32.18.3. Проектирование водопропускных труб

Расчетный расход, используемый при проектировании водопропускных труб, обычно определяется на основе заранее выбранного интервала повторения, как рассмотрено выше. Ось трубы должна, насколько это возможно, соответствовать направлению естественного потока. При несоответствии может потребоваться устройство скошенных дренажных труб, укладываемых под углом менее или более 90° к оси, хотя они более дорогостоящи. Входные отверстия должны быть как можно более плавными и гладкими, так как от этого зависит плавность потока, проходящего через трубы.

Имеется два возможных вида потока:

– поток, управляемый входным отверстием;

– поток, управляемый выходным отверстием.

Глубина воды верхнего бьефа для расчетного расхода должна быть не менее чем на 0,5м ниже края обочины. Отношение глубины воды верхнего бьефа (ВБ) к высоте отверстия дренажной трубы (HW/D – Headwater Depth/Diameter) равное 1,2 рекомендуется для случаев, когда не имеется достаточно данных для прогноза последствий паводка из-за большой глубины воды в ВБ. Глубина воды верхнего бьефа зависит от расхода, размера труб и их конфигурации.

Расчет отверстия водопропускных труб выполняется в зависимости от режима истечения – напорный, полунапорный или безнапорный.

Для расчета водопропускных труб в странах ЕС используются номограммы. Используя расчетный расход и выбирая первый пробный диаметр трубы, величина HW/D снимается с графика. Если полученное значение HW выше допустимой величины, значит следует выбрать больший диаметр трубы (или сдвоенную трубу), повторяя вычисления до получения желаемого значения HW.

Если при движении к выходному отверстию уровень воды нижнего бьефа оказывается выше верхней точки трубы (напорный режим), тогда

, (32.26)

где Н – потери напора, определяемые по номограмме, м; h_o – вертикальное расстояние от верхнего свода на выходном отверстии до отметки свободной поверхности, м; S_o – уклон трубы, в долях единицы; L – длина трубы, м.

Для глубины воды нижнего бьефа меньшей, чем диаметр трубы (безнапорный и полунапорные режимы), глубина воды верхнего бьефа HW определяется по формуле (32.26), принимая h₀=(d_c+D)/2 (d_c – критическая глубина, м; D – диаметр трубы, м) или глубине воды в НБ (TW), в зависимости от того, что больше.

В случае, когда уровень воды нижнего бьефа определяется уровнем воды, стекающим в канаву из выходного отверстия, для вычисления TW можно использовать формулу Маннинга, зная поперечное сечение, уклон и коэффициент неровности.

Далее сравниваются значения HW, полученные по номограмме и рассчитанные по уравнению, и к проектированию принимается большее.

32.18.4. Влияние подземных вод на прочность дорожной одежды

Прежде чем рассматривать вопрос проектирования дорожного дренажа и дорожных покрытий, необходимо изучить физические свойства и характер взаимодействия воды и грунта. Силы притяжения между молекулами воды и поверхностями большинства минералов пород дают в результате явления поглощения, поверхностного натяжения и подъема воды в грунты, лежащие над уровнем свободной воды. Чтобы вытеснить воду из частично насыщенного грунта, необходимо применить напряжение или отрицательное давление. Это отрицательное давление с учетом атмосферного давления объясняется поглощением влаги грунтом. Величина поглощения быстро увеличивается по мере высыхания грунта, что говорит о зависимости между влагопоглощением и влагосодержанием, которую можно исследовать разного типа приборами.

Важно понимать, что подземные дренажные стоки, находящиеся над уровнем водного зеркала не могут понизить влагосодержание; такое понижение возможно только при понижении уровня грунтовых вод. Согласно исследованиям, подземный дренаж нужен там, где существует опасность подъема грунтовых вод к поверхности ближе, чем на 1,5 м.

TRL в 1994 году дала рекомендации по выбору соответствующих значений CBR при проектировании покрытий для различных типов грунта (за исключением суглинка, который подвержен серьезным и непредсказуемым повреждениям). Значения CBR зависят, в первую очередь, от УГВ и типа грунтового основания и могут колебаться в пределах 2 для плотной глины до 25 для крупнозернистого песка.

Существуют различные методы вычисления эффективности подземных дренажных систем, проложенных в обочинах дороги. Они зависят от значения водопроницаемости грунта, которая на практике значительно варьируется в естественном грунте из-за наличия напластований органических материалов, мелких трещин и т. д.

В дренажные стоки грунтовые воды могут приносить мелкие частицы грунта. Поэтому на практике пористые трубы в дренажных стоках обкладываются фильтрующим материалом. Нетканые геотекстильные структуры в большей степени заменили гранулированные фильтры (рис. 32.5), но их пригодность до сих пор остается под вопросом. Для количественного определения соотношений между геотекстильной структурой, проницаемостью и потенциалом засорения необходимы дальнейшие исследования.

Рис. 32.5. Дренаж дорожной одежды с применением фильтра из геотекстиля

В общем, методика расчета подземного дренажа в странах ЕС и США принципиально не отличается от положений расчета, принятых в Беларуси. На рисунке 32.6 показаны основные элементы подземного дренажа, принятые для проектирования автомагистралей в Великобритании.

Рис. 32.6. Элементы подземного дренажа

В действительности имеется немного дорог, где существует постоянное равновесие условий влажности, потому что среди всего прочего, уровень водного зеркала подвержен сезонным изменениям. Два фактора – испарение и осадки – в большей степени определяют полевые условия влажности грунта. Изменение влагосодержания в илистом глинном грунтовом основании под бетонным покрытием было подробно изучено в течение 2-х лет. В первый год был необыкновенно сильный летний ливень, и количество осадков превысило суммарное испарение, за исключением короткого периода между серединой июня и серединой июля, но во второй год количество осадков было обычным. Сезонное высыхание было очень незначительным, и грунтовые воды оставались на глубине 3 м. В течение следующего года количество осадков было обычным, и испарение превышало осадки в период с июня по сентябрь. Влагосодержание в верхнем слое грунта 0-600 мм уменьшилось, примерно, на 12%, а на глубине 900-1200 мм уменьшение составило 3%. Уменьшение сопровождалось падением уровня зеркала вод, примерно, на 300 мм. Это доказывает, что годовое равновесие влажности между осадками и испарением может сильно влиять на строительство земляного полотна и подготовку грунтового основания.

Последние исследования дорожных покрытий и непокрытых площадей в различных климатических зонах показали важность перемещения воды через обочины в грунтовое основание. Обочины с травяным покрытием предпочтительнее, чем с гравийным, которое, очевидно, открывает доступ воде. Использование хорошего противоливневого покрытия на обочине также имеет большое значение для улучшения дренажных условий. На магистральных дорогах важность использования водонепроницаемых обочин при поддержании условий равновесия под покрытиями неоспорима.

Явление выдавливания грунтовой воды играет большую роль в росте ледовых линз и пучин, которые появляются, когда нулевая изотерма медленно проходит вниз через подверженный влиянию мороза грунт. При температуре выше нуля вода в порах таких материалов имеет отрицательное поровое водяное давление, являющееся результатом поверхностного напряжения и сил адсорбции, которыми удерживается вода. При падении температуры ниже нуля вода в больших порах замерзает, но не замерзает вода, которая сильнее притягивается (в состоянии сжатия) к поверхностям и пустотам между малыми частицами ила и глины.

Степень вспучивания зависит от скорости, с какой вода течет в замерзающую зону. Это зависит не только от гидравлического градиента, установленного фронтом замерзания, но также от типа грунта и наличия воды свободной. Если грунтовые воды находятся глубоко, тогда при вытягивании свободной воды из незамерзшего грунта вспучивание прекращается. Также при низкой проницаемости грунта скорость возникновения пучин замедляется. С другой стороны, непластичные пески, имеющие относительно высокую проницаемость, не подвержены воздействию мороза. Это происходит из-за того, что вода в порах адсорбируется не сильно.

К сожалению, до настоящего времени не существует критериев физических свойств, которые позволяют более или менее точно прогнозировать чувствительность грунта к морозу. Невозможно даже классифицировать грунты по этому признаку, разве что проводить над ними испытания на замерзание. Однако руководство AASHTO по проектированию структуры дорожных покрытий дает принципиальную схему, которая может быть использована для определения примерной степени вспучивания для грунтов от гравия до глины и основана на соотношении средней скорости подъема грунтовой воды (мм/сут) и процентного содержания по весу фракций менее, чем 0,02 мм.

В северной Британии предупреждению вспучивания уделяется большое внимание при проектировании дорожных покрытий, и существует жесткое правило, что морозочувствительные материалы не должны использоваться в верхнем 450 мм слое дорожного покрытия. Существует стандартный тест на определение морозочувствительности, который создает намного более суровые условия, чем реально существующие на дорогах в любой точке страны. Цель теста – определить грунт или материал, который может быть морозонеустойчивым.

Когда начинается весенняя оттепель, ледовые кристаллы тают, и на время появляется избыток воды в предварительно замороженном материале или грунте. При движении транспорта по дороге развивается избыточное поровое водяное давление, и сопротивление сдвигу и прочность покрытия уменьшаются. Именно в этот короткий период года дороге причиняется наибольший ущерб. Во время исследования на Украине было показано, что покрытия с относительно низкой прочностью (самые тонкие покрытия) разрушаются намного быстрее, чем соответствующие покрытия с аналогичной структурой в странах с умеренным и тропическим климатом. Предполагается, что различие в поведении объясняется фактором оттепели. В некоторых странах при наступлении оттепели дорожные управления закрывают некоторые дороги для движения грузового транспорта на, примерно, неделю, чтобы отвести талые воды. Однако, скорость восстановления зависит от эффективности работы дренажа. Если дренаж нижней части покрытия плохой, тогда восстановление прочности может занять несколько месяцев.

Возможны также некоторые повреждения покрытия из-за потери пропускной способности грунтового основания во время периода оттепели, даже если не наблюдалось вспучивания. Это происходит из-за того, что все еще может продолжаться переход воды из нижнего слоя к замерзающему фронту без значительного сдвига поверхности дорожного покрытия.

Весеннее разрушение особенно заметно сразу после быстрой оттепели. При этом условии грунтовое основание тает сверху вниз, и в результате слой незамерзшего мягкого материала запирается непосредственно под покрытием. В результате опора покрытия сильно ослабляется.

В Беларуси морозы гораздо сильнее, чем в Великобритании, поэтому особое внимание должно уделяться морозозащите. Решения могут быть следующими:

– избегать использования морозочувствительных материалов или грунтов (при строительстве) в дорожном покрытии или непосредственно под ним;

– сделать хороший дренаж в грунтовом основании, чтобы уровень грунтовых вод был низким по отношению к уровню земляного полотна;

– положить (включить) термоизоляционный слой между покрытием и любым морозочувствительным грунтом;

– включить либо свободный дренирующий гравийный слой, либо непроницаемую мембрану, либо тонкий слой слабопроницаемой глины между уровнем возможного проникновения мороза и водным зеркалом, чтобы разорвать гидравлическое соединение между ними.