ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ДОРОЖНОЕ АГЕНТСТВО

РОСАВТОДОР

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКИМ РАСЧЕТАМ СПИРАЛЬНОВИТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ ТРУБ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ДОРОЖНОЕ АГЕНТСТВО (РОСАВТОДОР)

МОСКВА 2020

Предисловие

1. РАЗРАБОТАН: Обществом с ограниченной ответственностью «Мегатех инжиниринг» совместно с Обществом с ограниченной ответственностью «ДорГеоТех» в соответствии с государственным контрактом от 18.02.2019 № ФДА 47/12

2.    ВНЕСЕН:    Управлением    научно-технических    исследований и

информационного обеспечения Федеральною дорожного агентства

3.    ИЗДАН распоряжением Федерального дорожного агентства от «11» сентября 2020 г. № 2849-р

4.    ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР

5.    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

О Издательство ФГУП «Информавтодор», 2020 г.

и

0.1

0.5 Ла

рису но к 3 - График для определения критической глубины потока 6.2.6. Подпор перед гидравлически «короткой» трубой определяется по формуле (7):

где //I - коэффициент расхода при совершенном сжатии потока на входе, ///=0,33;

Ь_к - средняя ширина потока в сечении с критической глубиной определяется по графику на рисунке 4.

0.1    0.2    0.3    0.1»    0.5    0.6    0.7    0.8 Рисунок 4 - График для определения средней ширины потока в сечении с критической глубиной в СВМГТ Значение коэффициента расхода, указанное выше, приведено для уклона трубы /т = 0,01. При уклоне, отличном от 0,01, для более точного расчета значение m следует увеличивать при #'т >0,01 или уменьшать при /> <0,01 на 2% на каждую 0,01 уклона. 6.2.7.    Подпор перед гидравлически «длинной» трубой в безнапорном режиме определяется по формуле (8):

^ = ^ + о.оо5 (£-20)(^)²,    (8)

где /Укор - подпертая глубина перед аналогичной гидравлически «короткой» трубой, м.

6.2.8.    Выполняются следующие проверки уровня подпора:

а) возвышение бровки земляного полотна по продольному профилю трассы в границах бассейна водосбора: не менее чем на 0,5 м;

ОДМ 218.2.110-2020

б)    отсутствие перелива воды в соседний бассейн - проверяется по поперечному профилю земляного полотна автодороги в местах водоразделов;

в)    при наличии вблизи груб инженерных сооружений, зданий и сельскохозяйственных угодий необходимо проверить их безопасность от подтопления вследствие подпора воды перед сооружением, при этом целесообразно проверить влияние повышенного уровня грунтовых вод;

г)    при наличии в непосредственной близости автомобильной или железной дороги с водопропускным сооружением, расположенном на том же водотоке, проверить взаимное влияние уровней подпертых вод на режим работы соседнего сооружения. Расчет взаимного влияния труб, расположенных каскадом, приведен в главе 9.

В случае невыполнения проверок производится увеличение отверстия трубы, и расчет повторяется.

6.2.9. Определяется глубина воды на выходе из трубы по формуле (9) либо по графику (рисунок 5):

(Ю):

^УВЫХ ⁼ ~    »    (Ю)

^швых

где Q - расчетный расход, м³/с;

со_Вых ~ площадь живого сечения потока на выходе из трубы, м².

6.2.11. Пропускную способность гофрированных многоочковых труб при условии их раздвижки на величину не менее 0,251) определяют как сумму отдельно работающих одноочковых труб. Расчет .многоочковых труб аналогичен

расчету одноочковых, при этом расход каждой трубы принимают Q = где N_T -

"т

число труб.

Рисунок 5 - График для определения глубины потока на выходе из трубы

7 Гидравлические расчеты косогорнмх труб

К косогорным относятся трубы, устраиваемые при пересечении дорогами логов и водотоков со средним уклоном на участке трубы, от 0,02 и более. Укладку' металлических гофрированных труб рекомендуется производить с уклонами не более 0,03. Для обоснования индивидуальных проектных решений по увеличению уклона СВМГТ свыше 0,03 до 0,05 необходимо выполнять технико-

ОДМ 218.2.110-2020 экономические расчеты. Уклон полотку СВМГТ не должен превышать 0,05 [1].

На косогорах СВМГТ надлежит укладывать на естественное основание с уклоном, близким уклону лога, либо на отсыпке земляного полотна из скального грунта, устойчивого против выветривания в теле насыпи, с расположением выхода из трубы выше дна лога с устройством бермы из скального грунта.

Исходя из этого, возможны несколько вариантов проектирования косогорных труб:

1)    трубы уложены на местности с уклоном более 0,02 до 0,03, на входе в которые поток находится в спокойном состоянии. Это возможно либо при отсутствии подводящих быстротоков, либо при наличии за быстротоком перед трубой водоприемного колодца. Для такого типа косогорных труб пропускная способность определяется как для равнинных (глава 6);

2)    при больших уклонах лога трубы укладывают на подсыпке со сбросом потока на укрепленные откосы насыпи или на отсыпку из камня, расположенную в низовой части насыпи. Пропускная способность определяется как для равнинных (глава 6). Отличие заключается в расчетах нижнего бьефа (раздел 8.6).

8 Гидравлические расчеты нижнего бьефа

8.1.    Классификация выходных русел и принципы их расчета

8.1.1.    Под расчетами нижнего бьефа дорожных водопропускных сооружений понимают расчет комплекса устройств, находящихся за выходными оголовками труб. Эти устройства будут в дальнейшем определены как выходные русла в отличие от естественного выходного лога. Выходные русла включают укрепления с концевыми частями, гасители и каменную наброску [4].

8.1.2.    При расчете нижних бьефов могут встретиться два основных случая: выходное русло размываемое, т.е. сопряжение его с бытовым логом

происходит с образованием воронки размыва в конце сравнительно короткого укрепления;

выходное русло неразмываемое на всем протяжении потока до створа с бытовыми характеристиками. В этом случае за выходным сечением сооружения устраивают укрепленный канал.

ОДМ 218.2.110-2020

Наиболее распространенным в практике проектирования является размываемое выходное русло.

8.1.3. Выходные русла, которые используются или могут быть использованы в малых дорожных водопропускных сооружениях, по характеру связи между элементами делят на две основные группы:

с укреплениями из связанных между собой элементов; с укреплениями из не связанных между собой элементов.

В свою очередь по возможности деформаций под воздействием потока выходные русла первой группы подразделяются на следующие: выходные русла с жесткими (недеформируемыми) укреплениями; выходные русла с гибкими (деформ ируем ы м и) укреплениям и.

В качестве примеров выходных русел из связанных между собой элементов с жесткими недеформируемыми укреплениями можно привести выходные русла из монолитного бетона, омоноличенных бетонных или железобетонных плит, блоков и мощения. Примером выходных русел той же группы, но с гибкими деформируемыми укреплениями, могут служить габионные конструкции.

Выходные русла из не связанных между собой элементов в основном имеют укрепления из каменной наброски, состоящей как из однородных, так и неоднородных элементов. Можно также использовать и специально изготовленные не связанные между собой элементы из достаточно прочных морозостойких материалов. Сюда же относятся выходные русла без укреплений.

Тип 1 Тип 1к

1 - укрепление; 2 - предохранительный откос; 3 - вертикальная стенка; 4 - ребро в конце укрепления; 5 - каменная наброска Рисунок 6 - Типы выходных русел

8.1.4.    Для расчета все выходные русла, приведенные в классификации, должны быть отнесены к определенному типу, позволяющему конкретизировать расчетную схему, устанавливать гидравлические характеристики (глубины и скорости) и определить возможность деформаций укрепления и глубину размыва за ним.

8.1.5.    Для защиты нижних бьефов от размыва при применении выходных русел из связанных между собой элементов с жесткими укреплениями рекомендуется использовать следующие 3 основных типа выходных русел (рисунок 6). Они в основном и используются в практике дорожного строительства [4, 5].

ОДМ 218.2.110-2020

8.1.6. Для расчета выходных русел с укреплениями, состоящими из не связанных между собой элементов, рекомендуются три типа выходных русел (рисунок 7) [4,6].

а!    6)    0)

а - тип I; б - тип II; в - тип III; I - укрепление из наброски; 2 - щебеночная подготовка; 3 -обратная засыпка грунта; 4 - рисберма; б - толщина наброски; hyx - глубина заложения укрепления; Ирисб - высота рисбермы; Bi, В: и Вч* - ширина соответственно в начале, в конце и у концевой части укрепления; L - длина укрепления до концевой части

Рисунок 7 - Типы выходных русел из каменной наброски Последовательность применения выходных русел, представленных на рисунке 7, также соответствует нумерации I, II и III. При этом тип I используют, если глубина размыва не превышает толщины укрепления (толщины слоя наброски). В противном случае уменьшают глубину размыва размещением за укреплением каменной наброски из более мелкого материала, чем камень укрепления, т. е. применяют тип II. При этом вновь добиваются условия, чтобы глубина размыва не превышала толщины укрепления. Если и в этом случае указанное условие не выдержано, то применяют тип III выходных русел.

Обычно эта группа выходных русел используется при скоростях течения на выходе из труб i;_Bblx » 3,0    4,0    м/с.

8.1.7. Исходными данными для расчетов нижних бьефов СВМГТ являются:

ОДМ 218.2.110-2020

а)    характеристики водопропускного сооружения (отверстие, тип выходного оголовка, уклон лотка);

б)    расходы в сооружении;

в)    гидравлические характеристики на выходе из сооружений (глубины и скорости потока);

г)    характеристика бытового лога - форма сечения, уклон, грунты (связные или несвязные); для связных приводится величина сцепления, для несвязных - гранулометрический состав; пробы грунтов должны обеспечить получение указанных выше грунтовых характеристик по всей глубине, но не менее 2 м;

д)    наличие нижерасположенных сооружений на соседних дорогах или на других объектах, влияющих на гидравлическую работу рассчитываемых сооружений;

е)    другие данные, оказывающие влияние на гидравлический расчет сооружений.

8.1.8. Расчеты нижних бьефов водопропускных спиральновитых металлических гофрированных труб для принятого типа выходных русел включают следующее:

а)    определение гидравлических характеристик потока в выходных руслах и за ними - глубин, скоростей и характера растекания потока на укреплении;

б)    оценку’ устойчивости укреплений и величину их деформаций (для выходных русел из несвязанных между собой элементов);

в)    определение глубин размыва за укреплениями;

г)    определение размеров укреплений и глубин заложения их концевых частей.

8.2. Определение гидравлических характеристик потока на укреплении

8.2.1. При уклонах лога /., < 0,02 гидравлические характеристики потока на

укреплении определяют по следующим зависимостям.

ОДМ 218.2.110-2020 Принимают максимальную скорость на укреплении по формуле (11):

Vmax * 1.2 ' !>,ьк-    (И)

Средние глубины потока в конце укрепления длиной L = (2 + 6)£)_э вычисляют по формуле (12)

^укр(к) ⁼ 0,2П^О_Э,    (12)

где D₃ = ХДЗ^еДсоор - эквивалентный диаметр (эквивалентное отверстие), м, представляющий собой диаметр круга, равновеликого по площади поперечному сечению сооружения Щсоор» для многоочковых труб эквивалентный диаметр определяют по суммарной площади очков,

tocoop ^_ площадь поперечного сечения сооружения, м².

Ширину растекания потока на укреплении в створе, расположенном на расстоянии х от конца оголовка (при безоголовочном исполнении от конца трубы), находят по зависимости (13):

Bpacr = 0p[(£+l)^Z-l]+V    (13)

Ь_р - ширина оголовка в конце, м.

г - показатель степени, определяется по формуле (14):

о,2-

z = 1,8 lg

К - коэффициент формы воронки размыва, определяемый по графику

8;

Дh_max ~ максимальная глубина размыва на данное время (п. 8.3.5), м; Q_k = 0,5iygD|^/2 - эталонный расход, mVc.

1    Область применения...........................................................................................1

2    Нормативные ссылки..........................................................................................1

3    Термины, определения.......................................................................................1

4    Общие положения...............................................................................................2

5    Классификация водопропускных труб на автомобильных дорогах общего

пользования..........................................................................................................3

6    Гидравлические расчеты равнинных труб.......................................................3

6.1.    Исходные данные.......................................................................................3

6.2.    Порядок расчета..........................................................................................4

7    Г идравлические расчеты косогорных труб....................................................11

8    Гидравлические расчеты нижнего бьефа........................................................12

8.1.    Классификация выходных русел и принципы их расчета...................12

8.2.    Определение гидравлических характеристик потока на укреплении. 16

8.3.    Расчеты размыва.......................................................................................22

8.4.    Назначение основных    размеров выходных русел.................................31

8.5.    Особенности гидравлического расчета    выходных русел с

укреплениями из каменной наброски..............................................................33

8.6.    Выходные русла гофрированных труб, расположенных на подсыпке42

9    Гидравлические расчеты труб, расположенных каскадом...........................52

11риложение А 11ример назначения отверстия и определения пропускной способности спиральновитых металлических гофрированных труб..........54

Приложение Б Пример расчета выходного русла с укреплениями из связанных между собой элементов (бетонных).............................................57

Приложение В Пример расчетов выходных русел с укреплениями из

каменной наброски............................................................................................61

Приложение Г Пример расчета нижнего бьефа гофрированных труб, расположенных на подсыпке...........................................................................65

Библиография........................................................................................................74

ж

z = 0,78 + 0,36 • lg^,    (15)

полученной из формулы (14) при К = 0,8 и kh_maxIIX - 2.

8.2.2. Гидравлические характеристики потока на укреплении при уклонах лога /_л > 0,02 определяют по приводимым ниже формулам лишь при коэффициенте шероховатости укрепления n_yKp = 0,013-Ю,016. В остальных случаях расчет следует проводить с помощью программных средств, основанных на математической модели протекания потока, приведенной в [4].

Принимают максимальную скорость на укреплении (16):

Vmax ^а Ц,ых    (16)

Скорости v на укреплении определяют из уравнения (17):

ОДМ 218.2.110-2020 ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ

Методические рекомендации но гидравлическим расчетам спнралыювнтых металлических гофрированных труб

1    Область применения.

Настоящий отраслевой дорожный методический документ распространяется на водопропускные трубы автомобильных дорог и содержит методику гидравлических расчетов водопропускных спиральновитых металлических гофрированных труб с размерами гофра 125 х 26 мм и 68 х 13 мм.

2    Нормативные ссылки

В настоящем методическом документе использованы нормативные ссылки на следующие документы:

ТР ТС 014/2011 Технический регламент Таможенного союза "Безопасность автомобильных дорог"

ГОСТ 32871-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Трубы дорожные водопропускные. Технические требования

ГОСТ Р 58654-2019 Дороги автомобильные общего пользования. Трубы металлические гофрированные спиральновитые. Технические условия

СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*

СП 34.13330.2012 Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*

СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция. СНиП 2.05.03-84*

СП 100.13330.2016 Мелиоративные системы и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.03-85

3 Термины, определения

В настоящем ОДМ применены следующие термины с соответствующими определениями:

ОДМ 218.2.110-2020

3.1    гидравлические расчеты: комплекс расчетных действий с целью определения основных конструктивных и геометрических характеристик водопропускного сооружения.

3.2    отверстие трубы: диаметр по внутренней поверхности трубы.

3.3    гидрологические характеристики: кличсствснные оценки элементов гидрологического режима.

3.4    расчетный расход: расход воды заданной вероятности превышения, принимаемый в качестве исходного значения для определения параметров проектируемого сооружения.

3.5    пропускная способность: способность трубы пропустить расчетный расход.

3.6    подпор: местное повышение уровня воды в реке вследствие стеснения потока водопропускным сооружением, изменяющего естественные условия протекания.

3.7    безнапорный режим: движение потока жидкости со свободной поверхностью; определяется постоянным давлением на свободную поверхность, обычно равным атмосферному.

3.8    коэффициент шероховатости: величина, численно характеризующая сопротивление, оказываемое поверхностью трубы протекающему потоку, интегральная характеристика гидравлических сопротивлений.

3.9    критическая глубина: глубина потока, при которой удельная энергия сечения для заданного расхода достигает минимального значения.

3.10    нижний бьеф: бьеф с низовой стороны водоподпорного сооружения, (бьеф - часть водотока, примыкающая к водоподпорному сооружению).

4 Общие положения 4.1 Настоящий ОДМ рекомендуется применять при проектировании нового строительства, реконструкции и ремонта водопропускных спиральновитых металлических гофрированных труб на автомобильных дорогах общего

пользования.

ОДМ 218.2.110-2020

4.2    В результате гидравлических расчетов водопропускных спиральновитых металлических гофрированных труб должны быть назначены основные размеры сооружения, обеспечивающие пропуск воды, надёжность конструкции трубы, оголовков, русел и насыпи, реализация которого обеспечивает выполнение требований ГОСТ 32871, ГОСТ Р 58654, ТР ТС 014/2011, СП 35.13330.2011, СП 34.13330.2012, а также требования [ 1 ], [2].

4.3    Для водопропускных спиральновитых металлических гофрированных труб следует предусматривать безнапорный режим работы.

5 Классификация водопропускных труб на автомобильных дорогах общею пользования

Водопропускные трубы являются наиболее распространенным типом малых водопропускных сооружений. Ниже представлена классификация водопропускных спиральновитых металлических гофрированных труб [3].

По условиям гидравлической работы: равнинные трубы; косогорные трубы.

По характеру шероховатости внутренней поверхности: с гладким лотком; гофрированные, без лотка.

По влиянию длины трубы на пропускную способность:

«короткие» в гидравлическом отношении;

«длинные» в гидравлическом отношении.

6 Гидравлические расчеты равнинных труб

6.1. Исходные данные

Для проведения гидравлических расчетов необходимы следующие исходные данные:

з

ОДМ 218.2.110-2020 объем стока для гидрографа с наибольшим расходом;

топографический план и поперечный профиль автодороги в месте

проектируемой водопропускной грубы;

информация о наличии существующих водопропускных сооружений

на рассматриваемом водотоке;

Расчетный расход принимается с вероятностью превышения по СП

35.13330.2011:

для автомобильных дорог I категории - 1%;

для автомобильных дорог II, III, Ш-п, Ш-с категорий и городских дорог - 2 %;

для автомобильных дорог IV, IV-п, V категорий и внутренних хозяйственных дорог - 3 %;

В районах с развитой сетью автомобильных дорог для труб при технико-экономическом обосновании вероятность превышения допускается принимать 2 вместо 1 %, 3 вместо 2 %, 5 вместо 3 %, а для труб на дорогах Н-с и Ш-с категорий - 10 %.

Возвышение высшей точки внутренней поверхности трубы в любом поперечном сечении нат поверхностью воды в трубе при максимальном расходе расчетного паводка и безнапорном режиме работы должно быть в свету, согласно СП 35.13330.2011 в круглых трубах высотой до 3,0 м - не менее 1/4 высоты трубы, свыше 3,0 м - не менее 0,75 м.

При определении глубины размыва и размеров укреплений расчетные расходы (для учета флуктуации исходных данных) увеличиваются на 30%.

6.2. Порядок расчета

6.2.1. Минимальный диаметр трубы D, м, определяется по следующей формуле (1) [4):

ОДМ 218.2.110-2020 Q_p - расчетный расход принятой вероятности превышения, м³/с;

Пд - параметр расхода, принимаемый по таблице 1;

Параметр расхода принимается по таблице 1 для соотношения 0,75 (условие безнапорного режима работы) в зависимости от принятого типа оголовка.

Таблица 1 - Значение параметра расхода труб

Формула параметра расхода По Заполнение входного сечения Лвх D Значение параметра расхода труб при типах входных оголовков Без оголовка (вертикальный срез) Без оголовка (срез параллельно откосу) Портазьный с конусами Q 0,75 0,275 0,355 0,275 D2VgD 1,0 0,415 - 0,440

Вычисленный по формуле (1) диаметр D округляется в большую сторону до 0,1 и принимается с учетом требований СП 35.13330.2011 о минимальном отверстии трубы.

ОДМ 218.2.110-2020

6.2.2. В зависимости от принятого диаметра уточняется параметр расхода по

формуле (2):

П —    ^

^IIq~dVId-

1 - без оголовка с вертикальным срезом; 2 - без оголовка со срезом параллельно откосу насыпи Рисунок 2 - Г рафик для определения глубины потока на входе в трубу 6.2.4. Определяется тип трубы в гидравлическом отношении:

Для определения типа трубы в гидравлическом отношении необходимо определить критический уклон по формуле (3):

где Q_P - расчетный расход, м Vc;

со* - площадь живого сечения потока (м²) при критической глубине h_Ki

м;

/>_к - средняя ширина потока при критической глубине /?_к, Ь_к = со_к /h_K ,определяегся по 1рафику (рисунок 4), м;

R_K - гидравлический радиус сечения потока при критической глубине

Лк, м;

X - ускорение свободного падения, м/с²; а коэффициент Кориолиса, принимаемый равным 1,1;

/_к - смоченный периметр сечения потока при критической глубине /?_к,

м;

С_к - коэффициент Шези, определяемый по формуле Павловского (4): C_K = ±R^yK,    (4)

где

у = 2.5Vn - 0.13 - 0.75V^(Vn - O.l),    (5)

где п - коэффициент шероховатости, принимаемый по таблице 2. Таблица 2 - коэффициенты шероховатости СВМГТ

Размер гофра СВМГТ, мм 125x26 68x13 Другие Коэффициент шероховатости (п) 0,0254 0,0203 0,030

При наличии гладкого лотка п определяется по формуле (6):

n = I*”-"”**»¹.    (6)

\ Хлот^Х

где у™™, X - части смоченного периметра сечения трубы, занимаемые лотковой частью и гофром соответственно, м;

п.ют, п - коэффициенты шероховатости материала лотка (п_:ют 0,015) и трубы соответственно (таблица 2).

Критическая глубина потока определяется по графику на рисунке 3.

6.2.5. В зависимости от влияния длины трубы на пропускную способность различают «короткие» и «длинные» трубы. У «коротких» труб сжатое сечение не затоплено /;_с < //к, и общая длина их не оказывает влияния на пропускную способность. В «длинных» трубах сжатое сечение затоплено Л_с > Л_к, и на протяжении всей длины трубы сохраняется спокойный поток, вследствие чего сопротивления по длине трубы влияют на пропускную способность:

-    при /> > i_Kpt а также, с некоторым приближением, при /У < /*р в случае, если /г D < 20 труба считается гидравлически «короткой»;

-    при /У < /кр в случае, если /т D > 20 труба считается гидравлически «длинной».