Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Физико-географические условия Республики Татарстана 11
1.1. Рельеф 1L
1.2. Гидрография 13
1.3. Осадки 14
1.4. Почвы иовражно-балочная расчлененность территории Татарстана 15
1.5- Растительность 19
1,6. Выводы 20
ГЛАВА 2. Методы расчёта максимального стока дождевых вод 21
2. Г Методы расчёта максимального стока, применяемые в России 21
2.2. Методы расчета максимального стока, применяемые в зарубежных странах ...33
2.3, Выводы 35
ГЛАВА 3, Надёжность водопропускных труб 36
3.1 Основные положения теории надёжности конструкций и сооружений 36
3.2. Методика оценки надёжности сооружений на этапе эксплуатации 39
3.3. Нормирование показателей надёжности 41
3.4. Степень ответственности малых водопропускных сооружений и расчетные критерии вероятности превышения поверхностного стока 42
3.5. Понятие надёжности водопропускной трубы и модели сё отказа 45
3.6. Расчетная модель надёжности водопропускной трубы 48
3 7. Отказ по пропускной способности , 49
3,8. Выводы 54
Глава 4 Результаты натурного обследования дорог Татарстана 55
4.1- Состояние водопропускных труб 55
4.2. Заиление водопропускных труб и их влияние на экологическую ситуацию ...63
4,3-Способы борьбы с заилением... 72
4,4- Трубопроводы в водопропускных трубах 76
4.5. Разрушение укреплений водопропускных труб, размывы русла и овраго-
образование 76
4.6- Металлические технически гладкие (негофрированные) трубы 78
4.7. Размыв откоса насыпи у оголовков , 86
4.8. Деформации оголовков трубы 86
4.9. Расчёт отказа трубы по пропускной способности , 88
4.10-Выводы 90
ГЛАВА 5. Обработка экспериментальных данных 91
5.1. Корреляционный анализ 91
5.1.1. Общие корреляции 92
5.1.2. Частные корреляции 92
5.2- Диаграммы размаха 97
5.3. Модели регрессии дефектов содержания автомобильных дорог, прямо или косвенно влияющих на окружающую природную среду ,.., 101
5.4. Выводы 106
ГЛЛВЛ 6. Гидравлический расчет заиленной трубы 107
6.1. Гидравлический расчёт 107
6.2. Экономический расчет приведённых затрат на содержание заиленных труб 120
6.3. Выводы 123
Выводы 125
Список использованной литературы
- Гидрография
- Методы расчета максимального стока, применяемые в зарубежных странах
- Степень ответственности малых водопропускных сооружений и расчетные критерии вероятности превышения поверхностного стока
- Заиление водопропускных труб и их влияние на экологическую ситуацию
Введение к работе
Актуальность темы.
Диссертационная работа посвящена одному из вопросов проектирования автомобильных дорог - надёжности работы малых дорожных водопропускных сооружений. От правильного определения максимальных дождевых расходов воды, типа конструкции, размера отверстия, условий их содержания зависят стоимостные показатели строительства, эксплуатации и реконструкции автомобильных дорог. На автомобильных дорогах Татарстана расположено 7235 водопропускных труб. Эффективность работы малых водопропускных сооружений является одной из составляющей успешной работы автомобильной дороги.
Опыт обследования малых водопропускных искусственных сооружений Российской Федерации, проведенный рядом специализированных организаций, показывает низкую надёжность и экономичность малых водопропускных сооружений. По этим данным на отдельных автомобильных дорогах страны до 80% перечисленных сооружений имеет іу или иную степень повреждения.
Одним из факторов, вызывающих повреждения водопропускной трубы, её оголовков и укреплений, является заиление трубы.
Отсутствие методически обоснованного подхода к расчётам заиленных водопропускных сооружений, а также нормативно инструктивной базы этих расчетов и предопределили необходимость проведения настоящего диссертационного исследования-
Цель работы состоит в определении понятия надёжности водопропускной трубы и моделей её отказа, в создании расчётной модели надёжности водопропускной трубы» в определении отказа по пропускной способности, в разработке методики гидравлического расчёта заиленных водопропускных сооружений малого типа.
Методика исследования.
Для решения поставленных задач методика исследования предусматривала: литературные и патентные исследования; натурные исследования водопропускных труб Республики Татарстан, систематизацию, статистический и корреляционный анализы полевых данных; выявление, разработку и нормирование показателей надёжности водопропускной трубы.
Научная новизна.
Введено определение понятия надёжности водопропускной трубы, разработаны модели отказа трубы. Создана расчётная модель надёжности водопропускной трубы. Определен отказ трубы по пропускной способности.
Разработана методика гидравлического расчёта заиленных труб различного поперечного сечения.
Регрессионные модели, разработанные для Татарстана, позволяют определить и прогнозировать заиление тела трубы, разрушение укрепления, появление размыва русла, образование оврагов и извилистости русла, разрушение оголовка, зарастания укрепления оголовка травой.
9 Практическая ценность.
Разработанная методика расчета заиленной трубы и регрессионные модели могут быть использованы в практике гидравлических расчётов при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог Татарстана. Это позволит повысить надёжность труб? предотвратить развитие нежелательных экологических процессов, прогнозировать их возможное развитие.
Апробация работы.
Основные положения диссертации обсуждены и одобрены па республиканских научных конференциях профессорско-преподавательского состава КГЛСЛ (199S - 2003 гг.), на 3 научно-практической конференции студентов и аспирантов «Актуальные проблемы жилищно-коммунального хозяйства и социальной сферы города» (г. Казань, 2001 г.), на I, II, III Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 1999, 2001, 2003 гг.), на 32 Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г, Пенза, 2003 г.), на V республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Наука, Инновации, Бизнес» (г. Казань, 2005 г.).
Автор защищает:
расчётную модель надёжности водопропускной трубы, модели отказа трубы, определение надёжности водопропускной трубы;
результаты практических исследований состояния водопропускных труб;
регрессионные модели, позволяющие оценить влияние водопропускных труб на окружающую среду;
методику, алгоритм и программное обеспечение гидравлического расчёта заиленных труб.
Публикации.
Результаты проведённых исследований и основное содержание диссертации опубликованы в девяти печатных работах, в том числе получен один патент на изобретение.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, б глав, выводов, списка использованных источников, 11 таблиц, 31 рисунка, 7 приложений (180 страниц машинописного текста).
Автор приносит благодарность профессору кафедры «Изыскание и проекти-рование дорог» МАДИ (ГТУ) В.И. Пуркину за оказанную помощь в ходе работы' над диссертацией.
Гидрография
Формирование речной и овражно-балочной сети имеет свою длительную историю. За последние тысячелетие, на территории Татарстана существенных изменений базиса эрозии не происходило [123]. Однако, за последние два - три столетия произошли существенные изменения физико-географических условий, которые выразились в уничтожении лесного покрова.
Современный размыв в большинстве случаев проявляется за счёт действия боковой эрозии оврагов и возникновения вторичных оврагов по дну и склонам древних балок.
Не менее важную роль в оврагообразовании играют породы, которые слагают поверхность. Эрозионная прочность связных отложений в первую очередь зависит от механического состава и степени уплотнения. Для несвязных - от размера частиц, что касается почвенных и почвено-растительных образований, то их прочность зависит главным образом от состояния самой поверхности [6, 68, 112]. # ГТредволжье ввиду больших различий в условиях почвообразования делится на два агропочвенных района: Высокое и Юго-Западное Предволжье,
Высокое Предволжье, по рельефу, это широковолнистая равнина, расчленённая долинами рек, многочисленными балками и оврагами. Средние углы наклона полей около 3. Для района в целом наблюдается постепенная смена при движении с севера-востока на юго-запад дерново-подзолистых почв серыми и темно-серыми, а затем в различной степени выщелоченными черноземами. По мере этого изменения увеличивается их производственная ценность и возрастает их эрозионная прочность от 15 - 20 ньютон у дерново-подзолистых почв до 80-120 ньютон у среднесуглинистых выщелоченных чернозёмов, а противоэрозионная устойчивость возрастает от 0,4 до 0,7. Соответственно уменьшается потенциальная подвержен-ность территории овражной эрозии и эрозии почв.
Юго-Западное Предволжье - это юрско-меловая возвышенная равнина с не глубоко врезанной речной сетью и слабо расчленённая балками и оврагами за ис ключением приволжской части. Средние наклоны полей 2-3. Почвообразукшще породы здесь элювиально-делювиальные пылевато-глинистые, легкие глины и тя жёлые суглинки, а также известковистые тёмно-серые и серые глины на юрских и меловых отложениях. Из почв преобладают серозёмы, они занимают 83% площади сельскохозяйственных угодий, в том числе выщелоченные чернозёмы - 7,6%. Около 10% занимают пойменные почвы и 7,6% - серые лесостепные почвы Это земли с эрозионной прочностью 110-150 ньютон и противоэрозионной устойчивостью от 0,8 до 1,12. Эрозии подвержены лишь 44% почв района- Почвы Юго-Западного района надёжны в отношении эрозии. Сток взвешенных наносов в Предволжье составляет 200-300 т/км2 год.
Предкамье - это самый большой агропромышленный район с асимметричным волнисто-холмистым рельефом, густо расчленённый реками, балками и оврагами. Средпие углы наклона полей 3. Материнскими породами являются лёссовидные суглинки и глины. Почвы слабо устойчивы к эрозии. Их эрозионная прочность 15-20 ньютон, а противоэрозионная устойчивость около 0,3. Даже при небольших углах наклона дерново-подзолистые почвы легко смываются и размываются. Наиболее распространённые почвы Предкамья светло-серые. Эрозионная прочность светло-серых почв в зависимости от глинистости (материнские породы - чаще суглинки) колеблется от 20 до 45 ньютон, тёмно-серых тяжёлосуглинистых - до 80, а на глинах - до 130 ньютон. Эрозионная устойчивость этих почв в Предкамье около 0,4. Как и дерново-подзолистые почвы, серые лесостепные почвы легко размываются и на склонах в различной степени эродированы. Сток взвешенных наносов в Предкамье составляет 750-880 т/км год.
Западное Закамье представляет собой слабо-холмистую равнину с чередованием асимметричных речных долин и обширных ровных или волнистых водоразделов. Средние уклоны полей 1-2, самые низкие в республике. Район самых высоких летних и самых низких зимних температур, с самой малой мощностью снежного покрова. Это лесостепь. Материнскими породами являются суглинки и глины. Западное Закамье - чернозёмный район, почвы обладают высокой эрозионной прочностью в 110-150 ньютони противоэрозионпой устойчивостью от 0,5 до 1,1 Овражная эрозия наблюдается главным образом в полосе побережья водохранилища.
Север Восточного Закамья занимают серые и тёмно-серые почвы. Почвы обладают хорошей противоэрозионной устойчивостью, особенно в области низины -от 0,6 до 1,0. Но овражная эрозия в условиях длинных пологих склонов имеет ме-сто. Юг Восточного Закамья расчленён глубокими долинами рек, лощинами и балками. Углы наклона полей 4-5, это район пониженных летних и зимних температур. Широко распространены выщелоченные и оподзолепные чернозёмы. Эрозионная прочность почв невелика; от 20 до 60 ныотон, а противоэрозиопная устойчивость колеблется от 0,6 до 0,9. На крутых склонах почвы подвержены смыву. В За-„ падном Закамье сток взвешенных наносов составляет 150 т/км2хгод, а в Восточном -до600 т/км хгод.
Методы расчета максимального стока, применяемые в зарубежных странах
Анализ применимости методов расчёта максимального стока в зарубежных странах [77, 115, 124, 130, 131, 133] позволил выделить следующие основные формулы: Формула Ллойда-Девиса [133].
Формула применяется на террЕїтории Великобритании и США. Расчет максимального дождевого стока выполняется по следующей зависимости: е = [б0х5х— Ых/ фут /мин (2Л5) где t - время поверхностной концентрации, мин; Л - площадь водосбора, акр; р - коэффициент стока, учитывающий потери на впитывание и испарение; 60x5 - сток в фут /акр для ливня интенсивностью 1 дюйм/час на абсолютно непроницаемой поверхности; г - общее количество осадков, за время поверхностной концентрации, дюйм. /- = ///60, (2.16) где / - интенсивность осадков, дюйм/час. / = 30/( + 10), если/ = 5-20 минут (2.17) / = 40/(/ + 20), если t = 20-г100 минут (2.18) Формула Фаррадєя [131].
Максимальный дождевой расход имеет вид: Q = 0ЛПК1А, м3/сек (2.19) при/ = 1, (2.20) л = /(741), (2.21) где К - коэффициент стока, принимаемый в зависимости от размера бассейна и типа его поверхности; / - средняя интенсивность дождя продолжительностью (, мм/мин; Л - площадь бассейна» км2; Н - ливневой коэффициент, мм; / - интенсивность дождя в данной точке бассейна, мм/час; Т продолжительность дождя, час. Формулы, применяемые во Франции [130]. Редукционная формула стока: 0 = 2ОО/ \м3/с (2.22) Формула предельной интенсивности стока: Q= acIFtM3fc (2,23)
В формулах (2.22) и (2.23) приняты следующие обозначения: а - коэффициент учёта размерностей; с - коэффициент, учитывающий образование ручьев; / - интенсивность дождя; F - площадь водосбора, км2.
Формула (2,22) применяется в диапазоне площадей водосбора от 30 до 20000 км2. Условия применения формулы (2.23) по размерам площадей не регламентированы.
В результате проведённых теоретических исследований по методам расчёта максимального стока дождевых вод можно сделать следующие выводы:
1. Анализ состояния и применимости различных методов расчётов как российских [46, 67, 73, 89, 90, 91, 101], так и зарубежных авторов [77, 115, 124, 130, 131, 133] позволил установить, что наибольшее распространение получили формулы МАДИ (О.В. Андреев - А.Ф. Шахидов) и Союздорпроект (Б.Ф. Перевозников).
2. Основной недостаток, который выделяется при анализе зарубежных формул, заключается в неполном учёте всех факторов, влияющих на формирование максимального дождевого стока. Например, отсутствует учёт коэффициента потерь склонового стока и ливневые факторы.
3. Однако среди рассмотренных методов не встречается расчёт стока для труб, находящихся в эксплуатации и имеющих ту или иную степень заиления. Ф щ времени в установленных пределах значении всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, хранения и транспортирования [28], В понятие надёжности входит ряд свойств объекта: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
Одним из основных понятий теории надёжности является отказ - событие, заключающиеся в нарушении работоспособного состояния объекта. Он может быть вызван влиянием случайных фаюгоров, которые либо заложены в объект при его изготовлении, либо действуют на него в процессе эксплуатации. Трактовка отказа как случайного события является исходным пунктом при построении теории на дёжности [28, 71]. Отказы классифицируются по различным признакам: по харак теру проявления, по причинам возникновения, по последствиям, по взаимосвязи с другими отказами (зависимый и независимый и др.) [28].
Показателями надёжности называются количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надёжность объекта [28, 71]. Различают показатели безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности, а также комплексные показатели.
Степень ответственности малых водопропускных сооружений и расчетные критерии вероятности превышения поверхностного стока
Трудности эксплуатации малых сооружений обусловливаются их большим количеством, разбросанностью по автодороге, а также кратковременностью ливневых паводков. В преобладающем большинстве случаев условия эксплуатации связываются с расходами водотоков и с соответствующими им требованиями. Условия эксплуатации сооружений, как правило, ухудшаются с возрастанием расходов и уровней. Поэтому их вероятность превышения за пределами расчетных расходов и уровней характеризует ненадёжность сооружений.
Факторы, определяющие надежность работы водопропускных сооружений, в целом характеризуют водоопасность данного района. В результате анализа географического распределения факторов, определяющих условия эксплуатации сооружений и водоопасности районов, куда относятся генезис паводков, коэффициенты вариации максимальных расходов, эрозия почв, селеактивность и русловой процесс, территорию России можно разделить на четыре зоны водоопасности [7]. Татарстан относится ко II -средней зоне водоопасности.
Однако сама по себе вероятность превышения ещй не характеризует условий эксплуатации сооружений, так как для их оценки необходимо знать количество превышений расхода или уровня. Незначительные превышения не могут оказать влияния на ухудшение условий эксплуатации. Паводки на малых водотоках крат-ковременны, но и этого бывает достаточно, чтобы произошло разрушение оголовков и укреплений труб. Хотя размывы выходных русел малых мостов и труб достаточно часты» но приводящие к перерывам движения встречаются достаточно редко.
Вместе с тем недостаточность отверстия малого моста или трубы, помимо размыва на выходе, вызывает еще подпор, который, в отличие от размыва, в отводящем русле может образоваться вскоре после поступления к трубе соответствующего расхода. Если насыпь автодороги по высоте недостаточна для такого подпора, то начинается перелив воды и разрушение насыпи.
Помимо изложенных выше соображений но гидравлической работе труб, нужно иметь в виду, что в XX веке скорость возрастания осадков заметно выше, чем в конце XIX - начале XX в. [41]. Это является свидетельством увлажнения и потепления климата в современный период. В результате этого могут возрасти расходы, которые должны будут пропускать водопропускные сооружения и, соответственно, могут потребоваться изменения их размеров.
При проектировании малых водопропускных сооружений автомобильных дорог основным критерием надёжности является величина вероятности превышения максимального расхода дождевого стока. Основой расчётов и разработок является выполнение условия, при котором вычисленная величина расхода воды расчетной вероятности превышения должна быть не меньше максимальной, наблюдавшейся за рассматриваемый период времени.
Необходимость установления степени ответственности водопропускных сооружений обусловлена возросшими темпами развития дорожной сети России, требованиями к качеству проектных разработок и строительных работ без увеличения необоснованных затрат.
Согласно СНиП 2.05.02.-85 вероятность превышения расчётных расходов воды при проектирование водоотводных сооружений следует принимать для дорог I технической категории - 1%, II и III категорий - 2%, IV и V категорий - 3%.
Опыт проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог указывает на необходимость рассмотрения водопропускных сооружений как элементов конструкций земляного полотна и дорожной одежды, и их классификации по типу капитальности и характеру работы.
Дождевые расходы с малых бассейнов формируется осадками большой интенсивности и малой продолжительности с небольшими вариациями по величине для различных районов России, что приводит к напряженной работе водопропускных сооружений в течение одного дождя. Заиление водопропускных сооружений вызывает дополнительный рост пруда аккумуляции, перелив воды через насыпь, что приводит к снижению расчетной скорости движения автотранспорта, а в отдельных случаях создаёт аварийные ситуации.
Завышение значений расходов при расчёте систем водоотвода приводит к излишним и необоснованным строительным затратам. Поэтому увеличение значений дождевых расходов необходимо дополнительно обосновать особыми требованиями и значимостью объекта строительства.
Рациональность назначения вероятности превышения связана со всеми конструктивными элементами автомобильной дороги - земляным полотном, проезжей частью, разделительной полосой, водоотводными сооружениями и определяет условия безопасного движения транспорта по дороге, а также её устойчивость под воздействием гидрометеорологических факторов.
Назначение различных величин вероятности превышения для автодорог одинаковых категорий и капитальности сооружений приводит к несоответствию технического уровня дорожных объектов в случае паводков редкой повторяемости (1 - 2%), в зонах с малой вероятностью их возникновения. Снижение степени ответственности водоотводных сооружений позволяет уменьшить стоимость строительства» однако абсолютно не гарантирует их устойчивость при пропуске больших паводков.
Заиление водопропускных труб и их влияние на экологическую ситуацию
Как видно из графиков, заиленные трубы имеют существенно меньшую пропускную способность, чем нс заиленные.
На основании данных ОАО «Институт «Татдорпроект» труба диаметром 1,0 м имеет расчётный расход стока Q=l107 м3/с при ВП 3%. Режим работы трубы безнапорный. Высота насыпи 2,10 м, расчётный подпор перед трубой Нр=0,85 м. По графику на рис. 6.2 определяем значения подпора Н перед трубой для различных видов заиления при Q/Qp=l и значения расхода Q при H/Hp=L Результаты приводятся в таблице 6.6.
Из табл. 6.6 видно, что при расчётном наполнении Н/Нр=1 (Нр-0,85 м) расход при 10% заилении уменьшается в 1,2 раза; при 20% заилении - в 1,3 раза; при 30% заилении - в 1,8 раза; при 40% заилении - в 2,5 раза; при 50% заилении - в 4 раза. При расчётном расходе Q/Qp l (Q=lf07 мэ/с) уровень подпора перед трубой увеличивается при 10% заилении в 1,1 раза; при 20% - в 1Д5 раза; при 30%-в 1,68 раза, при 40% - в 2,05 раза; при 50% - в 2,4 раза. Таким образом, труба при 30%, 40%, 50% заилении продолжает работать в полунапорном режиме.
Из графика для прямоугольной трубы (рис.6.3) видно, что при расчётном наполнении Н/Нр=1 расход при 10% заилении уменьшается в 1,2 раза; при 20% заилении - в 1,37 раза; при 30% заилении - в 1,82 раза; при 40% заилении - в 2,22 раза; при 50% заилении - в 2,86 раза.
На основании анализа пропускной способности заиленных труб предлагается ввести рекомендации по увеличению отверстия труб. На дорогах Татарстана в зонах с наименьшей эрозионной прочностью грунта и возможного заиления рекомендуется применять трубы диаметром 1,5 м. Также рекомендуется в этих зонах избегать многоочковых труб малых диаметров и по возможности применять одно-очковые трубы большого диаметра. Если же выполнение данных рекомендаций по каким либо причинам невозможно, предлагается увеличить высоту бровки земляного полотна и укрепить откосы насыпи от возможного размыва.
Экономический расчёт приведённых затрат на содержание заиленных труб Для выполнения мероприятий по сохранению почв в Татарстане с 2003 года выделяется 40 - 45 млн. рублей в год. Основные мероприятия по предотвращению эрозии рассматривались в п. 4.3.
В протавоэрозионные мероприятия входят; устройство водозадерживающих сооружений (валы-канавы), засев трав на поверхности валов, залужение поверхности оврага, посадка лесных полос на склонах оврага.
В содержание этих мероприятий входит: подсев травы на валах, поправка конструкции вала, полив трав. Экономический расчёт проведен по территориальным единичным расценкам. Рассмотрены приведенные затраты на не заиленную трубу диаметром 1,0 м и имеющую заиление 20 т где Рпр п 0 -приведенные затраты на трубу с диаметром 1,0 м, руб.; Кс - стоимость строительства трубы, руб.; Км - капиталовложения в мероприятия по предотвращению заиления (противоэро-зионные мероприятия), введенные на 5 год эксплуатации, руб.; Эс - затраты на содержание труб, руб.; Эм - затраты на содержание противоэрозионных сооружений, руб.; Е- ставка дисконтирования» = 0,12; Г- период, в течение которого осуществляются инвестиции и эксплуатация сооружений, а также извлекается доход от реализации противоэрозионньтх мероприятий, лет.
По данным «Главтатдортранс» стоимость строительства трубы с диаметром 1,0 м составляет КС=4А%\95 руб. Затраты на содержание одной трубы в год составляют 3,.=1345,78 руб., а затраты на содержание противоэрозионных сооружений -Э 33132,П руб.
