3.Расчет нагорной водоотводной канавы.

Канавы служат для отвода поверхностных вод.

К канавам относят: продольные водоотводные канавы, нагорные канавы, забанкетные канавы, кюветы.

Гидравлический расчет канав.

Из задания на курсовой проект имеем следующие исходные данные:

1 2 3

Расход воды, м³/с: 1,2 0,98 0,87

Уклон, ‰: 12 15 18

Длина участка, м: 200 190 200

Участок №1

Определим минимально необходимую площадь живого сечения.

(3.1.)

где n=0,035 – коэффициент гидравлической шероховатости, в первом приближении принимаем канаву с грунтовым дном и одернованными откосами;

(3.2.)

, (3.3.)

где:k – коэффициент, определяемый по формуле:

(3.4.)

где m=1.5 – показатель откоса канавы.

Геометрические характеристики канавы:

По ω_min, определим h:

(3.5.)

При известном значении h найдем b:

(3.6.)

Размер b сравниваем с минимально допустимым [b]=0.6 м: так как 0,5978 м<0,6 м, то есть b<[b], то принимаем b=0.6 м.

Новое значение h пересчитаем по формуле:

(3.7.)

1,5h²+0,6h-0,6=0

Решив квадратное уравнение получим: h=0,98 м

Глубина канавы:

Н₁=h₁+0,2; (3.8.)

Н₁= 0,98+0,2=1,18м

Проверим, может ли канава, имея размеры, равные 0.6 м и h=0,98 м, полученные в результате расчетов, пропустить потребный расход воды:

Скорость тока воды в канаве:

(3.9.)

Тогда расход через сечение канавы:

(3.10.)

Полученный расход сравниваем с потребным значением расхода.

Из расчета видно, что канава такого сечения справится с расчетным расходом.

Участок №2

Из расчета видно, что канава такого сечения справится с расчетным расходом, даже с небольшим запасом.

Участок №3

Уменьшить расход, который пропускает канава можно за счет изменения типа укрепления, сделать его более дешевым, или уположения дна канавы, но т.к. при проектировании канавы первоначально было взято наиболее экономичное укрепление, то удешевить его не удастся, а уположение дна канавы приведет к ее заглублению и увеличению строительной стоимости, что тоже не рационально, поэтому принимаем канаву с размерами b=0,6м Н=1,18м и i=12‰ и типом укрепления: отдернованные откосы и мощенное дно.

По данным строим продольный профиль канавы (см.приложение).

4. Проектирование дренажа.

Как правило, дренажи устраивают там, где необходимо предохранить грунт выемки от морозного пучения, когда уровень грунтовых вод находится выше расчетного горизонта промерзания грунта. Либо там, где по каким-либо причинам водоотводная канава не в силах справиться со своими функциями.

Расчет дренажа включает в себя решение следующих задач:

1. Определение эффективности дренажа;

2. Определение глубины заложения дренажа;

3. Определение сроков осушения грунта;

4. Определение уровня воды в дренаже (гидравлический расчет).

5. Подбор дрены.

6. Подбор дренажного заполнителя.

1. Определение эффективности дренажа.

Основной характеристикой эффективности дренажа является коэффициент водоотдачи который определяется как:

где:n – пористость грунта;

m₀ – объем пор из которых вытечет вода при осушении:

Объем пор из которых вытечет вода при осушении:

(4.1.)

где α=0,1 – количество капиллярнозастрявшей воды;

W₀ – максимальная молекулярная влагоемкость;

γ_в =10кН/м3– удельный вес воды;

γ_г – удельный вес скелета грунта:

Удельный вес скелета грунта:

(4.2)

где е – коэффициент пористости, которую определим из соотношения:

(4.3.)

Откуда:

Тогда:

Т.к. полученный коэффициент водоотдачи больше чем 0.2, то эффективность применения данного сооружения оправдана.

2. Определение глубины заложения дренажа.

Глубина заложения дренажа:

(4.4.)

где z_пр=2,03 м– глубина промерзания за 10 лет наблюдений;

е=0.2 м – запас на переменный уровень грунтовых вод;

а_кап=0.4 м – высота капиллярного поднятия воды в грунте;

h₀=0.4 м – расстояние от точки выклинивания кривой депрессии в траншее до дна траншеи;

h_б– высота от шпалы до дна кювета:

Так как глубина дренажа меньше 2.5 м, то ширина траншеи принимается равной 2а = 0.8 м;

Стрела изгиба кривой депрессии f определяется как:

(4.5.)

где I – уклон кривой депрессии;

Lм – расстояние от оси пути до стенки траншеи:

(4.6.)

Геометрические параметры дренажа:

где h₁=1 м – отметка ГГВ ниже уровня бровки земляного полотна;

h₂=5,6 м – отметка водоупора ниже уровня бровки земляного полотна.

3. Определение сроков осушения грунта.

Сроки осушения определяют для междренажной и полевой сторон, причем определяющим с точки зрения технологии строительства является срок осушения междренажной стороны.

Итак, срок осушения для междренажной стороны:

(4.7.)

где К =5·10^-7м/с - коэффициент фильтрации;

В – коэффициент, определяемый по формуле:

(4.8.)

где а – половина ширины траншеи;

η₁ – функция, определяющая время от начала осушения, до смыкания ветвей кривой депрессии;

η₂ – функция, определяющая время от момента перехода кривой депрессии в стационарное положение;

(4.9.)

(4.10.) (4.15)

Функция А_д определяется в зависимости от соотношения h и H по таблице 5.10. пособия.

В конечном итоге время осушения междудренажной стороны составит:

Срок осушения для полевой стороны:

(4.16)

где L₀ – расстояние от стенки траншеи до того места, где кривая депрессии

смыкается с уровнем грунтовой воды определяемое как:

(4.11.)

η₁ – функция, определяющая время от начала осушения, до перехода кривой депрессии в стационарное положение:

(4.12.)

Для полевой стороны функция η₂ принимается равной нулю т.к. смыкание ветвей с полевой стороны отсутствует:

4. Определение уровня воды в дренаже (гидравлический расчет).

Гидравлический расчет дренажа заключается в определении расхода воды через проектируемый дренаж с целью подбора конструктивного исполнения.

Для данного несовершенного дренажа расход на 1 погонный метр составит:

,

(4.13.)

где:

q_А+Б и q_В – расходы из соответствующих зон.

Расход из зоны А+Б:

, (4.14.)

где: к – коэффициент фильтрации;

I - уклон кривой депрессии.

Тогда:

Расход в зоне В составит:

, (4.15.)

где: qr – расход с данной зоны, определяемый по формуле:

, (4.16.)

где:

qr’ – расход, определяемый по графику на рис. 5.12 пособия

в зависимости от коэффициентов α и β, определяемых по формулам:

. (4.17)

Т.к. β>3, то α определим как:

. (4.18)

По графику определяем расход qr’ при β=3,0:

.

.

Тогда:

.

Расход в зоне Г:

. (4.19)

. (4.20)

. (4.21)

.

.

Расход в зоне Д+Е:

. (4.22)

Расход на 1 погонный метр дренажа:

Полный расход через дренаж:

. (4.23)

где l=970 м – длина дренажа, принимаемая равной длине нагорной водоотводной канавы.

5. Подбор дрены.

Дренажная труба необходима для отвода потребного расхода воды из грунта. Ее диаметр подбирается на отвод расхода воды, полученного в предыдущем расчете. Для этого должны выполняться условия:

− труба работает полным сечением;

− минимальный диаметр трубы 150 мм по условию удобства проведения работ по чистке трубы в период эксплуатации;

Расчет является проверкой на то, справится ли труба принятого диаметра с расчетным расходом воды из грунта.

Принимаем диаметр трубы равным d=150 мм.

Площадь живого сечения:

. (4.24)

Гидравлический радиус трубы:

(4.25)

По вычисленному гидравлическому радиусу подбирается коэффициент формулы для вычисления показателя степени y:

.

где: n=0,012 − шероховатость керамической дренажной трубы.

Коэффициент C:

.

На протяжении трубы следует предусмотреть смотровые колодцы для обслуживания дренажа. Конструкция колодца предусматривает устройство водобойного колодца, предназначенного для гашения скорости воды и отстоя органических и механических частиц грунта.

В этом случае уклон трубы составит:

. (4.26)

где:

i_др=i_р=11 ‰ − уклон дренажа;

a=(0,10.25) м − перепад в водобойном колодце между впуском и выпуском;

l_д=(50100) м − расстояние между смотровыми колодцами.

Скорость потока в трубе:

.

Расход воды в трубу:

.

Проверяем условие пропуска расчетного расхода в трубу данного диаметра:

Сравнивается и , где m − коэффициент запаса, учитывающий заиливание трубы (m=1,5):

.

Т.е. условие выполнено с запасом, и увеличивать диаметр трубы не требуется.

6. Подбор дренажного заполнителя.

Расчет ведется исходя из двух условий:

− не должно быть выноса мелких частиц осушаемого грунта в поры дренажного заполнителя или мелких частиц заполнителя в отверстие трубы;

− дренирующий заполнитель не должен чисто механически забивать отверстие трубы. Наиболее крупными его частицы диаметром должны образовывать на входе в отверстие устойчивые своды, препятствующие вываливанию более мелких частиц в отверстие трубы;

- дренирующий заполнитель не должен механически проникать в отверстие трубы.

Эти расчеты производятся для контактов грунт-заполнитель и заполнитель-труба.

Контакт грунт-заполнитель:

Выполнение первого условия обеспечивается соотношением:

(4.26)

где: V_вх − скорость на входе в заполнитель (трубу);

[V] − допускаемая скорость на входе в заполнитель (трубу).

Допускаемую скорость на входе в трубу можно найти как:

, (4.27)

где: k_ф-г − коэффициент фильтрации грунта выемки.

Определим скорости притока воды в дренаж из различных зон сбора воды:

− полевая сторона:

. (4.28)

. (4.29)

. (4.30)

где: полевая сторона;

скорость притока воды с междудренажной стороны;

скорость притока воды снизу.

Из приведенного расчета видно, что условие выполняется.

Выполнение второго условия выражается соотношением:

(4.31)

где: с=2,3 − коэффициент пропорциональности;

е_i=e_з − пористость заполнителя, определяемая по коэффициенту разнозернистости η:

. (4.32) . (4.33) Делаем проверку:

0,0687<1,58

Проверка выполнена, следовательно, грунт не проникает в дренажный заполнитель и далее в дренажную трубу.

Контакт заполнитель-труба:

В расчете так же проводится проверка двух условий изложенных выше:

− первое условие:

Скорость на входе в дренаж:

(4.34)

где: ζ =0,25− коэффициент использования площади щелей (0,25-0,5);

∑F_т − суммарная площадь щелей трубы приходящаяся на 1 погонный метр:

. (4.35)

При h=2 мм − ширина отверстия;

d_тр =150 мм – диаметр керамической трубы;

Тогда:

.

Допускаемая скорость на входе в щель дренажа:

,

Коэффициент фильтрации заполнителя в данном случае можно рассчитать по формуле:

, (4.36)

где: d_п − средневзвешенный размер частиц заполнителя

(4.37)

где: g_i − процентное содержание частиц определенного диаметра в долях единицы.

В свою очередь:

. (4.38)

Рассчитывается для каждой крупности частиц.

Суммируя полученный значения, имеем:

.

.

.

.

Из расчета видно, что условие выполняется и при таком размере щелей дренажной трубы в неё не будет происходить вынос частиц грунта. Т.е. принимаем размер щели равным 2 мм.

− второе условие:

, (4.39)

где: − ширина зазора между трубами;

.

По графику гранулометрического состава грунта дренажного заполнителя определяем d_90-з:

.

Условие выполняется, этот заполнитель на контакте с трубой в щели между трубами проваливаться не будет.