Изыскания и проектирование железных дорог 2010

прямую а1 а2 по кратчайшему направлению между точкой а1 и следующей горизонталей и т.д. до главного водораздела. Аналогично строят правую боковую границу водосбора с- С. после построения границ определяют геометрические характеристики водораздела.

а – профиль, б – план

Рисунок 7.2 - Водосбор

Площадь F (км2) определяют планиметром или при помощи палетки. Длина главного лога L (км) определяется как длина тальвега Bb.

Уклон главного лога Iл (‰) равен отношению превышения между точками B и b к длине главного лога:

где НВ и Нb –высоты отметок B и b.

Ливневый сток. Ливневый сток рассчитывается на основе допущения о том, что осадки выпадают равномерно на всей территории водосбора. Во время дождя на землю выпадает одинаковый слой (мм) осадков высотой hД. Не все осадки участвуют в образовании стока, часть их теряется. Слой осадков

61

высотой hi впитывается в почву, слой осадков высотой hр расходуется на смачивание растительности (деревьев, кустарников, трав), слой осадков высотой hмр задерживается во впадинах микрорельефа в виде луж. Оставшийся слой осадков высотой hВ питает сток и называется слоем водоотдачи:

Объем стока (м3) равен произведению площади водосбора на высоту слоя водоотдачи:

Расход стока (м3/мин) равен частному от деления объема стока на время водоотдачи:

и представляет собой количество осадков, стекающее с единицы площади за единицу времени.

Формулы для определения объема и расхода стока через интенсивность водоотдачи имеют вид:

Формулы (7.6) и (7.7) – основные для расчета W и Q. Они выведены для общего случая, поэтому для приближения к реальным условиям в них вводятся коэффициенты. С этими коэффициентами они имеют вид:

где 1000 и 16,7 переводные коэффициенты, поскольку а1 измеряется в мм/мин, F- в км2;

γ- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения осадков,

иопределяется в зависимости от климатического района и наибольшего линейного размера бассейна;

φ – коэффициент, учитывающий полноту стока.

62

Полным считается сток, когда весь бассейн участвует в его образовании. Если капля воды, выпавшая в самой отдаленной точке бассейна, добежала до места расположения водопропускного сооружения и дождь к этому моменту не прекратился, то сток называется полным, если прекратился – неполный. Таким образом, коэффициент φ зависит от продолжительности ливня и размеров бассейна. Полный сток дает максимальный расход. При полном стоке φ=1.

δбо – коэффициент, учитывающий наличие болот и озер на территории водосбора, попав в которые, вода уже не участвует в стоке. Коэффициент δбо равен отношению площадей озер и болот к площади водосбора.

Большое значение в формулах (7.8) и (7.9) имеет интенсивность водоотдачи а1. Она нумеруется по вероятности превышения на основе данных метеорологических станций.

Расход ливневого стока определяют согласно инструкции по расчету ливневого стока с малых бассейнов. Для предварительных расчетов на стадии сравнения вариантов расход определяют по номограммам [6]. Надо получить два значения расхода: расчетный и наибольший. Номограмма (рис. 7.3) составлена для определения расхода ливневого стока. Вероятность превышения Р=1 % для бассейнов песчаными, супесчаными почвами. Указанный расход можно определить, зная площадь бассейна F, уклон главного лога Iл, номер ливневого района и группу климатического района. Номер ливневого района определяется по карте–схеме, а группа климатического района по таблице 7.1.

Таблица 7.1 Нумерация ливневого района

Рисунок 7.3 - номограмма ливневых расходов с вероятностью превышения 1 % при песчаных и супесчаных грунтах

Расход стока талых вод. Расход стока талых вод Qсн равен произведению площади водосбора F на модуль снегового стока с:

Модуль стока равен объему воды (м3), стекающий с 1 км2 площади во время снеготаяния. Модуль устанавливается в зависимости от вероятности превышения по данным метеорологических станций. Для предварительных

64

расчетов Qсн определяется по номограммам. Номограмма (рис. 7.4) построена для расхода снегового стока вероятностью превышения Р=1 % в функции

Рисунок 7.4 - Номограмма расходов от снеготаяния с вероятностью превышения 1 %

площади бассейна F, модуля снегового стока с1%, заболоченности и озерности. Модуль снегового стока определяется по карте-схеме. На ней нанесена пунктирная линия; снеговой сток рассчитывается только для районов, расположенных севернее этой линии. Озерность и заболоченность определяются по карте бассейна как отношение площади озер и болот к общей площади бассейна (%). Если нет болот, заболоченность условно принимают равной 1 %. При озерности более 20 % заболоченность не учитывается и также условно принимается равной 1 %.

Для определения расхода снегового стока вероятностью превышения, отличной от 1 % вводится поправочный коэффициент kс, равный 1,37 при Р=0,3 % и 0,87 при Р=2 %, тогда расход

Расчет ливневого стока с учетом аккумуляции. В ряде случаев отверстие водопропускного сооружения подбирается таким образом, что оно пропускает только часть притекающей во время водоотдачи воды [5]. Оставшаяся часть собирается перед насыпью в виде пруда. Накопление воды в

65

пруде называется аккумуляцией стока, а вода, скопившаяся в пруде, аккумулированной. Аккумуляция части стока позволяет достичь экономии в объемах и стоимости сооружения, но при проектировании водопропускных сооружении в этом случае надо, чтобы бровка насыпи была выше уровня воды в пруде не менее чем на 0,5 м, иначе вода может перелиться через железнодорожный путь и размыть его. Чтобы этого не произошло, устанавливают зависимость между расходом воды, пропускаемым сооружением Qc и объемом аккумулированной в пруде воды Wак. Общий расход Q и объем W стока рассчитывают одним из приведенных ранее методов.

В момент окончания водоотдачи объем стока W можно представить как сумму двух объемов – объема воды, протекшей через сооружение за время водоотдачи QctB, и объема воды Wак, аккумулированной за время водоотдачи;

W=QctB+Wak. (7.12)

Вода, притекающая к железной дороге, должна быть отведена с сторону от земляного полотна продольным или поперечным водоотводом. Для поперечного водоотвода через земляное полотно необходимо предусматривать водопропускные сооружения. Их устраивают в следующих случаях: на постоянных водотоках - реках и ручьях; на периодически действующих обычно большую часть года сухих логах; для выпуска воды из пазух, образующихся между земляным полотном и косогорам, когда трасса уложена у его подошвы; для перепуска воды с верховой стороны насыпи на низовую на затяжных спусках во избежание чрезмерной концентрации стока оврагообразования. Размеры поперечного сечения водоотводов и отверстия сооружений назначают по расчетному расходу воды.

Размещение искусственных сооружений приурочивают к пониженным местам профиля и проверяют по плану (карте), как будет обеспечиваться приток и выпуск воды, возможна ли организация правильного водоотвода. В необходимых случаях предусматривают подводящие и отводящие русла и дамбы.

Для того чтобы определить расчетный расход воды, на плане (карте), определяют точки водораздела, сверяя их с профилем, и оконтуривают бассейны водосбора, планиметром определяют площади бассейнов F и его расчетный параметр - уклон по главному логу I, наличие озер и болот на площади бассейна, характер залесенности и почв. Расчеты стока на стадии проектирования трассы (план и профиль, выбор типа сооружения) ведут по номограммам, на стадии проектирования самих сооружений – по инструкции по расчету ливневого стока с малых бассейнов аналитически или с помощью ЭВМ.

По результатам, полученным в номограммах, производится выбор водопропускных сооружений. На рис. 7.5 представлен график для определения и выбора параметров прямоугольных водопропускных труб [6].

66

Рисунок 7.5 - График водопропускной способности прямоугольных труб

7.2 Защита пути от паводковых вод

Под водоборьбой понимается комплекс профилактических мероприятий, направленных на быстрейший пропуск талой или ливневой воды. Как правило, устройство пути и сооружений обеспечивает благополучный проход талой и ливневой воды. Тем не менее при этом требуется усиленный надзор за состоянием пути, водоотводов и укрепительных сооружений, а также заблаговременная подготовка материалов для укрепительных работ, где это потребуется по фактическому положению [5].

На основе изучения состояния пути, местных условий и опыта пропуска вод за предыдущие годы ежегодно уточняют перечень мест пути, которым может угрожать проход льда и высоких вод. По этому перечню разрабатывают порядок завоза необходимых материалов (камень, хворост, рогожные кули, мешки, проволока, бревна, доски, гвозди, веревка) с указанием потребности в них по каждому объекту и мест нахождения резервных запасов. Материалы хранятся на незатопляемых местах, к которым всегда свободен доступ. Часть материалов находится наготове погруженными в вагоны.

Заблаговременно назначают руководителей и работников, ответственных

67

за своевременное и полное проведение мероприятий, необходимых для обеспечения целости и устойчивости пути, сооружений и устройств на каждом неблагополучном участке или объекте, как при подготовке, так и в процессе пропуска вод; устанавливается телефонная связь; организуют противоразмывочные поезда, загруженные камнем, досками, бревнами и другими противоразмывными материалами. На реках и других водоемах подготавливают обыкновенные и моторные лодки.

Ливневые паводки опасны не только подъемом воды в водотоках и водоотводных устройствах. Они отличаются внезапностью, большой скоростью течения, обилием наносов, угрозой затора у сооружения и закрытия отверстий малых сооружений. Поэтому перед входными оголовками труб и перед отверстиями малых мостов вставят ограждения в виде ряда столбиков. У опасных мест заранее оборудуют осветительные средства для наблюдения за объектами и освещения работ в темное время.

Бригадиры пути, дорожные и мостовые мастера лично наблюдают за проходом воды и принимают необходимые меры.

Когда вода в кювете угрожает подняться выше бровки земляного полотна, для защиты балластного слоя от размыва по обочине земляного полотна укладывают стенку из мешков и кулей, наполненных песком. Нижний слой мешков располагают поперек обочины, следующий вдоль и т.д. (Рис. 7.6,а).

Для обеспечения необходимой плотности стенки из кулей или мешков их заполняют только на 2/3 объема. Одновременно принимают меры к понижению уровня воды в кюветах прочисткой их ниже по течению от снега и других препятствий.

При переполнении одного из кюветов и при нормальной работе другого с низовой стороны опасного участка укладывают в шпальных ящиках деревянные лотки (рис. 7.6, б) для пропуска воды в другой кювет. Лотки устраивают из теса или досок. Балластную призму у входа в лоток укрепляют мешками с песком. За стенки лотков забивают глину, чтобы не допустить проход воды за ними.

Подготовительные работы по водоборьбе начинают еще при переходе от осеннего периода к зимнему: закрывают лотки, отверстия труб и малых мостов, устанавливают вешки по оси канав и т. д.

Намеченные мероприятия по пропуску весенних вод проводят во второй половине зимы. При первых признаках таяния снега вскрывают нагорные и другие водоотводные канавы и кюветы, начиная с низовой стороны, руководствуясь с установленными по их оси вешками, открывают и очищают от снега и льда отверстия небольших мостов и труб и расчищают их русла, открывают отверстия труб под переездами, окалывают лед у опор и конусов мостов, очищают от снега балластный слой и откосы больных мест земляного полотна, развозят к назначенным местам необходимые для водоборьбы материалы. Наиболее ответственные канавы, которые с ранней весны работают полным сечением, расчищают от снега на все сечение, в остальных прорывают только траншею.

Для вскрытия кюветов и уборки снега с обочин земляного полотна

68

используют путевой струг, значительно ускоряющий и удешевляющий работу.

а – укладка мешков с песком; б – перепуск воды на другую сторону пути; 1 – мешки, заполненные песком; 2 – шпалы; 3 – балласт; 4 – деревянный

лоток

Рисунок 7.6 - Защита балластного слоя от размыва

На теневых местах и глубоких выемках, а также при большом скоплении снега на откосах выемок устраивают в снегу наклонные траншеи для ускорения стока талой воды, которая может переувлажнить грунты в откосах. В местах, где за снежными валами у щитов с нагорной стороны может скопиться вода, делают прорезы в снеговых валах для выпуска воды в нагорные канавы или устраивают отвод воды вдоль валов.

Особо обращается внимание на пропуск паводковых вод через искусственные сооружения, ибо здесь могут возникнуть опасности повреждения опор моста движущимся льдом образования заторов и размыва русла реки.

Во избежание повреждения моста от ледохода обычно еще до его начала вокруг опор скалывают лед на ширину не менее 0,5 м. В необходимых случаях перед опорами и ледорезами делают вверх по течению прорези во льду шириной не менее 0,5 м и длиной 25 м. Околотую полосу льда для предохранения от замерзания закрывают хворостом и сверху засыпают снегом.

На больших реках со значительным ледоходом и при большом количестве опор перед мостом и ниже него устраивают большие проруби (майны) для пропуска льда в начале ледохода. Майны делают за 10-15 сут до вскрытия реки.

Снаступлением периода ледохода на мостах непрерывно дежурят рабочие

сбаграми и пешнями для устранения заторов и недопущения задержки плывущих льдин у моста. В необходимых случаях на мостах дежурят взрывники, имеющие готовые для взрыва льда заряды взрывчатых веществ.

69

Для своевременного предупреждения размыва русла реки у моста и подмыва мостовых опор на всех мостах отверстием более 50 м, а также на мостах с меньшим отверстием, но при значительных скоростях течения воды, больших паводках и угрозе подмыва опор устанавливают наблюдения за водным потоком.

Наблюдение за горизонтом воды ведут по водомерным рейкам, располагаемым с верховой стороны мостов и труб в удобных для этого местах. Размыв дна реки и подмыв опор обнаруживают промерами глубины по специальным створам. Расстояния между точками промеров в каждом створе берут такими, чтобы можно было ясно представить очертания дна реки. Результаты промеров оформляют в виде графиков с нанесением отметок горизонтов воды, низа ферм, подошвы рельсов, заложения фундаментов опор, русла. На графике наносят результаты предыдущих промеров, что дает возможность судить обо всех изменениях, происходящих в русле реки у мостовых опор.

Малые водопропускные сооружения. К малым водопропускным сооружениям относятся трубы, мосты длиной до 25 м, лотки, дюкеры, акведуки и фильтрующие насыпи. Эти сооружения размещаются на пересечениях железной дороги с постоянно или периодически действующими водотоками.

Водопропускные трубы по форме сечения подразделяются на круглые и прямоугольные. На существующих дорогах имеется некоторое количество овоидальных труб. Применяют следующие типы труб: круглые железобетонные диаметром от 1 до 2 м, круглые из гофрированного металла, прямоугольные железобетонные отверстия от 1 до 4 м и бетонные от 1,5 до 6 м.

Малые мосты в зависимости от формы подмостового сечения подразделяются на два типа: с прямоугольным сечением и с трапецеидальным. При строительстве новых железных дорог наиболее часто применяют сборные свайно- и стоечно-эстокадные железобетонные мосты.

Лотки закрытые и открытые, прямоугольного сечения отверстием 0,50-0,75 м, преимущественно из железобетона, устраивают между шпалами для пропуска небольшого количества воды при высоте насыпи менее 1 м, недостаточной для укладки труб.

Дюкеры пропускают небольшое количество воды при зарегулированном стоке (преимущественно на мелиоративной сети) под низкими насыпями или мелкими выемками. При пересечении водотока дорогой в достаточно глубокой выемке может быть устроен акведуксвоеобразный мост над дорогой, по пролетному строению которого протекает вода.

Фильтрующие насыпи, имеющие в своем теле прослойку из крупных камней, разрешается сооружать в исключительных случаях на линиях III и IV категории при малом количестве притекающей воды (10 м3 /с) и незначительном числе взвешенных частиц грунта в ней. При большем количестве воды строят комбинированные сооружения, состоящие из трубы и фильтрующей насыпи.

Размещение водопропускных сооружении. Каждый водоток, как правило, должен быть пропущен через отдельное сооружение. При

70