5. Проектирование, строительство и эксплуатация водопропускных труб

Проектные организации выполняют рабочую документацию, пользуясь, в основном, типовыми проектами, учитывая экономические показатели и конкретные условия строительства [68]. В 70-х годах начали создавать систему автоматизированного проектирования (САПР) водопропускных труб [69], в 80-х годах во многих организациях уже используют САПР для проектирования. При хорошо отлаженных программах и наличии графопостроителей технико-экономическая эффективность САПР способствует снижению ручного труда при расчетах и вычерчивании на 75%, стоимости за счет применения уточненных расчетных схем, повышению качества проектных решений за счет выбора рациональной (для конкретного заказчика) конструкции [70].

При разработке проектов учитывается отечественный и зарубежный опыт проектирования [69-71], анализируются новые опытные конструкции, экспериментальные данные и новые теории расчета, более точно отражающие взаимодействие элементов трубы с грунтом [72-81]. Для расчета используются методы, базирующиеся на гипотезе Винклера с различными вариантами отпорности грунта по периметру трубы. Реализация теорий расчета, как правило, осуществляется на ЭВМ. За рубежом обычно применяется метод конечных элементов.

При разработке проектов труб учитываются реальные возможности заводов-изготовителей [82, 83], производства работ в конкретных условиях [84]. Проектирование металлических труб проводится с учетом новых химических материалов [85-87], которые могут значительно увеличить срок службы сооружений. Для суровых климатических условий Севера предусматриваются различные мероприятия против образования наледей [88]. Конструкции сооружений проектируют таким образом, чтобы можно было обеспечить требуемое качество строительства [89].

Эксплуатация труб включает в себя комплекс мероприятий по поддержанию сооружения в исправности, с целью создания условий для бесперебойного движения транспортных средств по дороге при воздействии различных природных факторов.

Основные положения содержания и ремонта труб изложены в соответствующих разделах нормативных документов [90, 91] и учебнике [92].

Содержание трубы начинается с момента ее приемки в эксплуатацию. В период паводков и после, а также после сильных ливней мастер производит осмотр: проверяет положение звеньев и оголовков, состояние русла на 100 м выше и на 50 м ниже трубы, определяет заиленность, в журнале искусственных сооружений фиксирует обнаруженные дефекты. В соответствующие периоды года трубы очищают ото льда, снега, мусора, в необходимых случаях производят их текущий ремонт, усиление, капитальный ремонт. Для очистки труб от ила и грязи целесообразно использовать машину Т-927 (гидромонитор) в комплекте с поливомоечной машиной КДО-130 и прицепной цистерной [93].

Для ухода за трубами используют имеющиеся механизмы, оборудование и материалы [93, 94]. Осуществлять механическую очистку труб не рекомендуется, так как можно повредить само сооружение.

При обнаружении дефектов необходимо установить причину их появления и выбрать метод устранения. Эти работы наиболее существенны для труб, эксплуатируемых в суровых климатических условиях. Ниже приведены данные о наиболее часто встречающихся дефектах железобетонных труб [95].

Вид дефекта	Распространенность дефекта (по отношению к общему количеству труб),%
Осадка звеньев	25
Раскрытие швов между звеньями	74
Крен звеньев	4
Трещины	32
Сколы и разрушения бетона	12
То же с оголением арматуры	4
Выщелачивание бетона	36
Разрушение лотка	21
Осадка оголовков	15
Пучение оголовков и концевых звеньев	50
Крен оголовков	16
Отрыв оголовков от тела трубы	17
Трещины в оголовках	64
Разрушение оголовков	5

Отступление от правил проведения работ во время возведения труб (особенно при плохом уплотнении "пазух" и слабых грунтах основания) может привести к появлению промоин за телом трубы, что наиболее опасно при паводке. В некоторых случаях (при насыпях малой высоты и прохождении очень тяжелого груза) возникают полные или частичные разрушения средних звеньев труб.

Если нельзя быстро заменить трубу, то на разрушенных участках следует выполнить временное усиление путем установки деревянных стоек-распорок, упирающихся вверху в продольный прогон, а внизу в самозаклинивающиеся двухклиновые подкладки. Такие работы необходимо выполнять с соблюдением правил техники безопасности.

Опыт свидетельствует, что периодическое усиление разрушенных труб очень трудоемко и, как правило, значительно дороже, чем полная их замена. Установка внутри круглой железобетонной трубы (длиной более 50-70 м) трубы из металла с последующим инъецированием зазоров практически трудно осуществима, так как заранее сваренную плеть нельзя поместить в трубу (разрывается металл или сварка). А при сварке коротких металлических звеньев непосредственно в трубе даже при хорошей вентиляции возникает загазованность.

При невысоких насыпях (до 4-6 м) разрушенную трубу следует заменить, при высоких - осуществить проходку горным методом.

В связи с увеличением хозяйственной деятельности человека, во многих районах страны повысилась кислотность воды, что может привести к существенному уменьшению срока службы труб. По данным исследований установлено, что железобетонные трубы без защитного покрытия могут служить 50 лет и более в среде с показателем кислотности рН ≥ 4,5 [96].

В Нидерландах при исследованиях влияния химических факторов на долговечность железнодорожных прямоугольных труб выявлено, что помимо растворов кислот в грунтах, богатых гумусом, содержится газ СО₂, который взаимодействует с цементным камнем; в ряде районов страны грунт содержит растворы серной кислоты [97].

Для повышения долговечности труб целесообразно изготавливать их из плотного бетона на портландцементе, получаемом в шахтных печах с .дутьем и содержащем минимальное количество шлаковых добавок (коэффициент диффузии составляет 4·10^-9 см²/с вместо 44·10^-9 см²/с с обычным портландцементом), с толщиной защитного слоя не менее 20 мм, раскрытием трещин до 0,2 мм. В стыках звеньев следует применять бутадиенстирольный каучук.

В северных районах СССР наледи нередко закупоривают отверстия водопропускных труб, и вода переливается через земляное полотно, размывая его.

На участках с вероятным образованием наледи в осенний период к верхней части трубы подвешивают металлическую трубу диаметром 30-40 мм (рис. 31). К вертикальным концам трубы прикрепляют вешки так, чтобы они были выше прогнозируемого уровня наледи. В зимний период при образовании наледи в трубу подается пар, при этом образуется канал, в который вставляют металлическую перфорированную трубку диаметром 20-30 мм и через нее пропускают пар. В канал диаметром 30-40 мм направляют воду, которая полностью освобождает трубу ото льда.

Рис. 31. Схема парооттаивания наледи в трубе:

1-наледи; 2-указательные вешки; 3-угловые фитинги; 4-труба

Эту работу выполняют два человека в течение 40 мин [98]. Для направления стока воды необходимо устраивать канавы, используя солнечное тепло, посыпая нужные места землей, углем и т.п.

Дорожный мастер В.Н. Тестов из Кировской области применяет другой способ протаивания наледей [99]. Осенью внутри трубы протягивают проволоку диаметром 6-8 мм, концы ее выводят наружу и подвязывают вешки. Весной, когда снег только начинает таять, к одному концу проволоки подключают массу сварочного аппарата, а другой конец закрепляют в держателе электрода. Пропускают ток и через 15-20 мин в трубе длиной 20 м образуется канал, который на входе расширяют до 20 см. Через несколько дней весенние воды полностью размывают лед в трубе.

В паводок для предотвращения закупоривания труб при движении деревьев с корнями и кроной (карчеход) перед ними с верховой стороны на расстоянии 1,5 м друг от друга забивают сваи, объединенные между собой горизонтальными стержнями из уголков, швеллеров или арматуры, образуя "забор".

"Забор" в виде полукруга (в плане) устанавливают на расстоянии от оголовка, равном 2-4-м диаметрам трубы. В работе [100] приведены формулы, позволяющие определить усилия от карчехода, действующие на конструктивные элементы "забора".

На примере строительства моста в пределах широкой поймы со староречьем показано, что перекрытое насыпью староречье (без трубы или малого моста) превратилось в болото, погибли сенокосные луга, началось изменение экологической системы [101]. Люди понесли материальный ущерб, а также лишились места отдыха. В нормах [4] оговорены требования, предусматривающие меры по охране окружающей среды, по поддержанию экологического равновесия и охране рыбных запасов при проектировании новых и реконструкции существующих мостов и труб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До настоящего времени наибольшее количество труб возводили из круглых железобетонных звеньев диаметром до 2 м или прямоугольных сборных секции, отвечающих требованиям технологии массового заводского изготовления.

Большие преимущества труб перед мостами привели к необходимости совершенствования конструкций сборных и сборно-монолитных труб, позволяющих перекрыть пролеты до 18 м (трубы - мосты, трубы - путепроводы). Так, например, в 1985 г. в Канаде закончено строительство железобетонной сборной трубы арочного типа с пролетом 20 м, что на 2 м длиннее самой большой по проекту металлической трубы [102].

Конструкция и масса сборных элементов железобетонных труб должны соответствовать не только требованиям, необходимым при заводском изготовлении, но и условиям, при которых возможен монтаж широко распространенными самоходными кранами. Поскольку специального оборудования для заделки стыков сборных железобетонных труб разработано еще очень мало, доля ручного труда достаточно велика.

Широкое применение металлических гофрированных труб в различных дорожно-климатических районах, особенно в суровых районах Севера, дает возможность сокращать время строительства, более просто транспортировать конструкции. Исследования СибЦНИИСа, относящиеся к особенностям работы тонкостенных металлических труб в условиях Севера нашей страны, показали реальность применения МГТ с использованием местных грунтов с малым модулем упругости.

Большие перспективы ожидаются от строительства водопропускных труб из алюминиевых сплавов и синтетических материалов.

Новые конструктивные решения отводящих русл, особенно с "мягкими" материалами вместо монолитного бетона или камня, позволяют существенно сократить долю ручного труда и принципиально меняют технологию и организацию строительства.

Наличие типовых проектов позволяет сократить время проектирования труб.

Для обеспечения быстрого и качественного проектирования и строительства труб необходимо разработать, изготовить и внедрить средства, малой механизации для заделки стыков, простые и дешевые антикоррозионные материалы; применять САПР.

Для обеспечения надежной эксплуатации труб необходимо разработать специальные механизмы (сменные, на одной подвижной установке), позволяющие быстро и качественно устранять дефекты, используя при этом незначительную долю ручного труда.