РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ДОРОЖНЫХ ДАМБ С ВОДНО-ПЕРЕПУСКНЫМИ ТРУБАМИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Результаты моделирования работы дорожных дамб с водно-перепускными трубами

Кущев Иван Евгеньевич

д.т.н., профессор кафедры ПГС Рязанского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет» dashkanikit_89@mail.ru

Морозова Дарья Сергеевна

магистрант кафедры ПГС Рязанского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет» morozova-ds@list.ru

Статья посвящена лабораторному изучению регулируемого пропуска воды через водно-пропускные трубы автомобильных дамб, которые предназначены для накопления весенних вод с последующим использованием для нужд сельскохозяйственных предприятий в годы с недостаточным выпадением атмосферных осадков. Соответственно, в годы с повышенным выпадением атмосферных осадков, производится сброс излишков воды. Основной особенностью проведенного исследования явилось то, что перепуск воды по моделям гофрированных труб, а именно к таким трубам относятся пластилиновые слепки, получаемые с оттисков болтов, носит на малых диаметрах нелинейный характер, что может происходить и на реальных перепускных трубах.

Ключевые слова: водно-пропускные трубы, гидравлические затворы, автомобильные дамбы, моделирование расхода воды, количество сбрасываемой воды.

Дорожное хозяйство Российской Федерации в настоящее время является наиболее развиваемым сегментом транспортной системы страны. При этом в силу своей разветв-лённости, оно призвано содействовать решению общегосударственных и региональных социально-экономических проблем [1, 2, 3]. Поэтому для решения экономического развития, Россия пришла к созданию комплексных целевых государственных дорожных программ. Исходя из этого, одним из приоритетных направлений государственной дорожной политики является строительство новых и реконструкция существующих искусственных сооружений (ИССО). Они имеют многоцелевое хозяйственное значение и являются на строящихся и эксплуатируемых автомобильных дорогах одними из наиболее важными и сложными дорожными сооружениями.

Одним из таких сооружений, наиболее часто встречающихся на автомобильных дорогах при пересечении ими водотоков с малыми расходами от 5 до 90 м3/с, являются дамбы. Для их сооружения обычно используют водопропускные трубы больших диаметров. Их количество доходит до 25 % от общего количества всех искусственных сооружений [1, 2, 3].

350

/о

500, Н о * гЛ / /500 1ют

1 \

ГмУГ^УЬ ш д.

щ ? 350

600 3_

со см о см

О Ш

т

X

<

т О X X

а- на гравийно-песчаной подушке; б - на фундаменте из монолитного бетона; в - на бетонном ложементе; 1 - свод; 2 - лотковая часть;3 - подушка;4 - фундамент; 5 - щебёночная подготовка; 6 - водно-перепускная труба; 7 - бетонный ложемент. Рисунок 1- Поперечные сечения для масштабных моделей средних частей трёх очковых водных перепусков в дамбах

Для проведения лабораторных исследований были на основе данных [1, 3] была взята трёх очковая конструкция металлических труб, установленных на бетонном ложементе (рис. 1).

Учитывая то, что конструкцию лабораторной установки приходилось во время исследований наклонять, для обеспечения постоянного напора над приёмной частью водно-перепускных труб, тело дамбы было выполнено из гипса, в которое были помещены пластиковые трубы со сменными пробками-заглушками из пластилина с калиброванными отверстиями под болты М 8*50, М10*50 и М12*50, т.е. напорный слив воды на экспериментальной установке осуществлялся на одинаковой длине. Далее вода стекала гладким пластиковым трубам в свободном режиме, и аналогично, по гофрированным шлангам в ёмкости канального учёта слива воды.

Методика проведения исследований, как для гофрированных труб, приведена на рис. 2, 3, 4 и 5, суть которой сводилась к установке в качестве заглушек болтов [4], после удаления которых в головной части сливной трубы оставались «гофры» от болтовой резьбы.

принудительно опускался в горизонтальное положение (рис. 5). В результате чего слив воды из накопительной ёмкости 5 прекращался, и в течение 10^15 с давалось время для стекания воды из сливных гофрированных патрубков 15 в ёмкости канального учёта слива воды 14.

Рисунок 4 - Лабораторная установка с максимальным подъёмом с водой (подпорные пружины тах отпущены водой из накопительной ёмкости обозначения на схеме те же, что и на рис. 2).

1 - опорная поверхность; 2 - стаканы пружин; 3 - подпорные пружины; 4 - поворотный корпус; 5 - вода в накопительной ёмкости; 6 - заглушка на сливной трубе; 7 - болт калиброванного отверстия; 8 - шайба; 9 - пробка-заглушка сливной трубы; 10 -гипсовая плотина; 11 -сливная труба; 12 - опора; 13 - поворотная ось; 14 - ёмкость канального учёта слива воды; 15 - сливной гофрированный патрубок.

Рисунок 2 - Лабораторная установка при максимально залитом уровне воды (подпорные пружины тах сжаты водой из накопительной ёмкости).

Болты для начала испытаний вывинчиваются для задания режима перепуска воды в пластилиновые пробки, создавая эффект гофрированных труб и синхронно вынимаются, давая воде возможность вытекать под напором h (рис. 3).

Рисунок 5 - Лабораторная установка принудительно опущена после достижения заданного объёма слива (подпорные пружины тахпринудительно сжаты, слива воды нет, обозначения на схеме те же, что и на рис. 2).

В выполненных исследованиях на первом этапе, в качестве контрольной точки выбиралась не постоянная контрольная точка слива, а примерная контрольная точка слива с точным определением суммарного количества воды, слитой через калиброванные отверстия в приёмные ёмкости [5,7]. Проведение опытов проводилось в ручном режиме начала (рис. 6) и окончания (рис. 7) слива.

Рисунок 3 - Лабораторная установка при промежуточном уровне заливки воды (подпорные пружины в промежуточном сжатии водой, находящейся в накопительной ёмкости, обозначения на схеме те же, что и на рис. 2).

При достижении заданного уровня слива воды из накопительной ёмкости 5 (рис. 4), поворотный корпус 4

1 - поворотный корпус; 2 - опорная поверхность; 3 - стаканы пружин; 4 - вода в накопительной ёмкости; 5 - болты для калибровочных сливных отверстий (сняты); 6 - модель глиняной дамбы; 7 - калибровочные отверстия для слива воды; 8 - водопропускные трубы; 9 - сливные трубы; 10 - горловины сливных ёмкостей; 11 - подставленные ёмкости для сливаемой воды. Рисунок 6 - Аксонометрия лабораторной установки перед проведением опыта (сливные ёмкости не заполнены водой).

I I

О

ГО

>

Л1

I

го т

о

м о м со

«о см о см

0 ш т

1

<

т

0

1 I

Рисунок 7 - Аксонометрия лабораторной установки после проведения опыта (сливные ёмкости заполнены водой, обозначения те же, что и на рис. 6).

Промежуточные положения, при подъёме задней стенки [6], задавались, с соблюдением параметра h (за счёт поднятия пружиной), до достижения водой уровня нижнего ребра задней стенки, потом поворотный корпус 1 резко опускался, а так как калибровочные отверстия для слива воды 6 в трубах 7 находились выше уровня воды, оставшейся в поворотном корпусе её слив прекращался. Далее подставленные ёмкости для сливаемой воды 10 отсоединялись от сливных труб 8 и через горловины сливных ёмкостей 9 переливались в мерные колбы, определяя таким образом, количество воды, прошедшее через калибровочные отверстия в каждой трубе.

Для проведения канальных экспериментов [8, 9, 10] с целью определения влияния перепускных отверстий диаметром 6 мм в свету и их количества на скорость пропуска воды через переливные трубы была составлена матрица, представленная в табл.1.

Таблица 1.

Матрица канальных экспериментов для определения влия-

№ п/п Канал 1 Канал 2 Канал 3 Y (время)

1 + - - 65

2 + + - 50

3 + + + 35

4 - + - 72

5 - + + 44

6 - - + 71

7 + - + 47

канал 2 канала 3 канала С?, каналов

Рисунок 8- Результаты неравномерности слива воды на каналы 0 6 мм в свету.

Влияние каналов диаметром 12 мм (9,5 мм в свету) и количества перепускных отверстий на скорость пропуска воды через переливные трубы, также задалось с помощью матрицы, представленная в табл. 2.

Таблица 2.

Матрица канальных экспериментов для определения влияния перепускных отверстий диаметром 9,5 мм в свету по

№ п/п Канал 1 Канал 2 Канал 3 Y (время)

1 + - - 40

2 + + - 32

3 + + + 25

4 - + - 38

5 - + + 30

6 - - + 39

7 + - + 34

В этой серии опытов определялась так же не только временная характеристика сливаемой воды, но и количественная, которая приведена в табл. 3.

Таблица 3.

Матрица канальных экспериментов для определения влияния перепускных отверстий диаметром 12 мм (9,5 мм в свету) по количеству воды

По результатам экспериментов 1, 4 и 6 одинарного слива воды через каналы 0 6 мм в свету получена достаточно высокая равномерность. При среднем значении времени слива 69 с, максимальное отклонение составило 4 с, что составляет 6 %.

Основным выводом, полученным из экспериментов 1+2, 2+3 и 1+3двойных сливов воды через каналы 0 6 мм в свету, явилась симметричная неравномерность. При среднем значении времени слива 39 с, максимальные отклонения составляют 3 с, что составляет 8 %. Кроме того, в полученных результатах время прохождения воды не сократилось на канал кратно их числу, что требует продолжения исследования в данном направлении для выяснения причины данного явления (рис. 8).

В результате тройного слива воды через каналы 1 +2+3 и 0 6 мм в свету неравномерность между каналами в данном эксперименте не определялась, однако эффект неравномерности слива на канал просматривается и в данном случае, что отражает график на рисунке 8.

№ п/п Канал 1 Канал 2 Канал 3 Y (время)

1 1650 - - 40

2 750 750 - 32

3 700 400 650 23

4 - 1450 - 38

5 - 600 850 30

6 - - 1500 39

7 750 - 800 34

Основным выводом, полученным из результатов данного экспериментов 1, 4, 6, явилась общая высокая равномерность по времени и неравномерность в некоторых случаях по количеству истекающей воды из каналов, видимо это было связано с увеличением диаметра канала в свету в 1,5 раза и возможному отклонению канала от оси. При среднем значении времени слива 39 с, максимальное отклонение составило 1 с, что составляет 3 %.

Результаты 2, 5 и 7 экспериментов по истечению воды при двойном сливе воды через каналы 0 12 мм (0 9,5 мм в свету) показали, как и в первой серии, что в данном случае получена симметричная неравномерность

по каналам, что, видимо, является следствием некоторого отклонения каналов от заданной оси. При среднем значении времени слива 32 с, максимальные отклонения составляют 2 с, что составляет 6 %. Кроме того, в полученных результатах время прохождения воды на канал не сократилось кратно их числу, так как и первой серии.

Результаты эксперимента слива через три канала второй серии 0 12 мм (0 9,5 мм в свету), представленные на рисунке 10, показали, что в них хорошо просматривается равномерность слива между каналами, хотя эффект изменения равномерности слива на канал просматривается незначительно в данном случае, что отражает график.

канал 2 канала 3 канала О, каналов

Рисунок 10- Результаты неравномерности слива воды на каналы 0 12 мм (0 9,5 мм в свету).

Последней серией опытов явилось проведения канальных экспериментов с целью определения влияния перепускных отверстий 0 16 мм (0 13 мм в свету) и их количества на скорость пропуска воды и её объёмы через переливные трубы, и также, как и во второй серии опытов, в третьей определялась количественная характеристика сливаемой воды, которая приведена в табл. 4.

Таблица 4

Матрица канальных экспериментов для определения влияния перепускных отверстий диаметром 13 мм в свету по ко-

личеств у воды

№ п/п Канал 1 Канал 2 Канал 3 Y (время)

1 1950 - - 28

2 1100 850 - 21

3 850 450 800 12

4 - 1900 - 28

5 - 1250 900 19

6 - - 1800 26

7 900 - 1150 17

Результаты эксперимента трёх каналов по пропуску воды в третьей серии также показали неравномерность, но их общая картина вписалась в общую линейность пропуска воды (рис. 11).

Рисунок 11- Результаты неравномерности слива воды на каналы 0 16 мм (0 13 мм в свету).

Здесь, как и во второй серии просматривается эффект общей равномерности слива по режимам и не равномерности изменения слива на канал, что отражает график.

Итоговые комплексные результаты по исследованиям слива по перепускным трубам в лабораторных исследованиях на моделях приведены на рисунке 12.

По результатам 1, 4 и 6 экспериментов третьей серии для одинарного слива воды через каналы 0 16 мм (0 13 мм в свету) явилась очень высокая равномерность, связанная с увеличением диаметра канала в свету в 2,1 раза, при сохранении длины канала. При среднем значении времени слива 27 с, максимальное отклонение составило 1 с, что составляет 3 %.

Для слива по двойным каналам, как и в первых двух сериях, была получена симметричная неравномерность по каналам и неравномерность суммарного слива, что, видимо, является следствием выраженного отклонения каналов от горизонтали. При среднем значении времени слива 19 с, максимальные отклонения составляют 2 с, что равняется 11 %. Хотя, в полученных результатах время прохождения воды на канал сократилось кратно их числу.

^ Б, мм

Рисунок 12 - Комплексные результаты по исследованиям слива по водно-перепускным трубам на лабораторных моделях

Основной особенностью этих исследований явилось то, перепуск воды по моделям гофрированных труб, а именно к таким трубам относятся пластилиновые слепки, получаемые с оттисков болтов, носит на малых диаметрах нелинейный характер, что может происходить и на реальных перепускных трубах. При соблюдении пропорций по размеру гофр G = 2-21 * 1, 3*1, 6*2 (размеры указаны по международным каталогам продаж в дюймах) и высоте столба воды над водозаборной кромкой трубы 600-800 мм.

Основными выводами по проведённым исследованиям моделей гофрированных водно-перепускных труб является:

1 - определение нелинейности перепуска воды на малых диаметрах водно-перепускных труб (0 400-540) при соотношении диаметра гофрированной трубы к величине гофров D / G = 8,0;

2 - переход на линейный перепуск воды на средних диаметрах водно-перепускных труб (0 600-1200) при

I I

О

ГО

>

Л1

I

го гп

о

м о м со

fO CN О

cs

О Ш

m

X

<

m о x

X

соотношении диаметра гофрированной трубы к величине гофров D / G = 9,6-10,7;

3 - количество каналов незначительно сказывается на водно-перепускных трубах среднего диаметра (0 600-1200) и очень отрицательно на водно-перепускных трубах малого диаметра (0 400-540), когда их пропускная способность падает больше чем в 2 раза.

Литература

1. Просеков С.А. Применение водопропускных труб с использованием гофрированного металла при реконструкции мостов и водопропускных труб на автомобильных дорогах (на примере Новосибирской области) Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. Специальность 05.23.11. - Новосибирск, Сибирский госуниверситет путей сообщения

- 2010. - 140 с.

2. Алтунин В.И. Гидравлические расчёты водопропускных труб на автомобильных дорогах: учеб. пособие / В.И. Алтунин, Т.А. Суэтина, О.Н. Черных. - М.: МАДИ, 2016. - 92 с.

3. Бобриков В.Б. Технология строительства водопропускных сооружений (труб и мостов малых пролётов) на железных дорогах: учеб. пособие / В.Б. Бобриков, К.Н. Павлин. - М.: МИИТ, 1999. - 36 с.

4. Саксонова Е.С. Проектирование и строительство водопропускной трубы: учеб. пособие / Е.С. Саксонова.

- Пенза: ПГУАС, 2013. - 104 с.

5. Ерёмин В.Г. Проект водопропускной трубы под насыпью дороги: методические указания к выполнению курсового и дипломного проектирования по дисциплине «Проектирование мостов и труб» для студ., обуч. по направ. 08.03.01 «Строительство» / В.Г. Ерёмин, А.В. Андреев, В.П. Волокитин, В.А. Журавлёв. - Воронеж, 2015. - 31 с.

6. Шаров А.Ю. Расчет водопропускных сооружений с использованием электронного тахеометра TRC 1205, программ CAD_CREDO и ROAD. Методические указания для лабораторных работ для студентов очной и заочной форм обучения направления 653600 «Транспортное строительство» специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы» по дисциплине «Автоматизированное проектирование автомобильных дорог» /

A.Ю. Шаров, М.В. Савсюк. - Екатеринбург: ГОУ ВПО «Уральский государственные лесотехнический университет», 2010. - 16 с.

7. Логинова О.А. Методические указания к выполнению курсового проекта «Расчёты водопропускных сооружений» / О.А. Логинова. - Казань: КГАСУ, 2012. - 24 с.

8. Ушаков В.В. Строительство автомобильных дорог: учебник / коллектив авторов под ред. В.В. Ушакова и

B.М. Ольховикова. - М., 2013. - 576 с.

9. Крашенинин Е.Ю. Рекомендации по применению водопропускных труб из полимерных композиционных материалов. Отраслевой дорожный методический документ / Е.Ю. Крашенинин, В.С. Шиковский, И.В. Никитин, Т.С. Парфенова. - Москва: РОСАВТОДОР, 2021. - 124 с.

10. Аверченко Г.А. Строительство водопропускных труб методом продавливания готовых звеньев в насыпь / Г.А. Аверченко, А.Д. Павленко, Е.А. Зорина, Д.Н. Наборщи-кова. - С.-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2020. - 16 с.

Results of modeling the operation of road dams with water bypass pipes Kushchev I.E., Morozova D.S.

Ryazan Institute (branch) of Moscow Polytechnic University JEL classification: L61, L74, R53

The article is devoted to a laboratory study of the controlled passage of water through the water pipes of automobile dams, which are intended for the accumulation of spring water with subsequent use for the needs of agricultural enterprises in years with insufficient precipitation. Accordingly, in years with increased precipitation, excess water is discharged. The main feature of the study was that the water bypass along the models of corrugated pipes, namely, such pipes include plasticine casts obtained from bolt impressions, is non-linear at small diameters, which can also occur on real bypass pipes. Keywords: culverts, hydraulic seals, road dams, water flow simulation,

discharged water quantity. References

1. Prosekov S.A. The use of culverts using corrugated metal in the

reconstruction of bridges and culverts on highways (on the example of the Novosibirsk region) Diss. for the competition uch. step. Ph.D. Specialty 05.23.11. - Novosibirsk, Siberian State University of Communications - 2010. - 140 p.

2. Altunin V.I. Hydraulic calculations of culverts on auto-mobile roads:

textbook. allowance / V.I. Altunin, T.A. Suetina, O.N. Chernykh. - M.: MADI, 2016. - 92 p.

3. Bobrikov V.B. Construction technology of culverts (pipes and bridges of

small spans) on railways: textbook. allowance / V.B. Bob Rikov, K.N. Peacock. - M.: MIIT, 1999. - 36 p.

4. Saxonova E.S. Design and construction of a culvert pipe: textbook.

allowance / E.S. Saxon. - Penza: PGUAS, 2013. - 104 p.

5. Eremin V.G. The project of a culvert under an embankment of the road:

methodological instructions for the implementation of course and diploma design in the discipline "Design of bridges and pipes" for students, training. in the direction 08.03.01 "Construction" / V.G. Eremin, A.V. Andreev, V.P. Volokitin, V.A. Zhuravlev. - Voronezh, 2015. - 31 p.

6. Sharov A.Yu. Calculation of culverts using the TRC 1205 total station,

CAD_CREDO and ROAD programs. Guidelines for laboratory work for full-time and part-time students of direction 653600 "Transport construction" specialty 270205 "Motor roads and airfields" in the discipline "Automated design of roads" / A.Yu. Sharov, M.V. Savsyuk. -Ekaterinburg: GOU VPO "Ural State Forestry Engineering University", 2010. - 16 p.

7. Loginova O.A. Guidelines for the implementation of the course project

"Calculation of culverts" / O.A. Loginova. - Kazan: KGASU, 2012. - 24 p.

8. Ushakov V.V. Construction of highways: textbook / team of authors, ed.

V.V. Ushakov and V.M. Olkhovikov. - M., 2013. - 576 p.

9. Krasheninin E.Yu. Recommendations for the use of culverts made of

polymer composite materials. Industry road methodological document / E.Yu. Krasheninin, V.S. Shikovsky, I.V. Nikitin, T.S. Par-fenova. -Moscow: ROSAVTODOR, 2021. - 124 p.

10. Averchenko G.A. Construction of culverts by pushing finished links into the embankment / G.A. Averchenko, A.D. Pavlenko, E.A. Zori-na, D.N. Naborshchikov. - St. Petersburg: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2020. - 16 p.