 0,38. По этому графику видно , что щ / d 2 = 0,29. Следовательно , щ с = 0,65 и по формуле (12): Выбираем одноочковую трубу диамет ром 1,5 м. 2.5. Расчет отверстий труб с учетом аккумуляции воды у сооружения. Аккумуляция учитывается во всех случаях расчета по преобладающему ливневому стоку . В результате аккумуляции воды перед трубой образуется пруд . Время пр охождения воды через трубу увеличивается по сравнению с продолжительностью паводка , вследствие чего происходит снижение расчетного сбросного расхода в сооружении Q с по сравнению с максимальным паводочным расходом Q р , что приводит к значительному уменьшению отверстия трубы . Расчет производится по ливневому стоку с соблюдением условия Q c ≥ Q т , где Q т по формуле (3) равно 1,9 м 3 /с , а Q c по формуле (1) равно 4,24 м 3 /с . Условие выполняется. Порядок определения расчетного сбросного расхода в сооружении с учетом аккумуляции следующий : 1. Вычисляется объем стока W , м 3 , по формуле : где а час — интенсивность ливня часовой продолжител ьности в зависимости от ливневого района и вероятности превышения максимальных расходов расчетных паводков , мм /мин . По табл . XV .2 [1] а час = 0,89; ц — коэффициент редукции , определяемый по формуле (2). ц = 0,5; k t — коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной продолжительности . По табл . XV .3 [1] k t = 1,39. 2. Опр еделяется крутизна склонов m 1 и m 2 . 3. Для ряда значений H (с интервалом 0,5 м ) в форме таблицы вычисляются объемы пруда аккумуляции W пр , м 3 , по формуле : где H — максимальная глубина в пониженной точке живого сечения при расчетном уровне подпертых вод , м ; m 1 , m 2 , i л — кру тизна склонов лога и его уклон. А также расчетный расход Q с по формуле : где Q л — максимальный расход дождевых вод , м 3 /с , определяемый по формуле (1); W пр — объем пруда аккумуляции перед сооружением , м 3 , вычисляется по формуле (14); W — объем ливневого стока , м 3 , вычисленный по формуле (13); Kr — коэффициент , учитывающий форму расчетного гидрографа паводка . Для немуссонн ых районов равен 0,7. Точка 1. Точка 2. Точка 3. Таблица 2.1. Определение расчетных сброс ных расходов при различных величинах H . Номер точки H , м H 3 , м 3 W пр , м 3 W пр /K r ∙'95 W Q с , м 3 /с 1 0 0 0 0 4,24 2 0,5 0,125 1224 0,05 4,03 3 1 1 9792 0,38 2,6 4. По данным гидравлических характеристик типовых труб (табл . IV [2] стр . 26) строят график пропу скной способности Q тр = f ∙'95 ( H ) трубы данного отверстия и режима протекания и график Q с = f ∙'95 ( H ) по данным таблицы 2.1. Искомый расчетный сбросной расход с учетом аккумуляции Q с и величина подпора H соответствуют точке пересечения двух графиков Q с и Q тр . Для труб диаметра 1,5 и 2 м величина подпора ниже допустимого , т . е . трубы работают в безна порном режиме . Оставляем трубу диаметра 1,5 м. 2.6. Определение высоты насыпи земполотна над трубой и длины трубы. Минимальная высота насыпи по верховой бровке принимается исходя из формулы , H нас (мин ) , м : где h тр — высота трубы в свету , м , h тр = 1,5 м ; д — толщина стенки трубы , м , д = 0,14 м ; Д — минимальная толщина засыпки над звеньями трубы , п ринимаемая для всех типов труб на автомобильных и городских дорогах равной 0,5 м (считая от верха трубы до низа дорожной одежды ) [3]; h д.о. — толщина дорожной одежды , м , h д.о. = 0,8 м. Длина трубы при постоянной крутизне откосов насыпи , L , м : где B зп — ширина земляного полотна , м , для III категории B зп = 12 м ; H зп — высота земляного полотна , м , по продольному профилю H зп = 3,25 м ; m — заложение откоса , m = 1,5; sin б — угол пересечения оси дороги с осью трубы , sin 90 0 = 1. 3. Проектирование поверхностного водоотвода на участке трассы а /д. Проектируемое земляное пол отно возводят в сухих местах с обеспеченным быстрым стоком поверхностных вод , а грунтовые воды расположены глубоко , поэтому принимаем боковые канавы треугольного сечения глубиной не менее 0,3 метров от поверхности земли . Крутизна откосов таких канав 1:4 и менее , что обеспечивает автомобилям возможность безопасного съезда с насыпи . С ПК 23+00 по ПК 28+00 кюветы можно не устраивать , так как насыпь достаточно высокая . С ПК 28+00 по ПК 33+10 устраиваются кюветы параллельно бровке земляного полотна , то есть с у к лоном 15‰. Назначим глубину воды в кювете 0,9 м . Определим площадь сечения потока щ , м , по формуле : где m 1 , m 2 — заложен ия откосов ; h — глубина воды в кювете , м. Найдем смоченный периметр кювета ч , м , по формуле : Тогда гидравлический радиус R , м : Рассчитаем среднюю скорость потока v , м /с , при глубине 0,9 м по формуле : где n — коэффициент шероховатости (принимаем для укрепленного грунта равным 0,03 по табл . VII . 1 [1]); i — продольный уклон ( i =0,015). По табл . XIV . 18 и XIV . 19 [4] полученная скорость подходит для укрепления кювета грунтом толщиной 10 см. Определим расход воды Q , м 3 /с , на ПК 28+00 по формуле : Найдем расчетный ра сход воды для кювета Q к , м 3 /с на ПК 28+00 по формуле полного стока с учетом того , что площадь водосбора для данного участка равна 0,1 км 2 (по карте ): Принимаем кювет треугольной формы с уклоном 15‰ , длиной 510 м , глубиной 0,9 м . Назначаем укрепление кювета — укрепленный грунт толщиной 10 см. 4. Расчет элементов виража и его констр уктивные схемы. При прохождении кривой особенно неблагоприятные условия создаются для автомобиля , двигающегося по внешней полосе проезжей части , которая при двухскатном профиле имеет поперечный уклон от центра кривой . Если увеличение радиуса кривой , необходимое для обеспечения устойчивости автомобиля против заноса , по местным условиям невозможно , то устраивают односкатный поперечный профиль — вираж с уклоном проезжей части и обочин к центру кривой . Учитывая возможность гололеда , уклоны вираже й обычно назначают до 60‰. Устройство виражей предусмотрено на всех кривых в плане для дорог I категории при радиусах менее 3000 метров и на дорогах остальных категорий при радиусах менее 2000 метрах 4.14. [5]. Для нашего радиуса , равного 1000 м , поперечный уклон виража в соответствии с табл . 8 [5] стр . 9 принимается 30‰. Переход от двухскатного к односкатному профилю виража (отгон виража ) осуществляется на протяжении переходной кривой , а при ее отсутствии — на прилегающем прямом участке путем постепенного в ращения сначала внешней половины проезжей части вокруг оси дороги (до получения односкатного профиля с уклоном , равным уклону двухскатного профиля ), а затем вращением всей проезжей части вокруг ее внутренней кромки до необходимой величины поперечного укло н а виража. Поперечный уклон обочин на вираже принимают одинаковым с уклоном проезжей части . Переход обочин от уклона при двухскатном профиле к уклону проезжей части производят на протяжении 10 метров до начала отгона виража. Наименьшая длина отгона виража о пределяется из условия , чтобы дополнительный продольный уклон наружной кромки проезжей части не превышал для дорог I - II категории 5‰ , III - V категории в равнинной и пересеченной местности 10‰ , в горной местности 20‰ . Минимальная длина отгона L отг , м , может быть определена по зависимости : где b — ширина проезжей части , м , для дороги III категории b = 7 м ; i доп — допустимый дополнительный продольный уклон , ‰ , для дороги III категории i доп = 10‰ ; i в — уклон виража , ‰, i в = 30‰. По табл . 11 [5] стр . 11 минимальный радиус переходной кривой , на котором производится отгон виража равен 100 м ( R = 1000 м ). Примем радиус переходной кривой равным 200 м. По заданию дана дорога третьей категории для которой ширина проезжей части равна 7 м , ширина обочины — 2,5 м , поперечный уклон — 20‰ , уклон обочин — 30‰. Тогда точки 1 и 5 (см . чертежи ) имеют отметку за 10 метров до отгона виража равную 49,50 м . Точки 2 и 3 имеют отметку — 49,50+0,03 ∙'95 2,5 = 49,56 м . Отметка оси дороги — 49,56+0,02 ∙'95 3,5 = 49,63 м. Н а начале отгона виража точка 5 будет иметь отметку равную 49,56 м. На конце отгона виража точка 4 будет иметь отметку — 49,63+0,03 ∙'95 3,5 = 49,74 м , а точка 5 — 49,63+0,03 ∙'95 6 = 49,81 м. Литература : 1. М . Н . Кудрявцев , В . Е . Каганович . Изыскание и проек тирование автомобильных дорог . М .: Транспорт . 1980 г .-296 с. 2. Методические указания по проектированию и расчету водопропускных труб . г . Ростов-на-Дону . 1992 г . – 27 с. 3. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы . М .: Госстрой СССР . 1986 г .-200 с. 4. Проектирован ие автомобильных дорог : Справочник инженера-дорожника / Под ред . Г . А . Федотова . – М .: Транспорт , 1989. – 437 с. 5. СНиП 2.05.05-85. Автомобильные дороги . М .: Госстрой СССР . 1986 г .-53 с.