1. Проектирование мероприятий по укреплению насыпи на пойме реки

Железнодорожные насыпи – это грунтовые инженерные сооружения, которые часто эксплуатируются в сложных природных условиях. Примером таких условий может быть периодическое подтопление насыпей паводковыми водами на поймах рек. Насыщение грунта насыпи водой снижает устойчивость откосов, т. е. грунт откосных частей насыпи может сдвигаться по какой-то поверхности вниз. Потеря устойчивости откоса насыпи – деформация достаточно распространенная, представляющая угрозу безопасности движения поездов, иногда захватывающая основную площадку с верхним строением пути.

Умение оценивать устойчивость земляного полотна на основе правильного учета всех внешних воздействий позволяет проектировщику найти такое поперечное очертание его, а иногда и применить дополнительные укрепительные сооружения, которые обеспечат требуемую устойчивость и долговечную, надежную эксплуатацию.

Поскольку пойменная насыпь подвергается воздействию паводковых вод, то при ее проектировании необходимо знать параметры ветровых волн, которые позволят обоснованно назначить и рассчитать защиту откосов насыпи от волноприбоя и определить ее верхнюю границу, а в случае применения бермы для укрепления откоса насыпи – и высоту верхней площадки бермы.

1.1. Определение параметров волнового режима на пойме реки и проектирование защиты откосов от волн

Основными параметрами волнового режима являются: высота волны h, м, длина волны λ, м, период волны Т, с. К дополнительным параметрам относятся крутизна h/λ и пологость λ/h волны, а к характеристикам водной акватории относятся длина разгона ветровых волн L, м, средняя глубина воды в пределах разгона волн d_L, м, и расчетная скорость ветра V_w, м/с. С объяснением всех параметров можно ознакомиться в [1, п. 2.2.5]. Значения характеристик L, d_L и V_w заданы.

Расчетной высотой волны h_i является такая высота, заданная вероятность превышения которой составляет i %. Для дорог I–III категорий рекомендуется i = 1 % при укреплении откосов плитами и i = 2 % при укреплении каменной наброской.

Схема волнового режима в приоткосной части насыпи и характеристики водоема приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема волнового режима в приоткосной зоне водоема: зона 1 – глубоководная; зона 2 – мелководная; зона 3 – прибойных волн; зона 4 – приурезовая

В общем случае у водоема может быть четыре зоны по глубине: глубоководная, мелководная с границей между ними при глубине , прибойных волн, начинающаяся с глубины и приурезовая.

1.1.1. Определение параметров волн

Расчет параметров волнового режима и определение верхней границы наката воды на откос выполняются в соответствии с [2]. Так как высота наката воды на откос зависит от шероховатости поверхности его укрепления, то в курсовом проекте рекомендуется принимать для нечетных вариантов исходных данных плитное железобетонное укрепление откосов, а для четных – каменную наброску.

Расчет средних величин высоты и периода волны начинают с глубоководной зоны. Для этого определяется безразмерная величина , и в зависимости от нее по графику (рис. 1.2) на осях ординат находятся численные значения безразмерных величин и , а по ним определяются и :

, .

Здесь L и V_w заданы, q – ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

Расчетная высота волны i-процентной обеспеченности и средняя длина волны определяются по формулам:

; , (1.1)

где – коэффициент приведения высоты волны в глубоководной зоне к i-процентной обеспеченности;  = 3,14.

Рис. 1.2. График для определения и в зависимости от

При укреплении откосов насыпи каменной наброской , а при укреплении железобетонными плитами

Если у подошвы откоса насыпи глубина воды (глубоководная зона), то найденные по формулам (1.1) значения и используются в дальнейшем для расчета укрепления откоса. Здесь (см. расчет ниже). В случае, если , т. е. в приоткосной части поймы – мелководная зона, тогда высоту волны i-процентной обеспеченности следует определять по формуле

, (1.2)

где – коэффициент трансформации, зависит от относительной глубины у подошвы откоса и определяется по графику (рис. 1.3); – коэффициент рефракции, для малых акваторий, характерных для долин рек, можно принять его равным единице; – обобщенный коэффициент потерь, зависит от и поперечного уклона дна в зоне откоса . При уклонах круче 1/30 следует принимать .

Рис. 1.3. График зависимости коэффициента от относительной глубины воды

Глубина воды в приоткосной части , измеренная от статического уровня (ГВВ), определяется для насыпей высотой более 12 м согласно схеме (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема для определения глубины воды Н_ст

при ее статическом уровне ГВВ

, здесь и – отметки соответственно горизонта высоких вод и подошвы откоса

, (1.3)

где – отметка основания насыпи по ее оси (задана).

Для определения х выразим отрезок (а) двумя способами:

(1.4)

Приравняв правые части выражений (1.4), найдем х:

, (1.5)

где b – ширина основной площадки с учетом заданного числа путей и категории железнодорожной линии (п. 1.2.1).

1.1.2. Определение верхней границы защиты откоса от воздействия волн

Согласно рис. 1.1 верхняя граница защиты (укрепления) откоса насыпи от волнового воздействия, а также высота незатопляемой бермы, если она необходима для обеспечения устойчивости откоса насыпи, могут быть определены по формуле

, (1.6)

где – высота подпора воды вследствие стеснения русла реки мостовым переходом, м; – высота ветрового нагона воды, м; – высота наката на откос волн обеспеченностью , м; а_зап – запас, принимаемый равным 0,25 м для верха незатопляемых берм и укреплений откосов.

Высота ветрового нагона воды определяется по формуле

, (1.7)

где – средняя глубина воды на протяжении разгона волн L, м; – угол между направлением ветра и перпендикуляром к продольной оси насыпи, град (угол приведен в исходных данных); – коэффициент, зависящий от скорости ветра V_w: при м/с ; при м/с ; при м/с .

Величина для речных акваторий составляет не более 0,15 м. Поэтому в формуле (1.7) в знаменателе допускается принять равной нулю.

Накат на откос волн обеспеченностью 1 % по накату для фронтально подходящих волн высотой при глубине перед откосом определяется по формуле

, (1.8)

где и – коэффициенты, зависящие от шероховатости поверхности откоса (типа укрепления); при бетонных (железобетонных) плитах ; ; при каменной наброске эти коэффициенты зависят от относительной шероховатости поверхности откоса ( – расчетный (средний) размер камня, см. ниже): при ; при ; – коэффициент, зависящий от расчетной скорости ветра и показателя крутизны откоса : при ; – коэффициент, принимаемый по графикам (рис. 1.5) в зависимости от угла наклона откоса к горизонту и пологости волны . Откосы в зоне подтопления должны иметь крутизну 1:2 (m = 2).

Рис. 1.5. Графики для определения коэффициента k_run в зависимости

от пологости волны и показателя крутизны откоса m

В формуле (1.8) принимается равной , если глубина , и равной , определенной по формуле (1.2), если .

Высоту наката на откос волн обеспеченностью i необходимо определять умножением полученного по формуле (1.8) значения на коэффициент , принимаемый равным единице при обеспеченности по накату 1 % (плитные покрытия откоса) и при обеспеченности по накату 2 % (каменная наброска).

При подходе фронта волны к откосу под углом со стороны открытой акватории величину следует умножить на коэффициент . Согласно СНиП [2] рекомендуются следующие значения : при ; при ; при ; при ; при ; при ; при .

Расчетный (средний) размер камня верхнего слоя наброски при определяется из двух условий: первое – устойчивое положение камня на откосе данной крутизны при воздействии волн, второе – то же при воздействии вдоль откосного течения воды со скоростью V, м/с.

По первому условию определяется по формуле

(1.9)

где – расчетная масса камня, т; – плотность материала камня, т/м³; т/м³.

В зоне действия ветровых волн (до глубины ) определяется по формуле

(1.10)

где – коэффициент, принимаемый для камня равным 0,025; и – высота и длина расчетной волны, м; – показатель крутизны откоса, ; – плотность воды 1,0 т/м³.

По второму условию определяется по формуле

, (1.11)

где А – коэффициент, учитывающий устойчивость камня на откосе, ; и – удельные веса соответственно материала камня и воды, кН/м³, кН/м³; – угол наклона поверхности откоса к горизонту при крутизне 1:2 ( ); V – скорость течения воды вдоль откоса, м/с (см. исходные данные).

Из двух значений размера камня принимается большее.

1.1.3. Проектирование укрепления откосов насыпи

Для принятого типа укрепления откоса определяются все необходимые размеры и конструктивные элементы. При этом необходимо руководствоваться рекомендациями, изложенными в [1–5].

Каменная наброска. Целесообразно применять ее при скоростях течения воды от 1,5 до 4,0 м/с и высотах волны до 1,5 м. Определив расчетный размер камня по формулам (1.9) и (1.11), необходимо найти толщину каменной наброски. Каменные наброски могут быть однослойными и двухслойными. В двухслойной наброске размер камня второго слоя определяется из выражения

, (1.12)

где – линейный размер камня первого (верхнего) слоя наброски, приведенный к шару, определяется по формулам (1.9)–(1.11).

Минимальная толщина каждого слоя наброски, измеряемая по нормали к откосу, может быть определена как

, (1.13)

где а = 2 при двухслойной наброске, а = 2,5 при однослойной наброске из сортированных камней и а = 3 при однослойной наброске из несортированного горного материала.

В основании каменной наброски устраивается специальная подготовка, играющая роль обратного фильтра (см. ниже).

Плитные покрытия. Для защиты откосов от волноприбоя и вдоль откосных течений применяют бетонные и железобетонные плиты. Плитное укрепление откоса может выполняться сборным и монолитным железобетоном или асфальтобетоном.

Размеры плит в плане для сборных покрытий обычно назначают в зависимости от мощности применяемых подъемно-транспортных средств и условий транспортировки. Они могут быть следующих размеров: 11; 22; 23; 2,53; 33 м. Монолитные плиты имеют размеры в плане от 55 до 1010 м.

Применение различных конструкций плитного укрепления зависит от скорости течения воды вдоль откоса и высоты волны (табл. 1.1).

По конструктивным соображениям плиты толщиной меньше 0,1 м не изготовляются. Необходимая толщина плиты с учетом известных расчетной высоты и длины волны, а также принятых размеров плиты в плане определяется расчетом.

По условию устойчивости плит на откосе под воздействием волн толщина их определяется по формуле

, (1.14)

где – коэффициент запаса ( 1,2 и 1,15 соответственно для дорог I, II, и III категорий); – коэффициент, учитывающий тип плиты ( при монолитных плитах и – при сборных); В – размер плиты, перпендикулярный урезу воды, м; и – удельные веса соответственно материала плиты и воды, кН/м³ ( кН/м³).

Таблица 1.1

Условия применения сборных плитных покрытий

Конструкция укрепления	Размер в плане, м	Толщина плиты, м	Допускаемые скорости течения воды, м/с	Допускаемые высоты волны, м
Сборные бетонные плиты	11	0,15–0,20	1,5–3,0	0,5–0,7
Сборные разрезные железобетонные	2,53	0,15–0,20	1,5–3,0	1,0–1,5
Сборные железобетонные омоноличенные по контуру	2,53	0,10–0,20	3,0–7,0	1,0–2,5
Сборные омоноличенные по контуру из предварительно напряженного железобетона	2,53	0,10–0,20	3,0–7,0	1,5–3,0
Монолитные железобетонные	от 55 до 1010	0,15–0,30	3,0–8,0	1,0–3,0

Если при расчете толщины сборных железобетонных плит получится больше 0,25 м, то целесообразно принять монолитные железобетонные плиты, подобрать их размер в плане В и определить толщину , сверяя ее с рекомендуемой в табл. 1.1.

В основании плитных покрытий устраивается выравнивающая подготовка из щебня или песчано-гравийного грунта. Если применяется покрытие из железобетонных плит с омоноличенными швами, то подготовка под ним выполняется в один слой толщиной 0,10–0,15 м. Под бетонными и железобетонными покрытиями с открытыми швами между плитами, а также в основании каменной наброски устраивается подготовка в виде обратного фильтра, который предотвращает вымывание грунта насыпи и материала самого фильтра из-под укрепления. Обратные фильтры могут устраиваться из крупнозернистого песка, песчано-гравийной смеси, щебня и геотекстиля.

В настоящее время вместо зернистых материалов в качестве обратного фильтра широко применяют геотекстиль, что значительно упрощает технологию работ. Геотекстиль (типа «Дорнит») расстилается на выровненную поверхность откоса, и сверху укладывается соответствующая конструкция укрепления. В курсовом проекте рекомендуется применение обратного фильтра из геотекстиля.

В заключение студент выполняет чертеж принятого укрепления откоса от размыва в масштабе 1:50, используя [3–5] или рис. 1.6, 1.7 и 1.8.

Рис. 1.6. Укрепление откоса насыпи двухслойной каменной наброской при неразмываемых грунтах основания: 1 – откос насыпи или бермы; 2 – выравнивающая подготовка из пескогравия слоем 10–15 см; 3 – обратный фильтр из геотекстиля; 4 – поверхность основания насыпи

Рис. 1.7. Укрепление откоса насыпи сборными железобетонными плитами: 1 – сборные железобетонные плиты; 2 – геотекстиль; 3 – гравийная или песчаная подготовка толщиной 10 см; 4 – упор из бетонных блоков; 5 – упорная каменная призма; 6 – соединение плит закладными деталями

Рис. 1.8. Укрепление откоса насыпи монолитными железобетонными плитами: 1 – монолитные плиты; 2 – сборные железобетонные доски; 3 – песок с гравием толщиной слоя 10 см; 4 – упорная призма из камня (рисберма); 5 – конструктивные швы между плитами