автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Оценка условий и эффективности работы боковых водоотводных канав автомобильных дорог

□ □348 1870 На правах рукописи

ВУ Туан Ань

ОЦЕНКА УСЛОВИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ БОКОВЫХ ВОДООТВОДНЫХ КАНАВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

(05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2009

003481870

Работа выполнена на кафедре строительства и эксплуатации дорог Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) и на кафедре транспорта и общественных работ Ханойского института транспорта и коммуникаций.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор Немчинов Михаил Васильевич Научный консультант: кандидат технических наук, профессор

Чан Туан Хиеп (ХИТиК) Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: Казарновский Владимир Давидович

кандидат технических наук, доцент Чистяков Игорь Владимирович Ведущая организация: Институт Транспортного Строительства,

г. Казань

Защита состоится 49. iй.2-009г. в J2_ часов на заседании диссертационного совета Д212.126.02 при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42, телефон для справок (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба высылать в двух экземплярах, а копию отзыва просим прислать по e-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан «-/ff » « » 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета профессор, канд. техн. наук

Н.В. Борисюк

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Защита земляного полотна автомобильных дорог от переувлажнения является важнейшей задачей, решаемой при их проектировании, строительстве и в период эксплуатации. Степень переувлажнения грунта земляного полотна и его естественного основания определяет его прочность и несущую способность и, в конечном итоге, прочность дорожной одежды, устойчивость земляного полотна по отношению к деформациям сдвига, вероятность образования общих и местных просадок, устойчивость по отношению к местным деформациям откосов.

Грунт земляного полотна и его естественного основания увлажняется поверхностными и грунтовыми водами, поступающими к земляному полотну при выпадении дождей, таянии снега, посредством фильтрации воды в грунте и капиллярного поднятия от уровня фунтовых вод, из постоянных и временных водотоков и водоёмов, пересекающих трассу дороги или расположенных рядом с ней. Исторически отработаны всего два основных, наиболее простых и экономически целесообразных технических решения сохранения требуемых физико-механических свойств грунта в требуемых рамках. Одно решение - сооружение земляного полотна в насыпи, т.е. подъём рабочей части грунта земляного полотна выше уровня капиллярного поднятия воды. При этом заметно увеличивается ширина полосы земли, занимаемой автомобильной дорогой и возникают проблемы, связанные с обеспечением устойчивости самого земляного полотна, с обеспечением безопасности движения автомобилей. Второе решение -строительство вдоль земляного полотна дороги боковых водоотводных канав - кюветов. Это решение используют в случаях строительства земляного полотна в нулевых отметках, в выемках и в насыпях малой высоты (т.е. когда высота насыпи не обеспечивает изоляцию дорожной одежды от капиллярной воды в грунте). Фактически везде, где есть возможность по условиям рельефа и увлажнения местности, второе решение является наиболее рациональным по всем показателям.

По этой причине боковые водоотводные канавы - кюветы -являются наиболее массовыми водоотводными

(гидротехническими) сооружениями автомобильных дорог.

Основное назначение кюветов - собрать притекающую к ним поверхностную и, частично, грунтовую воду и транспортировать её к местам сброса - в водоёмы, водотоки, в достаточно удалённые от земляного полотна дорог пониженные места рельефа. Исходя из этого условия осуществляется проектирование кюветов -расположение трассы кювета, назначение продольного уклона, параметры поперечного сечения. Если первые два параметра -положение трассы и продольный уклон - определяются особенностями местности, то поперечное сечение кювета проектируется из условия быстрого водоотвода. Геометрические параметры поперечного сечения кювета назначают исходя из параметров протекающего по нему расчётного водного потока. Условия протекания воды по открытым руслам таковы, что на этот процесс помимо геометрических параметров очень большое влияние оказывают характеристики дна кювета и его боковых стенок. Поэтому при проектировании кюветов приходится решать вопрос их укрепления. Независимо от материала и способа укрепления дна и боковых стенок кювета их характеристики со временем, т.е. в процессе службы кювета, меняются и меняются настолько значительно, что могут, в некоторых случаях, вообще воспрепятствовать протеканию воды. В результате кюветы перестают выполнять свою основную функцию - транспортировку воды, и превращаются в резервуары для её сбора и хранения. В результате вода из кюветов идёт на переувлажнение грунта земляного полотна. В практике эксплуатации автомобильных дорог такие состояния кюветов фактически наблюдаются повсеместно. Существующие методы проектирования кюветов не учитывают этот факт.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью настоящей работы является повышение эффективности работы боковых водоотводных канав на основе опыта их фактического содержания с целью обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна автомобильных дорог в период эксплуатации дороги.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести обследование автомобильных дорог с целью установления фактического состояния кюветов.

2. Изучить природно-климатические характеристики территории Республики Вьетнам для оценки целесообразности строительства

боковых водоотводных канав вдоль автомобильных дорог в условиях жаркого муссонного климата.

3. Изучить влияние препятствий (загрязнений) , находящихся в кюветах, на параметры протекающего по ним водного потока. Оценить влияние наличия текущего водного потока в кювете на влажность грунта земляного полотна.

4. Разработать предложения по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав с целью улучшения осушения грунта земляного полотна автомобильных дорог.

Научная новизна.

• На основе натурных экспериментальных исследований впервые получены данные: о фактическом состоянии кюветов и характере загрязнений в период эксплуатации дорог и их влиянии на параметры потока воды в кювете - глубину, скорость, расходную характеристику и пропускную способность кювета; о влиянии водного потока, протекающего по кювету, на влажность грунта земляного полотна, о фактических скоростях протекания воды в кюветах.

• Впервые выполнен анализ природно-климатических условий Республики Вьетнам в интересах дорожного строительства осушения земляного полотна дорог с помощью кюветов.

• На основе натурных наблюдений расчётным методом получены реальные значения показателя гидравлического трения стенок и дна кюветов (коэффициента гидравлической шероховатости) (для Республики Вьетнам).

Практическая ценность.

Состоит в разработке рекомендаций по совершенствованию расчёта поперечного сечения кюветов и мер по их содержанию, позволяющих повысить эффективности работы боковых водоотводных канав и тем самым улучшить осушение грунта земляного полотна автомобильных дорог. Для территории Республики Вьетнам определены зоны обязательного строительства боковых водоотводных канав.

Реализация работы. Результаты проведённых исследований и рекомендации были использованы при разработке проекта для объекта вьетнамской компании ОАО «Консультация, проектирование и контроль качества сооружений», института стратегии и развития транспорта и компании ОАО «Инвестиции и

передачи транспортной технологии» в разделе проектирования и эксплуатации автомобильных дорог во Вьетнаме.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа полностью выполнена её автором: теоретические исследования, лабораторные гидравлические исследования, обследование состояния кюветов вдоль автомобильных дорог, обобщение и анализ полученных результатов выполнены в России (МАДИ/ГТУ/). Выбор участков дорог для изучения работы кюветов во время дождей, обследование состояния кюветов на автомобильных дорогах в районах с муссонным климатом, натурные экспериментальные исследования работы кюветов во время дождей, оценка влажности грунта земляного полотна автомобильных дорог проведены во Вьетнаме (ХИКиТ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции МАДИ (ГТУ) в 2008 г., на заседании «Дискуссионного клуба молодых учёных» МАДИ (ГТУ) в мае 2009 г., на Первом Всероссийском Дорожном Конгрессе (Москва, январь 2009 г.), на заседаниях кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» МАДИ (ГТУ) в 2007-2009 г.г.

На защиту выносятся:

• Результаты исследований влияния загрязнений, находящихся в кювете, на параметры водного потока - глубину, скорость, расходную характеристику, пропускную способность.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке значений коэффициента гидравлической шероховатости дна и стенок кюветов.

• Результаты исследований увлажнения грунта водой из кюветов.

Публикации. По результатам исследования опубликованы четыре печатные работы в профильных изданиях, в том числе 1 в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, 1 - в зарубежном журнале, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 171 страницу машинописного текста, включая 79 рисунков, 37 таблиц, 6 приложений. Список использованной литературы насчитывает 103 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулирована цель, показаны научная новизна работы и практическая значимость.

Глава 1 посвящена изучению состояния вопроса в области осушения земляного полотна, роли и значению боковых водоотводных канав.

Боковые канавы - кюветы - наиболее массовые гидротехнические сооружения, предназначенные для осушения земляного полотна автомобильных дорог. Рассчитывают их на объём стока с прилегающих к автомобильной дороге территорий:

бОООа^а?

к:

(1)

Расчётный расход определяем по выражению:

О, = 87,5-аж-Р-а-д>, (2)

где ачас - интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин; ? - площадь водосбора, км2; а - коэффициент потерь стока;

Ф - коэффициент редукции, вычисляемый по формуле:

(3)

<Р:

Иш'

В зависимости от рельефа местности, местных строительных и других условий разработано много видов водоотводных канав (рис. 1).

Рис.1. Виды водоотводных канав: а - канавы, совмещенные с боковыми резервами: б - трапецеидальные и треугольные боковые канавы; в - нагорные канавы у выемок; 1 - кювет-резерв; 2 - берма; 3 - резерв; 4 - банкет; 5 - нагорная канава; 6 - отвал

Канавы проектируют и строят с различными типами укреплений дна и стенок - от грунтовых до монолитного цементобетона. Тип укрепления выбирают в зависимости от уклона местности.

Исходя из типа выбранного укрепления, производится гидравлический расчёт параметров поперечного сечения кювета, точнее той его части, которая предназначена для пропуска водного потока.

Расчёт основан на использовании классических положений гидравлики открытых потоков:

о„с = w0 ■ cJRJ 0, (4)

где Qnc - расход потока; w0~ площадь поперечного сечения потока на участке равномерного движения; R0 - гидравлический радиус, м; i0- продольный уклон дна канавы,°/00; С - коэффициент Щези.

Форма поперечного сечения выбирается в зависимости от местных условий, обычно трапецеидальная или треугольная.

Для трапецеидальной формы: w0 =(b + mh0)h0\ = b + m'/70;

w0 (b + mh0)h0

--- —Z-TZ— >

X 0 b + mhü

где IV- площадь поперечного сечения; b - ширина канавы по дну; т и т' - средний и приведенный коэффициент заложения откосов:

m = m1+m1 . , При т, =т2=т, т'=2^+т2 ■

Фактический гидравлический расчёт ведётся «методом подбора» Режим течения воды в кюветах при их заполнении считается

турбулентным (Re = v---число Рейнольдса >500).

7

В выражение (4) входит гидравлический параметр С -коэффициент в формуле Шези. Он может быть подсчитать по уравнениям разных авторов, выведенных экспериментально для открытых потоков (русел), из которых ни одна формула не получила предпочтения для проектирования кюветов. Наиболее часто

1

используются уравнения H.H. Павловского C = ~Ry, Маннинга

п

C = ~R%, Базена с= 87 ■ И.И. Агроскина c = -+i7,72-ig/?, для

п у Г)

которых рассчитаны специальные таблицы.

В приведённых формулах: п,у - коэффициент гидравлической шероховатости; у - показатель степени, определяемый по формуле: у = 2,5л/п - 0.13- 0.75(л/л - 0.1)/я.

Уже длительное время боковым канавам в технической литературе не уделяется внимания. По этой причине в 2006-2008 гг. было проведено натурное обследование кюветов на автомобильных дорогах. Цель - оценить технические состояния кюветов и их способность к водоотведению. Обследование проведено на автомобильных дорогах России, Польши и Республики Вьетнам. Было установлено, что почти на всех автомобильных дорогах кюветы находятся в неудовлетворительном техническом состоянии - в них скапливаются и не убираются техногенные, бытовые и биологические загрязнители (автомобильные шины, мусор, трава, кустарник, даже деревья), препятствующие протеканию воды, вплоть до полного перекрытия канавы. Очень часты случаи перекрытия кюветов насыпями въездов (во дворы, на улицы в населённые пункты), съездов (на местные дороги) и т.п. Эти места всегда густо зарастают, захламляются, так что положенная перепускная труба, как правильно с1 не более 0,5 м, полностью теряет пропускную способность. Вода в кювете останавливается, её уровень поднимается и грунт земляного полотна переувлажняется (рис. 2). Обследование показало, что фактическое состояние кюветов значительно отличается от расчетного. Уход за кюветами практически не ведётся (уборка мусора, окашивание травы и т.д.).

Рис. 2. Разрушение покрытия автомобильных дорог В таких условиях кювет уже не выполняет свои функции -транспортировка воды, а превращается в резервуар с застойной или очень медленно текущей водой. Осушение грунта земляного полотна не происходит. Наоборот, происходит увлажнение грунта (рис. 3 и 4).

Глубина ми □

ОЛИ О

ОЛМ о оем о ИМ о

„—^ - мК^ г,

Г-

0.85

м п а-а а*-о

Рис. 3. Влажность грунта земляного полотна Земляное полотно автомобильной дороги, проходящей через ступенчатые рисовые поля. КМ68+00 государственной дороги №6, Хоабинь - Ханой

Примечание:

0.2 0.30 К75 ;1

л

г V ,г

Л 1

Глубина (и):

Рис. 4. КМ 30+400 государственной дороги №3, Каобанг- Ханой Относительная влажность в самом сухом месяце

-----Относительная влажность в самом влажном месяце

- цифры на кривых показывают значение относительной влажности земляного полотна в долях от границы текучести.

- длительность стояния воды в кювете может быть от 2 - 3 месяцев.

Специалисты - дорожники в ряде мест высказывают мысль - а надо ли вообще строить кюветы?

На основании изложенного Целью настоящей работы является повышение эффективности работы боковых водоотводных канав на основе опыта их фактического содержания с целью обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна автомобильных дорог в период эксплуатации дороги.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести обследование автомобильных дорог с целью установления фактического состояния кюветов.

2. Изучить природно-климатические характеристики территории Республики Вьетнам для оценки целесообразности строительства боковых водоотводных канав вдоль автомобильных дорог в условиях жаркого муссонного климата.

3. Изучить влияние препятствий (загрязнений), находящихся в кюветах, на параметры протекающего по ним водного потока. Оценить влияние наличия текущего водного потока в кювете на влажность грунта земляного полотна.

4. Разработать предложения по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав с целью улучшения осушения грунта земляного полотна автомобильных дорог.

В главе 2 проведён анализ природных условий, учитываемых при проектировании водоотводных сооружений автомобильных дорог.

Цель анализа - оценить целесообразность строительства боковых водоотводных канав вдоль автомобильных дорог. Рассмотрен комплекс природных факторов, включающий рельеф

территории Республики Вьетнам, атмосферные осадки (количество, частота выпадения), температура, ветры и интенсивность испарения, виды почво-грунтов.

Установлено, что большая часть территории Республики Вьетнам расположена на возвышенностях (с высотой более 100 м над уровнем моря). Рельеф - пересечённый, на значительной части гористый. Между хребтами пролегают широкие долины. Уклоны на местности достаточно значительные, что обеспечивают надёжный естественный сток воды, выпадающей в виде осадков. Земляное полотно в большинстве случаев строится в нулевых отметках.

Климат во Вьетнаме субэкваториальный, муссонный. Наивысшая температура наблюдаются в летние месяцы (до 30 -35°С в разных районах). Зимой средняя температура не опускается ниже +14°С (на севере Республики Вьетнам в январе). В остальных районах - в центре и на юге Вьетнама - не ниже +20°С.

Муссонный климат характеризуется значительным количеством атмосферных осадков (дождей), выпадающих, в подавляющем количестве, в дождливые месяцы. Эти месяцы: на севере - май - сентябрь (количество осадков от 200 до 300 мм/месяц), в центре - сентябрь - ноябрь (количество осадков от 350 до 530 мм/месяц), на юге - осадки распределяются более равномерно в течение года - на 6...7 месяцев (рис. 5 и 6) и их количество меньше (180...280 мм/месяц) (продолжительность дождевого сезона: север - 4...5 месяцев, центр - 3...4 месяца, юг -6...7 месяцев).

1 3 Э 4 S 6 7 а g '.0 11 12 1 з Э Ч 5 S 7 е 9 10 11 12

Месхц Месяц

Рис. 5. График изменения количества рИс. 6. График изменения количества осадков в центральных районах осадков в южных районах

Во Вьетнаме господствуют два направления ветров: летом муссон юго-восточный, а зимой северо-восточный (табл. 1 и 2). Скорость ветра бывает достаточно высокая - средняя скорость ветров 2,8...4,1 м/с, но максимальная достигает 25 м/с (на юге) - 40 м/с (на севере).

Таблица 1

Характеристика ветров в северных районах Республики Вьетнам.

Направление ветра С СВ В ЮВ | Ю ЮЗ 3 СЗ

Повторяемость, % 15,4 8,5 10 14,5 12 5 18,2 16,4

Таблица 2

Характеристика ветров в центральных районах Республики Вьетнам.

Направление ветра

СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ

Повторяемость, % 14,6 13,1 14,8

11,7 9,6 15,4

4 16,8

Уср.ветра = (1,4...2,8) на севере, (2,7...3,7) в центре и (2,8...4,1) на юге.

Такое сочетание распределения и количества дождей, температуры воздуха и ветров приводит к относительно небольшой интенсивности испарения воды как с открытой поверхности, так и с поверхности почво-грунтов. В северных районах интенсивность (а следовательно, и количество) испарения сохраняется примерно одинаковая в течение года (рис. 7) - от 60 до 93 мм/месяц (в августе выпадает осадков 320 мм, испарительная способность 59 мм).

1! 12 Менц

Рис. 7. График изменения количества испарения влаги в северных районах В центральных районах наблюдается пик испарения (150 мм/месяц в июне - июле), но время этого пика не совпадает с пиком осадков (август - сентябрь - октябрь - 380...530 мм/месяц). В месяцы пика осадков испарение достигает всего 76...62 мм). Аналогичная картина наблюдается на юге республики Вьетнам: максимум осадков (240...280 мм) наблюдается в июне - октябре, а максимум испарения в январе - марте (130...153 мм в месяце). Естественно это не способствует осушению земляного полотна автомобильных дорог.

Даже вечнозелёная тропическая и субтропическая растительность (в предгорьях, в нижнем поясе гор) не спасает положение, хотя известно, что в течение вегетационного периода (по данным РФ, где вегетационный период охватывает около 5 месяцев - май - сентябрь) испарение воды за счёт её транспирации растениями достаточно велико:

Травы и культурные полевые растения............ 230...250 мм

Лиственный лес............................................. 200...300 мм

Молодой лес и кустарники............................... 150...200 мм

Хвойные деревья........................................... .100...150 мм

Уменьшению испарения способствует и сохранение достаточно высокой влажности воздуха, которая достигает

максимума (80...92%) как раз в месяцы с максимальным количеством осадков.

Анализ геологического строения и грунтов на территории Республики Вьетнам показал, что в основном распространены глинистые, суглинистые и песчаные грунты. Анализ физико-механических свойств грунта из карьеров в районе города Шонтай (север Вьетнама), типичного для северной части Вьетнама, показал значительную зависимость плотности грунта от силы сцепления частиц, а угла внутреннего трения - параметров, не зависящих от плотности грунта.

Таблица 3

Сила сцепления и угол внутреннего трения в зависимости от

коэффициента уплотнения

Козфф, Уплотнения к

Рис. 8. График зависимости силы сцепления от коэффициента уплотнения Проведённое исследование свойств грунтов показало, что они обладают относительно не высокой силой сцепления частиц, которая сильно зависит от степени уплотнения грунта (К). Повышение степени уплотнения от уровня, характеризуемого коэффициентом уплотнения К = 0,85, до уровня, характеризуемого коэффициентом уплотнения К = 1,0, сопровождается ростом силы сцепления частиц грунта в 4,74 (для грунта карьера 1) - 7,1 (для грунта карьера 3) раза.

Угол внутреннего трения практически не зависит от степени уплотнения грунта (например, для грунта 1 карьера при определенной величине угла внутреннего трения 35,88° его изменение при разных уплотнениях не превосходит 3,1%).

Это позволяет сделать вывод, что рассмотренные грунты склонны к размыву текущей водой и в случае прокладки в нём кюветов требуют укрепления.

В главе 3 представлены результаты исследования влияния загрязнителей, находящихся в кюветах, на параметры водного потока, протекающих в них.

Исследование включает 2 вида работ:

1. Исследование в лабораторных условиях.

2. Теоретический анализ.

Лабораторные исследования были проведены с целью получения качественной оценки влияния препятствий, находящихся в канаве (русле), на его параметры. Для этого в лаборатории кафедры Гидравлики МАДИ (ГТУ) в одном из лотков была построена модель участка канавы с трапецеидальной (наиболее массовой) формой поперечного сечения. Модель имела размеры -ширину по дну 0,2 м, глубину - 0,3м, заложение откосов (стенок) 1:1,5; продольный уклон - 0,02. Длина модели - 1,10м, что позволяло помещать модели препятствий в зоне установившегося потока, т.е. за пределами влияния зон входа и выхода. Были рассмотрены 3 случая: - чистое состояние канавы, дно и стенки гладкие (модель - из органического стекла); - чистое (т.е. без препятствий) состояние канавы, но с шероховатым дном и стенками (моделировали песком); - в канаву помещали препятствия в виде вертикальных гибких столбиков (моделировавших стебли трав и малого кустарника).

Лабораторное исследование подтвердило наличие заметного влияния препятствий в канаве на ширину и глубину водного потока. Они увеличивались.

Теоретические исследования проведены с целью количественной оценки влияния препятствий. В проведённых расчётах рассматривалось такое же, как в лабораторной модели, трапецеидальное поперечное сечение, но с размерами, близкими к фактическим: ширина 0,4 м, глубина - 0,6 м, заложение откосов 1:1,5. Расчёт сделали по 6 вариантам, различающимся между собой следующим:

• 1-й вариант рассчитывается при чистом состоянии канавы, обеспечивающем свободное течение потока воды.

• В 5 следующих вариантах расчёт проведен из условия ограничения течения воды в результате появления в канаве препятствий в виде столбиков различной высотой (от 0,1 до 0,25 м) с постоянной шириной (0,02м).

Расчёты выполнялись путём построения расходной характеристики потока К, позволяющей оценить влияние наличия и высоты препятствий на глубину воды.

"| ......

0.2 0,4 0,6 0,8 1,0 ¡,2 К.

Рис. 9. График зависимости расходной характеристики (К) от глубины потока воды ((1) в кювете по различным видам ограничения течения потока По рисунку видно, что для принятого расчётного расхода (например (2 = 0,046 м3/с) возрастает (рис. 10).

при отсутствии препятствий она

С.ЗО' 0.29' 0.26 0.24' 0.220.20-

0.18-

I

10 15 20 23

Рис. 10. График зависимости глубины воды от высоты препятствий в кювете

10 15 20 25 h лредч.

Рис. 11. График зависимости скорости течения воды от высоты препятствий в кювете

Одновременно изменяется (уменьшается) скорость течения воды (рис. 11).

В конечном итоге кювет переполняется водой, так как снижается его пропускная способность - в зависимости от исходного начального расхода и параметров канавы. Для условий расчётов пропускная способность канавы (при сохранении расчётной глубины) уменьшалась в 2,4...3,1 раза (табл. 4):

Таблица 4

Пропускная способность канавы (м3/с) при расчётной глубине воды (м).

Высота препятствий, м 0,20 0,22 0,24

0 0,072 0,088 0,105

0,05 0,050 0,069 0,084

0,10 0,038 0,048 0,060

0,15 0,030 0,038 0,048

0,20 Переполнение канавы (превышение расчётной глубины) 0,032 0,040

0,25 Переполнение канавы 0,034

Далее начинается переполнение канавы (т.е. превышение расчётной глубины) или, при малой глубине канавы, выход воды на прилегающую поверхность.

Важным фактором гидравлического расчёта является учёт сил сопротивления, возникающих при протекании воды в них: трения воды с дно и стенки (откосы), препятствий, находящихся в русле. Это сопротивление при гидравлических расчётах учитывается коэффициентом шероховатости.

Величина этого коэффициента для открытых русел была объектом исследований многих авторов. На основании результатов многочисленных экспериментов установлено, что препятствия в руслах (разного вида) оказывают существенные влияния на числовую величину этого коэффициента. Например, в естественных руслах, заросших, с камнями и тому подобными препятствиями этот коэффициент изменяется от 1,75...4,00 до 0,075...0,150, т.е. в 23...27 раз. Для земляных каналов в хороших условиях - от 0,017...0,025 до 2,50, т.е. в 100...147 раз. Таким образом, из этого следует, что содержание русел (поддержание их в чистоте) оказывает очень большое влияние на величины коэффициента гидравлической шероховатости. В качестве примера приведём данные для коэффициента гидравлической шероховатости по H.H. Павловскому и Маннингу (табл. 5).

Таблица 5

Коэффициенты гидравлической шероховатости _(по Н.Н.Павловскому и Маннингу) _

Характер поверхности п д ля состояния поверхности

очень хорошего хорошего обычного плохого

Бетонированные каналы, облицовка 0,012 0,014 0,016 0,018

Земляные каналы правильной формы 0,017 0,020 0,0225 0,025

Извилистые каналы с медленным течением 0,0225 0,025 0,0275 0,030

Каналы в гравии с песком 0,020 0,025 0,027 0,030

Русла естественных рек: ■ чистое извилистое ложе, слегка заросшее и с камнями • участки рек с очень медленным течением: значительно заросшие и с глубокими промоинами • очень сильно заросшие участки рек 0,035 0,050 0,075 0,040 0,060 0,100 0,045 0,070 0,125 0,050 0,080 0,150

В процессе выполнения данной работы (в 2009 г.) в литературе появилась информация об оценке влияния травы (зарастание травы) в гидромелиоративных канавах на их пропускную способность. Полученные гидромелиораторами данные полностью совпадают с полученными нашими результатами (табл. 6):

Таблица 6

Влияние зарастание канала на скорость течения воды и пропускную

способность(нату

рные данные).

Состояние канала, период зарастания травой Наполнение канала водой Расход, м3/с Скорост ь течения, м/с Коэффициент гидравлической шероховатости дна и откосов

Чистое, начало роста травы (начало вегетационного периода) Нормальное Минимальное 0,2 0,06 0,41 0,24 0,030 0,048

Заросшее травой, середина вегетационного периода Нормальное Минимальное 0,1 0,033 0,20 0,13 0,068 0,085

После очистки (после окашивания и удаления травы) Нормальное Минимальное 0,21 0,06 0,41 0,24 0,030 0,048

В период между очистками канала Нормальное Минимальное 0,108 0,038 0,27 0,17 0,042 0,061

Наши исследования (табл. 4) показали, а натурные данные гидромелиораторов подтвердили, что чем меньше канавы (канал), тем больше влияния оказывает на его работу фактор зарастания растительностью.

Очистка канав (каналов) ведёт к полному восстановлению их работоспособности (пропускной способности, скорости течения, расчётных глубин потока).

В четвёртой главе диссертации описываются методики проведений натурных наблюдений на автомобильных дорогах Вьетнама. Решались 2 задачи: одна - установление фактических значений коэффициентов гидравлической шероховатости для кюветов в природных условиях Республики Вьетнам; другая -оценка осушающего воздействия кюветов по отношению к земляному полотну автомобильной дороги, другими словами -оценка того, насколько полезны кюветы с точки зрения сохранения прочности земляного полотна в случае беспрепятственного протекания воды по кюветам. Решить эти задачи можно проведением натурных наблюдений. Такие наблюдения проведены

в дождевой сезон года, когда в кюветах формируется поток воды и следует ожидать наибольшей влажности грунта и, соответственно, наименьшей прочности земляного полотна автомобильных дорог.

Работы были проведены на автомобильных дорогах Ханой -Хоабинь и Хоабинь - Кимбой. Для наблюдений было выбрано 2 участка: один длиной 55м, второй - 45 м.

Участки одинаковы по основным характеристикам: земляное полотно расположено в небольшой полувыемке-полунасыпи, ширина проезжей части 7 м с покрытием из асфальтобетона, обочина шириной 1 м. Кювет имеет трапецеидальное поперечное сечение. Укрепление откосов, дна кювета и обочин - одерновкой.

Гидравлические исследования заключались в измерении геометрических параметров поперечных сечений кювета в 10 пунктах каждого опытного участка (до дождя), измерении глубины и ширины потока в этих же пунктах и скорости течения воды в кювете (во время дождя). Скорость измерялась с помощью поплавков.

Грунтовые исследования заключались в отборе проб грунта с обочины земляного полотна на удалении 0,5 и 1,0 м от бровки на глубине 0...50 см (т.е. с поверхности и через каяодые 10 см по глубине). Пробы грунта отбирались до начала дождя, во время дождя (обычно через 1-2 часа после появления водного потока в кювете) и после дождя. В лаборатории материалов и сооружений Ханойского института транспорта и коммуникаций проводилась оценка влажности и плотности грунта.

По результатам измерений параметров водного потока по формуле Шези v = С • -jR-i, рассчитывались фактические значения коэффициента Шези С и далее подсчитывались значения коэффициента гидравлической шероховатости.

Для расчётов были выбраны наиболее подходящие по условиям выведения (открытые русла небольшого размера) и наиболее употребительные (т.е. хорошо апробированные) в фактических расчётах формулы для коэффициента С: И.И.

V

Агроскина п =_-_; Маннинга п = —;Базена у = Гв7_1\/б; H.H.

C-17,72lgR С lc J

о/

Павловского п = —;

С

Коэффициент гидравлической шероховатости по H.H. Павловскому определен методом подбора (так как показатель степени y=f(n)).

В результате установлены фактические значения коэффициента гидравлической шероховатости, которые можно использовать в практических расчётах при проектировании кюветов на дорогах в Республике Вьетнам (табл. 7).

Таблица 7

Осреднённые значения коэффициента гидравлической _ шероховатости _

№№ участка По И.И. Агроскину По Маннингу По H.H. Павловскому По Базену

1 0,0336 0,1242 0,0522 3,414

2 0,0332 0,1238 | 0,0524 3,374

Установленные значения коэффициента гидравлической шероховатости для кюветов (каналов малых размеров) значительно отличаются от известных (табличных) рекомендаций для расчётов по формулам И.И. Агроскина, Маннинга, H.H. Павловского и Базена (приведены в табл. 3.7 - 3.9 диссертации).

Результаты оценки влажности грунта представлены на рис. 13

05.07.2008

1-й участок .10 11 12 13 1<

W % 15

19.07.2003

1-й участок, 1-е наблюдение

12 13 14 15 16 17

23.03.2008

1-й участок. 5-е наблюдение ^

см 0 ■ 10-

а)

. I

5

б)

- ч— \ \ \ —1

\

V \ - V V Ч -----

^ 1 \ ч! *

Wom- - 13.20%

в)

■ 1 2 1 3 14 1 5 16

1

ч ч

к \ Л N

* \

Рис.12 Относительная влажность грунта земляного полотна по глубине (см); а -

после 1 недели без дождя, б-в - после окончания дождя. Примечание: \Л/0Пт- оптимальная влажность грунта (%).

_ удаление от бровки земляного полотна 50 см

удаление от бровки земляного полотна 50 см На графиках рис. 12.а видно, что через одну неделю после окончания дождя на участке 1 влажность грунта обочины на глубине от 0 до 50см на удаления 50см от бровки земляного полотна (т.е. от кювета) и 50см от кромки дорожной одежды оказалась меньше или равной оптимальной. Влажность грунта на кромке земляного полотна оказалась несколько выше, чем в предыдущем сечении. Но на поверхности грунта она оказалась несколько меньше оптимальной, на глубине 50см-больше, но всего на 10%.

На участке 1 у кромки дорожной одежды плотность грунта оказалась практически близкой к оптимальной.

Таким образом, через неделю после окончания предшествующего дождя грунт земляного полотна обладал

влажностью, обеспечивающей оптимальную его плотность. Это состояние фунта выбрано за исходное для последующих оценок.

На графиках рис. 12 (б, в) представлены данные о влажности грунта после дождей - через 1-2 часа. Во всех случаях зафиксировано увеличение влажности, но не приводящее к заметному снижению плотности грунта.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что боковые водоотводные канавы являются достаточно надёжной защитой земляного полотна от переувлажнения. Требуемая плотность грунта, а следовательно, и прочность земляного полотна полностью обеспечиваются.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературы по вопросу строительства боковых водоотводных канав автомобильных дорог, оценка их фактического состояния выявили значительные недостатки в их проектировании, расчёте и содержании:

• отсутствие методики расчёта расхода воды в кюветах, на который следует проектировать геометрические параметры кюветов;

• фактическое (рабочее) состояние боковых канав принципиально отличается от расчётного вследствие зарастания кюветов высокой травой и кустарником, загрязнения бытовым и техногенным мусором, перегораживания насыпями съездов с дороги с перепускными трубами с диаметром значительно (в разы) меньше поперечного сечения кювета;

• «Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог» в перечне работ по содержанию дорог лишь упоминают о необходимости содержания боковых водоотводных канав.

2. Анализ природных условий Республики Вьетнам выявил неблагоприятное с точки зрения увлажнения земляного полотна автомобильных дорог сочетание природно-климатических факторов: температурного режима, атмосферных осадков, ветрового режима, интенсивности испарения, а также типов грунтов, при котором единственным способом предотвращения переувлажнения грунта в теле земляного полотна и под ним (грунта основания, особенно на косогорных участках дорог, которых большинство во Вьетнаме) является строительство боковых водоотводных канав.

3. В результате теоретического анализа установлен характер и степень влияния загрязнений, находящихся в кювете, на

характеристики водного потока в нём - глубину и скорость протекания воды, расходную характеристику и пропускную способность кювета (зависимости представлены на рис. 9 - 11). Лабораторные исследования, а также анализ натурных данных о протекании потока воды в гидромелиоративных каналах (близких по размерам к боковым водоотводным канавам автомобильных дорог) подтвердили установленные в настоящем исследовании зависимости.

4. Анализ литературы по гидравлике открытых водных потоков (рек, больших каналов) выявил несоответствие условий их протекания условиям протекания воды в кюветах и, следовательно, невозможность использования при расчёте поперечного сечения кюветов рекомендованных в литературе (табличных) значений важнейшего гидравлического параметра русла (характеризующего именно условия протекания воды) - коэффициента гидравлической шероховатости стенок и дна русла.

5. В результате проведения натурного исследования параметров протекания воды в боковых канавах автомобильных дорог установлены значения коэффициента гидравлической шероховатости для кюветов (для условий Республики Вьетнам) для наиболее употребляемых в гидравлических расчётах и многократно положительно апробированных формул - И.И.Агроскина, Маннинга, H.H. Павловского, Базена, которые обычно используют при проектировании кюветов (табл. 7).

6. Натурные исследования влажности грунтов в дождливый период года (продолжительностью во Вьетнаме до 4 месяцев) показали высокую эффективность работы кюветов, свободных от загрязнений (камнями, травой), с точки зрения защиты грунта земляного полотна от переувлажнения (рис. 12). Рекомендации по повышению эффективности работы боковых

водоотводных канав автомобильных дорог.

1. Рекомендуется изменить расчётные условия проектирования поперечного сечения кювета: поперечное сечение с гладкими дном и стенками заменить на сечение, близкое к фактическому состоянию в период эксплуатации, но с определённым уровнем содержания - сечение со стенками и дном, покрытым травой (с граничной высотой стерни от 5 до 10 см.).

2. При разработке проекта автомобильной дороги рекомендовать в местах устройства съездов устанавливать перепускные трубы или малые мостики, не препятствующие течению воды в кюветах, а так

же контроль за уровням зарастания кюветов травой.

3. Рекомендуется проводить гидравлический расчёт поперечных сечений кювета по формулам И.И.Агроскина, или Маннинга, или

H.Н.Павловского, или Базена с использованием установленных в данном исследовании величин коэффициента гидравлической шероховатости дна и стенок кюветов (значения установлены для Республики Вьетнам).

Технико-экономическая оценка рекомендаций Реализация рекомендаций не требует дополнительных затрат сил и средств, так как осуществляется в процессе проектирования автомобильной дороги путём включения новых расчётных схем и расчётных коэффициентов взамен старых, работы по содержанию кюветов предусмотрены контрактами на содержание дорог. Целесообразность сохранения постоянства пропускной способности кювета можно путём оценки надёжности его работы, определяемой:

Ы 1-1

где:И4У5, - надёжность системы . Q¡ - вероятность отказа элемента системы.

Расчёты показывают, что при наличии всего трёх съездов, препятствующих току воды, надёжность работы кювета составит: = П(1 -Q,)=0125■ Фактически в каждом сельском населённом пункте

съездов значительно больше. Поэтому надёжность работы кювета будет ещё ниже. В этих условиях повышение надёжности работы всего кювета от 0,125 до 1,0 окупает все дополнительные затраты.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

I. Немчинов М.В. Проектирование водоотводных канав земляного полотна автомобильных дорог / М.В. Немчинов, By Туан Ань // Транспортное строительство / вып. 2 - 2009. - С. 14 - 17.

2. Nemchinov M.V. Design of diversion ditches for highway roadbeds / Vu Tuan Anh, M.V. Nemchinov II Science journal of transportation I Especial issue No.1. - Moscow - Chengdu - Hanoi, 01 - 2009. - P.86 - 92.

3. By Туан Ань. Совершенствование методов проектирования водоотводных канав земляного полотна автомобильных дорог / By Туан Ань, М.В. Немчинов, И.В. Орельчикова II Труды первого всероссийского дорожного конгресса. - М., 2009. - С.98 - 113.

4. Немчинов М.В. О содержании водоотводных сооружений автомобильных дорог / М.В.Немчинов, М. Иваньски, By Туан Ань II Автомобильные дороги. Вып. 4 (917) апрель - 2008. - С.99-101.

Подписано в печать 15 октября 2009 г. Формат 60x84x16 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 50 "Техполиграфцентр" Россия, 125319, г. Москва, ул. Усиевича, д. 8а. Тел.: 8-916-191-08-51

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса. Цель, задачи и методика выполнения исследования.

1.1. Влияние воды на прочность земляного полотна автомобильных дорог.

1.2. Методы проектирования водоотводных канав.

1.2.1. Существующие виды водоотводных боковых канав - кюветов.

1.2.2. Методы расчёта гидравлических параметров боковых водоотводных канав.

1.3. Фактическое состояние водоотводных канав в период эксплуатации автомобильных дорог.

1.4. Цель, задачи и методика выполнения исследования.

Глава 2. Природные факторы, учитываемые при проектировании водоотводных сооружений автомобильных дорог (на примере

Республики Вьетнам).

2.1 Рельеф местности.

2.2. Климат: Температура воздуха, атмосферные осадки.

2.3. Геологическое строение и грунты.

2.3.1. Количественные показатели взаимосвязи между коэффициентом уплотнения К с силой сцепления С и углом внутреннего трения ф для типичного грунта в Республике Вьетнам.

2.3.2. Анализ результатов испытания.

2.4. Климат: Ветры, испарение и влажность воздуха.

2.4.1. Ветры.

2.4.2. Испарение воды.

2.4.3. Влажность воздуха. Показатель влажности. Его влияние на испарение.

2.5. Результаты анализа природно-климатических условий Республики

Вьетнам в интересах дорожного строительства.

Глава 3. Исследования влияния загрязнения кюветов на параметры водного потока в них.

-33.1. Лабораторные исследования.

3.2. Анализ влияния «загрязнения» поперечного сечения кюветов на гидравлические характеристики потока.

3.3. Коэффициент гидравлической шероховатости дна и стенок русел.

3.4. Количественная оценка влияния травы в канавах на их пропускную способность.

3.5. Вывод по главе 3.

Глава 4. Натурные исследования протекания воды в боковых водоотводных канавах автомобильных дорог.

4.1. Характеристика участков проведения натурных измерений.

4.2. Методика проведения исследования.

4.2.1. Методика проведения гидравлических исследований.

4.2.2. Методика оценки влажности грунта земляного полотна.

4.3. Результаты гидравлических измерений.

4.4. Влияние водного потока в кювете на влажность грунта земляного полотна.

4.5. Выводы по главе 4.

Глава 5. Результаты исследования.

Актуальность темы. Защита земляного полотна автомобильных дорог от переувлажнения является важнейшей задачей, решаемой при их проектировании, строительстве и в период эксплуатации. Степень переувлажнения грунта земляного полотна и его естественного основания определяет его прочность и несущую способность и, в конечном итоге, прочность дорожной одежды, устойчивость земляного полотна по отношению к деформациям сдвига, вероятность образования общих и местных просадок, устойчивость по отношению к местным деформациям откосов.

Грунт земляного полотна и его естественного основания увлажняется поверхностными и грунтовыми водами, поступающими к земляному полотну при выпадении дождей, таянии снега, посредством фильтрации воды в грунте и капиллярного поднятия от уровня грунтовых вод, из постоянных и временных водотоков и водоёмов, пересекающих трассу дороги или расположенных рядом с ней. Исторически отработаны всего два основных, наиболее простых и экономически целесообразных технических решения сохранения требуемых физико-механических свойств грунта в требуемых рамках. Одно решение - сооружение земляного полотна в насыпи, т.е. подъём рабочей части грунта земляного полотна выше уровня капиллярного поднятия воды. При этом заметно увеличивается ширина полосы земли, занимаемой автомобильной дорогой и возникают проблемы, связанные с обеспечением устойчивости самого земляного полотна, с обеспечением безопасности движения автомобилей. Второе решение — строительство вдоль земляного полотна дороги боковых водоотводных канав — кюветов. Это решение используют в случаях строительства земляного полотна в нулевых отметках, в выемках и в насыпях малой высоты (т.е. когда высота насыпи не обеспечивает изоляцию дорожной одежды от капиллярной воды в грунте). Фактически везде, где есть возможность по условиям рельефа и увлажнения местности, второе решение является наиболее рациональным по всем показателям.

По этой причине боковые водоотводные канавы - кюветы — являются наиболее массовыми водоотводными (гидротехническими) сооружениями автомобильных дорог.

Основное назначение кюветов — собрать притекающую к ним поверхностную и, частично, грунтовую воду и транспортировать её к местам сброса — в водоёмы, водотоки, в достаточно удалённые от земляного полотна дорог пониженные места рельефа. Исходя из этого условия осуществляется проектирование кюветов - расположение трассы кювета, назначение продольного уклона, параметры поперечного сечения. Если первые два параметра - положение трассы и продольный уклон — определяются особенностями местности, то поперечное сечение кювета проектируется из условия быстрого водоотвода. Геометрические параметры поперечного сечения кювета назначают исходя из параметров протекающего по нему расчётного водного потока. Условия протекания воды по открытым руслам таковы, что на этот процесс помимо геометрических параметров очень большое влияние оказывают характеристики дна кювета и его боковых стенок. Поэтому при проектировании кюветов приходится решать вопрос их укрепления. Независимо от материала и способа укрепления дна и боковых стенок кювета их характеристики со временем, т.е. в процессе службы кювета, меняются и меняются настолько значительно, что могут, в некоторых случаях, вообще воспрепятствовать протеканию воды. В результате кюветы перестают выполнять свою основную функцию - транспортировку воды, и превращаются в резервуары для её сбора и хранения. В результате вода из кюветов идёт на переувлажнение грунта земляного полотна. В практике эксплуатации автомобильных дорог такие состояния кюветов фактически наблюдаются повсеместно. Существующие методы проектирования кюветов не учитывают этот факт.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью настоящей работы является повышение эффективности работы боковых водоотводных канав на основе опыта их фактического содержания с целью обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна автомобильных дорог в период эксплуатации дороги.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести обследование автомобильных дорог с целью установления фактического состояния кюветов.

2. Изучить природно-климатические характеристики территории Республики Вьетнам для оценки целесообразности строительства боковых водоотводных канав вдоль автомобильных дорог в условиях жаркого муссонного климата.

3. Изучить влияние препятствий (загрязнений) , находящихся в кюветах, на параметры протекающего по ним водного потока. Оценить влияние наличия текущего водного потока в кювете на влажность грунта земляного полотна.

4. Разработать предложения по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав с целью улучшения осушения грунта земляного полотна автомобильных дорог.

Научная новизна.

• На основе натурных и экспериментальных исследований впервые получены данные: о фактическом состоянии кюветов и характере загрязнений в период эксплуатации дорог и их влиянии на параметры потока воды в кювете - глубину, скорость, расходную характеристику и пропускную способность кювета; о влиянии водного потока, протекающего по кювету, на влажность грунта земляного полотна; о фактических скоростях протекания воды в кюветах.

• Впервые выполнен анализ природно-климатических условий Республики Вьетнам в интересах дорожного строительства - осушения земляного полотна дорог с помощью кюветов.

• На основе натурных наблюдений расчётным методом получены реальные значения показателя гидравлического трения стенок и дна кюветов (коэффициента гидравлической шероховатости) (для Республики Вьетнам).

Практическая ценность.

Состоит в разработке рекомендаций по совершенствованию расчёта поперечного сечения кюветов и мер по их содержанию, позволяющих повысить эффективности работы боковых водоотводных канав и тем самым улучшить осушение грунта земляного полотна автомобильных дорог. Для территории Республики Вьетнам определены зоны обязательного строительства боковых водоотводных канав.

Реализация работы. Результаты проведённых исследований и рекомендации были использованы при разработке проекта для объекта вьетнамской компании ОАО «Консультация, проектирование и контроль качества сооружений», института стратегии и развития транспорта и компании ОАО «Инвестиции и передачи транспортной технологии» в разделе проектирования и эксплуатации автомобильных дорог во Вьетнаме.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа полностью выполнена её автором: теоретические исследования, лабораторные гидравлические исследования, обследование состояния кюветов вдоль автомобильных дорог, обобщение и анализ полученных результатов выполнены в России (МАДИ/ГТУ/). Выбор участков дорог для изучения работы кюветов во время дождей, обследование состояния кюветов на автомобильных дорогах в районах с муссонным климатом, натурные экспериментальные исследования работы кюветов во время дождей, оценка влажности грунта земляного полотна автомобильных дорог проведены во Вьетнаме (ХИКиТ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции МАДИ (ГТУ) в 2008 г., на заседании «Дискуссионного клуба молодых учёных» МАДИ (ГТУ) в мае 2009 г., на Первом Всероссийском Дорожном Конгрессе (Москва, январь 2009 г.), на заседаниях кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» МАДИ (ГТУ) в 2007 - 2009 г.г.

На защиту выносятся:

• Результаты исследований влияния загрязнений, находящихся в кювете, на параметры водного потока - глубину, скорость, расходную характеристику, пропускную способность.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке значений коэффициента гидравлической шероховатости дна и стенок кюветов.

• Результаты исследований увлажнения грунта водой из кюветов.

Публикации. По результатам исследования опубликованы четыре печатные работы в профильных изданиях, в том числе 1 в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, 1 - в зарубежном журнале, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 171 страницу машинописного текста, включая 79 рисунков, 37 таблиц, 6 приложений. Список использованной литературы насчитывает 103 наименования.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 5.1. Общие выводы:

1. Анализ литературы по вопросу строительства боковых водоотводных канав автомобильных дорог, оценка их фактического состояния выявили значительные недостатки в их проектировании, расчёте и содержании:

• отсутствие методики расчёта расхода воды в кюветах, на который следует проектировать геометрические параметры кюветов;

• фактическое (рабочее) состояние боковых канав принципиально отличается от расчётного вследствие зарастания кюветов высокой травой и кустарником, загрязнения бытовым и техногенным мусором, перегораживания насыпями съездов с дороги с перепускными трубами с диаметром значительно (в разы) меньше поперечного сечения кювета;

• «Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог» в перечне работ по содержанию дорог лишь упоминают о необходимости содержания боковых водоотводных канав.

2. Анализ природных условий Республики Вьетнам выявил неблагоприятное с точки зрения увлажнения земляного полотна автомобильных дорог сочетание природно-климатических факторов: температурного режима, атмосферных осадков, ветрового режима, интенсивности испарения, а также типов грунтов, при котором единственным способом предотвращения переувлажнения грунта в теле земляного полотна и под ним (грунта основания, особенно на косогорных участках дорог, которых большинство во Вьетнаме) является строительство боковых водоотводных канав.

3. В результате теоретического анализа установлен характер и степень влияния загрязнений, находящихся в кювете, на характеристики водного потока в нём - глубину и скорость протекания воды, расходную характеристику и пропускную способность кювета (зависимости представлены в табл. 3.2-3.7 и на рис. 3.11 - 3.14). Лабораторные исследования, а также анализ натурных данных о протекании потока воды в гидромелиоративных каналах (близких по размерам к боковым водоотводным канавам автомобильных дорог) подтвердили установленные в настоящем исследовании зависимости.

4. Анализ литературы по гидравлике открытых водных потоков (рек, больших каналов) выявил несоответствие условий их протекания условиям протекания воды в кюветах и, следовательно, невозможность использования при расчёте поперечного сечения кюветов рекомендованных в литературе (табличных) значений важнейшего гидравлического параметра русла (характеризующего именно условия протекания воды) - коэффициента гидравлической шероховатости стенок и дна русла.

5. В результате проведения натурного исследования параметров протекания воды в боковых канавах автомобильных дорог установлены значения коэффициента гидравлической шероховатости для кюветов (для условий Республики Вьетнам) для наиболее употребляемых в гидравлических расчётах и многократно положительно апробированных формул -И.И.Агроскина, Маннинга, Н.Н. Павловского, Базена, которые обычно используют при проектировании кюветов (табл. 4.9, 4.10).

6. Натурные исследования влажности грунтов в дождливый период года (продолжительностью во Вьетнаме до 4 месяцев) показали высокую эффективность работы кюветов, свободных от загрязнений (камнями, травой), с точки зрения защиты грунта земляного полотна от переувлажнения (рис. 4.13).

- 1185.2. Рекомендации по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав автомобильных дорог.

1. Рекомендуется изменить расчётные условия проектирования поперечного сечения кювета: поперечное сечение с гладкими дном и стенками заменить на сечение, близкое к фактическому состоянию в период эксплуатации, но с определённым уровнем содержания - сечение со стенками и дном, покрытым травой (с граничной высотой стерни от 5 до 10 см.).

2. При разработке проекта автомобильной дороги в части, посвящённой проектированию кюветов, предусмотреть работы по содержанию кюветов в летнее время - систематическую (по мере появления) очистку от мусора и периодическое окашивание травы на дне и стенках. Частота окашивания определяется природными условиями района строительства дороги. По опыту мелиораторов для Европейской части России - до 2-4 раз за тёплый сезон. В Республике Вьетнам - по данным биологов. В местах пересечения кюветов съездами с дороги необходимо устанавливать водоперепускные трубы с отверстием, не меньшим расчётной площади поперечного сечения водного потока в кювете.

3. Рекомендуется проводить гидравлический расчёт поперечных сечений кювета по формулам И.И.Агроскина, или Манинга, или Н.Н.Павловского, или Базена с использованием установленных в данном исследовании величин коэффициента гидравлической шероховатости дна и стенок кюветов (значения установлены для Республики Вьетнам).

4. В Республике Вьетнам на территориях за пределами рисоводческих районов при строительстве автомобильных дорог в целях защиты земляного полотна дорог от переувлажнения в дождливый период года необходимо в обязательном порядке строить боковые водоотводные канавы. Особенно на косогорных участках дорог.

- 1195.3. Технико-экономическая оценка рекомендаций по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав автомобильных дорог.

Рекомендации по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав автомобильных дорог по существу сводятся к реализации двух факторов:

1. Изменение расчётных показателей при назначении параметров поперечного сечения боковых канав и назначении отверстия перепускных труб под съездами с дороги, не меньше площади расчётного сечения потока воды в кювете.

2. Осуществление двух эксплуатационных работ - систематической уборки мусора и систематической окашывании травы с откосов и дна кювета.

Реализация первого фактора не требует дополнительных затрат сил и средств, так как осуществляется в процессе проектирования автомобильной дороги путём включения новых расчётных схем и расчётных коэффициентов взамен старых.

Увеличение стоимости строительных работ на этом этапе происходит в результате замены старых перепускных труб (как правило диаметром 0,5 м) на новые, большего диаметра. Например, площадь поперечного сечения кювета глубиной 0,4 м при ширине по дну 0,3 м, уклонах откосов 1:1,5 составляет 0,2

2 2 м . Площадь отверстия труби диаметром 0,5 м равна 0,098 м (в 2 раза меньше).

Для того, чтобы добиться равенства площадей поперечных сечений требуется установка перепускной труби диаметром 0,72 м, что больше глубины кювета. По этой причине вместо перепускной трубы следует строить малый мостик над кюветом, полностью ликвидирующий сжатие потока в оды в кювете. Существенного удорожания эта замена не вызовет (скорее удешевление).

Целесообразность сохранения постоянства пропускной способности кювета можно путём оценки надёжности его работы.

Если представить кювет на территории сельского населённого пункта, в пределах которого построено несколько съездов с дороги, в виде системы, состоящей из последовательно соединённых элементов, то надёжность его работы определяется по формуле [53]:

5)

1 /'=1 гдe:JVsyst - надёжность системы , Qj - вероятность отказа элемента системы.

Для приведённого выше примера при диаметре перепускной трубы, вдвое меньшей площади поперечного сечения водного потока в кювете, вероятность отказа можно принять равной 50x10"". Тогда при наличии всего трёх съездов надёжность работы кювета составит: l/l/sysf = - Q,) = 1 - [l - (1 - 50 х 10-2) х (1 - 50 х 10"2) х (1 - 50 х 10~2)] = 0,125 1

И это только при трёх съездах. Фактически их в каждом сельском населённом пункте значительно больше. Поэтому надёжность работы кювета будет ещё ниже.

Приведённый пример свидетельствует, что даже если мостик (дешёвый, плитный) и будет несколько дороже водоперепускной трубы (что мало вероятно), то повышение надёжности работы всего кювета от 0,125 до 1,0 окупает все дополнительные затраты.

Техническими правилами ремонта и содержания автомобильных дорог» [14] уборка мусора предусмотрена (п. 5.2.6) в летний период из резервов, с откосов и обочин, что и выполняется дорожно-эксплуатационными предприятиями. Ежегодные опросы дорожно-эксплуатационных организаций, проводимые кафедрой строительства и эксплуатации дорог МАДИ (ГТУ), свидетельствуют, что дорожные организации собирают и вывозят к местам утилизации значительные количества бытового и техногенного мусора [80]:

1. Автомобильные дороги: Примеры проектирования : учеб. пособие для вузов/О.В. Андреев, В.Ф. Бабков, О.А. Дивочкин и др; под ред. B.C. Порожнякова. М.: Транспорт, 1983. - 303 с.

2. Автотранспортный комплекс проблемы и перспективы, экологическая безопасность: Материалы всероссийской научно-технической конференции. Изд. Пермского государственного технического университета, 2007. - 376 с.

3. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1964. -352 с.

4. Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства. Материалы всероссийской научно-практической конференции. -Вологда: 2002. 191 с.

5. Артемьева Т.В., Румянцева А.Н. Методические указания к самостоятельной работе по теме «режим движения жидкости». М.: МАДИ, 1995.- 16 с.

6. Бабков В.Ф., Замахаев М.С. Автомобильные дороги. М.: Транспорт, 1967. - 535 с.

7. Бабков В.Ф. Устройство земляного полотна автомобильных дорог: Учеб. пособие/-М.: «Высшая школа», 1966. 108 с.

8. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог, Ч. 1 / — М.: Транспорт, 1987. 368 с.

9. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог, Ч. 2 / — М.: Транспорт, 1987.-415 с.

10. Бахметов Б.А. О равномерном движении жидкости в каналах и трубах. -Л.: Изд-во Кубуч, 1929. 247 с.

11. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. М.: Издательство литературы по строительству, 1965. - 632 с.

12. Большаков В.А., Курганович А.А. Гидрологические и гидравлические расчеты малых дорожных сооружений. К.: Вища школа. Головное изд-во, 1983.-280 с.

13. Васильев А.П., Сиденко В.М. Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения. М.: Транспорт, 1990. - 304 с.

14. Высоцкий Л.И., Изюмов Ю.А., Поляков М.П. Проектирование водоотвода с автомобильных дорог. Саратов: СГТУ, 2004. - 57 с.

15. Гидравлика дорожных водопропускных сооружений: Сб. науч. тр. М.: МАДИ, 1982. - 119 с.

16. Гидравлика русловых потоков: Межвуз. сб. науч. тр. Калинин, 1989. -106 с.

17. Гидравлика транспортных средств и дорожных сооружений: Сб. науч. тр. М.: МАДИ, 1988.- 103 с.

18. Дорожно-строительные материалы: Учеб. для вузов/И.М. Грушко, И.В. Королев, И.М. Борщ, Г.М. Мищенко. М.: Транспорт, 1991. - 357 с.

19. Добров Э.М. Дорожные насыпи из грунтов повышенной влажности. Методические указания к дипломному проектированию. М.: МАДИ (ТУ), 1996. 18 с.

20. Золотарь И.А., Пузаков Н.А., Сиденко В.М. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд. М.: Транспорт, 1971. - 416 с.

21. Зонн Б.В., Вулис Д.А., Власова В.П. Расчет и проектирование водоотвода в горной местности. Л.: Гос.трансп.изд., 1936. - 137 с.

22. Ильина А.А. Строительство и содержание дорожного водоотвода/ Обзорная информация/Информавтодор, -М.: 2006, Автомобильные дороги, выпуск 3, 60 с.

23. Истомина B.C. Фильтрационная устойчивость откосов. -М.: Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1957. 295 с.

24. Казарновский В.Д. Оценка сдвигоустойчивости связных грунтов в дорожном строительстве. Теоретические основы и практические методы. —М.: Транспорт, 1985. 168 с.

25. Казарновский В.Д. Учет сопротивляемости грунтов сдвигу при проектировании дорожной конструкции. М.: Автотрансиздат, 1962 - 36с.

26. Казахметрова Э.К. Основы прогноза осадки высоких насыпей при использовании глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.23.11, 1997.

27. Константинов Н.М., Петров Н.А., Высоцкий Л.И. Гидравлика, гидрология, гидрометрия: Учеб. для вузов: В 2 ч. Ч. II. Специальные вопросы; под ред. Н.М. Константинова. М.: Высшая школа, 1987. - 431 с.

28. Коршиков А.А. Влияние параметров стерни на гидравлическое сопротивление оросительных каналов/А.А. Коршиков, Н.Г Фаталиев, Ф.М. Магомедов, З.Н. Кахриманов // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2006. -Nll.-C.13.

29. Косилки дорожные // Автомобильные дороги. М., 2008. -N1. - С. 107.

30. Красильщиков И.М. Елизаров Л.В. Проектирование автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1986. - 214 с.

31. Крюков В.А. Методические указания по гидравлическому расчёту трапецеидальных русел в Exel. М.: МАДИ, 2007. - 17 с.

32. Лавриненко Л.Л. Изыскание и проектирование автомобильных дорог. -М.: Транспорт, 1991.-295 с.

33. Лебедев В.В. Гидрология и гидравлика в мостовом и дорожном строительстве. Л.: Гидрометеоиздат, 1959. - 388 с.

34. Леви И.И. Моделирование гидравлических явлений. Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. - 210 с.

35. Львович Ю.М., Дурикин В.Т. Новый способ укрепления конусов и откосов земляного полотна автомобильных дорог (опыт трестов). 2-е издание: Обзорн. информ. М.: Оргтрансстрой, 1975.

36. Львович Ю.М., Мотылев Ю.Л. Укрепление откосов земляного полотна на автомобильных дорогах. М.: Транспорт, 1979. - 159 с.

37. Магомедов М.М. Горные дороги. Особенности проектирования, строительства и эксплуатации на примере Дагестана. М.: Техполиграфцентр, 2006. - 247 с.

38. Магомедов Ф.М. Влияние водной растительности на пропускную способность мелиоративных каналов. Ф.М. Магомедов, Н.Г Фаталиев,

39. И.М. Меликов/Региональный продовольственный рынок (опыт, проблемы, перспектива) / Материалы региональной научно-практической конференции. Махачкала, 2009. - С.235 -237.

40. Материалы исследования водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог Вьетнама / Академия техники транспорта. -Ханой, 2003.

41. Меньшов А.С. Обеспечение местной устойчивости откосов высоких насыпей автомобильных дорог из несвязанных грунтов: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МАДИ, 2006. - 230 с.

42. Методические рекомендации по расчету водно-теплового режима для разработки оптимальной конструкции земляного полотнаавтомобильных дорог/СоюздорНИИ. М., 1983. -78 с.

43. Методические рекомендации по расчету водно-теплового режима для разработки оптимальной конструкции земляного полотна автомобильных дорог/СоюздорНИИ. М., 1983. - 64 с.

44. Методические указания к выполнению практических занятий по дисциплинам, связанным с вероятностными методами расчёта строительных элементов и систем. Самара: Самарская ГАСА, 2000.

45. Методы решения гидравлических задач по течению плановых спокойных стационарных поток воды/В.Н. Коханенко, Ю.М. Косиченко, Е.В. Дуванская, Б.Ю. Калмыков. Шахты, 2003. - 67 с.

46. Михайлов К.А., Богомолов А.И. Гидравлика, гидрология, гидрометрия. Ч. I. М.: Дориздат, 1950. - 288 с.

47. Немчинов М.В. Обоснование, нормирование и расчет параметров текстуры поверхности дорожных покрытий/ дис. д-ра техн. наук. М.: МАДИ, 1989.-451 с.

48. Немчинов М.В. Исследование некоторых вопросов протекания потока в отводящих руслах малых искусственых сооружений /дисс. канд. техн. наук. М.: МАДИ, 1966.-360 с.

49. Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. -М.: Транспорт. 1985. 231 с.

50. Нормативные требования к качеству содержания автомобильных дорог общего пользования, городских и сельских дорог и улиц Московской области. МВН-2/2001. М.: Мосавтодор, 2001.

51. Нормы и правила строительства автомобильных дорог (RAS). Раздел поперечные профили. RAS-Q96. Германия, 1996.

52. Перевозников Б.Ф. Водоотвод с автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1982.- 190 с.

53. Перевозников Б.Ф. Ильина А.А. Сооружение системы водоотвода с проезжей части автомобильных дорог: Обзорная информация: Информавтодор, М., 2002. - Автомобильные дороги. - N 2, - 60 с.

54. Песков А.И., Андрианов Ю.А. Защита и укрепление откосов скальных выемок. М.: Транспорт, 1970. 96 с.

55. Планирование развития сети автомобильной дороги СРВ до 2010г. и перспективы развития до 2020г.

56. Подвишенская Н.Я. Анализ формирования и прогнозы стока. Труды Центрального Института прогнозов вып. 148. JL:

57. Гидрометеорологическое изд-во, 1966.

58. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений; под ред. Г. Я. Волченкова. М.: Транспорт, 1992. 407 с

59. Примеры гидравлических расчетов: Учеб. пособие для вызов/Н.М. Константинов, Н.А. Петров, В.А. Александров и др.; под ред. Н.М. Константинова. М.: Транспорт, 1987. - 438 с.

60. Проектирование автомобильных дорог: Сб. науч. тр. -М.: МАДИ, 2007. -132 с.

61. Пузаков Н.А. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. М.: Автотрансиздат, 1960. - 168 с.

62. Рейнольде А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях/Пер. с англ. И.А. Шеренкова, А.П. Нетюхайло. М.: Энергия, 1979. - 408 с.

63. Ройзман А.С. Пособие по проектированию автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1968. - 239 с.

64. Рувинский В.И. Оптимальные конструкции земляного полотна. — М.: Транспорт, 1982. 166 с.

65. Руководство по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений; под общ. ред. Г.Я. Волченкова. -М.: Транспорт, 1974. 296 с.

66. Руководство по сооружению земляного полотна автомобильных дорог / СОЮЗДОРНИИ. М.: Транспорт, 1982. - 160с.

67. Сборник задач по гидравлике/В. А. Большаков, Ю. М. Константинов, В. Н. Попов и др.; Под ред. В. А. Большакова. Киев: Вища школа, 1979.- 336с.

68. Сиденко В.М. Расчет и регулирование водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна. — М.: Автотрансиздат, 1962. 116 с.

69. Сиротюк В.В. Сооружение земляного полотна из грунтов с влажностью выше оптимальной. -Омск: изд-во СибаДИ, 2004. -151 с.

70. СНиП 2.05.02-85. -Введ. 01.01.87. Автомобильные дороги. -М., 1997. -51с.

71. СНиП 3.06.03-85. Введ. 01.01.86. Автомобильные дороги. - М., 1996. -111 с.

72. Составление раздела «Влияние дорожного хозяйства на окружающую природную среду» Государственного доклада о состоянии окружающей среды в Российской Федерации в 2008 году. Научно-технический отчёт. -М.: МАДИ(ГТУ), 2009.

73. Тулаев А.Я. Конструкции и расчет дренажных устройств. М.: Транспорт, 1980.- 119 с.

74. Тулаев А.Я. Осушение земляного полотна городских дорог. М.: Стройиздат, 1983. - 130 с.

75. Устройство земляного полотна автомобильных дорог: Технологические карты. Киев: Будивальник, 1989. - 160 с.

76. Чеботарев Н.П. Учение о стоке. М.: Издательство Московского университета, 1992. - 407 с.

77. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов/Перевод с английского И.В. Филимоновой; под общ. ред. А.И. Богомолова. М.: Стройиздат, 1969. — 464 с.

78. Ярмолинский А.И. Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата: дис. д-ра техн. наук. 05.23.11 Хабаровск, 1995.

79. Polskie dorogi. № 238707, 2007. -N6(143).

80. AASHTO A Policy on Geometric Design of Highway and Street. 1990.

81. Dang Hiru, D6 Ba Chuong, Nguyln Xuan True. So tay thilt ke duong 6 to / Справочник по проетированию автомобильных дорог/ -HN, 1976.

82. Do Ba Chucmg. Thiet ke ducmg б to/ Проектирование автомобильных дорог: В 2 ч./ 2 tap. NXB GD, 2000/ 151 с.

83. Doan Hoa. Thiet ke duong б to. Duong ngoai do thi va do thi/ Проектированиеавтомобильных дорог. Городские и внегородские дороги/ 2 tap. HN, NXB XD, 2005.

84. Luc Binh Trung, Trinh Gia C£u. Cong trinh nen mat dudng/ Сооружения земляного полотна и дорожной одежды: в 2 ч./ 2 tap/ Nguyln Quang Chieu, Duong Hoc Hai dich. HN, NXB GTVT 1996.

85. Nguyen Quang Chieu, La Van Cham. Xay dung nen ducmg б to/ Сооружение земляного полотна автомобильных дорог/ HN, GTVT, 2001.

86. Nguyln Quang Chieu. Xay dung пёп duong б to / Сооружение земляного полотна автомобильных дорог/ Nguyln Quang Chieu, Ha Duy Cuang, Duong Hoc Hai, Nguyln Khai / NXB DH va THCN. HN, 1980, 396 c.

87. Pham Duy ffim. Ngo Xuan Quang. Vat lieu xay dung duong б to va san bay/ Дорожно-строительные материалы для автомобильных дорог и аэродромов / -HN, NXB XD 2004, 288 tr.

88. TCVN 4195-86 d6n 4202-86. Вк xay dung / Нормы строительных грунтов/ Uy ban xay dung со ban nha nuoc, 1986.

89. TCVN 5729. Tieu chuan thiet ke ducmg cao toe / Нормы проектирования высокоскоростных автомобильных дорог/ Во GTVT, 1997.