автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование системы водоотведения с проезжей части автомобильных дорог

На правах рукописи

Бабкин Игорь Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ С ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

Омск 2014

005556183

005556183

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Научный руководитель: Высоцкий Лев Ильич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Алексиков Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительства и эксплуатации транспортных сооружений» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Александров Анатолий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Строительство и эксплуатация дорого ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДН)»

Защита состоится 30 декабря 2014 года в 10:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.250.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте http://sibadi.org.

Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, тел/факс: (3812) 72-99-79, e-mail: bobrova.tv@gmail.com.

/У , --,

Автореферат разослан « У ? » 2014 г.

Ученый секретарь d Ыо

диссертационного совета j'J^''1^' ^ " Татьяна Викторовна Боброва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Российская Федерация по площади занимаемой территории намного превосходит этот показатель какого-либо государства. Она расположена, примерно, на ^ от площади суши на земном

шаре. При этом условии функционирование различных отраслей хозяйства, да и всего комплекса государственных предприятий, учреждений и т.д., становится проблематичным без наличия широко разветвленной, правильно проектируемой, строящейся и эксплуатируемой сети автомобильных дорог разных категорий. Известно, что строительство и эксплуатация автомобильных дорог требуют серьезных материальных затрат. Это обстоятельство требует проведения всеобъемлющего анализа наиболее уязвимых мест в цепочке: изыскание —» проектирование —► строительство —► эксплуатация —* модернизация. Большое внимание при этом уделяется взаимодействию воды с различными элементами дороги. Известно, что наличие воды на проезжей части может приводить к переходу колес транспортных средств на режим глиссирования, сопровождающемуся потерей сцепления с дорогой и приводящему, в конечном счете, к потере управляемости и устойчивости. Для сведения к минимуму ущерба от этого явления необходимо организовать возможно быстрый отвод воды с проезжей части дороги. Это обеспечивается назначением соответствующих поперечных и продольных уклонов полотна дороги. Сохранение работоспособности практически всех элементов дороги (проезжей части, подстилающего слоя, насыпи и т.д.) определяется качеством и быстротой удаления воды с полотна дороги. Одним из распространенных в России способов водоотведения является предварительный сбор и транспортирование воды по прибордюрным лоткам к местам расположения склоновых водоотводящих лотков. Расстояние между ними назначается на основании гидрологического обоснования. Отводимый в них поток находится в бурном состоянии. Это обстоятельство накладывает серьезную необходимость учета специфики взаимодействия бурных потоков с искусственными сооружениями. Одна из особенностей бурного потока заключается в повышенном сопротивлении попытке изменить направление его движения. Надлежащее функционирование всей системы водоотведения в главном определяется способностью входной части перехватывать отводимый поток при минимальном проскоке (в идеальном случае - без его образования).

Именно этот участок является уязвимым местом в цепочке элементов системы водоотведения с автомобильных дорог, а его конструктивное оформление ставит в зависимость полноту использования других её частей. Подобная ситуация требует первоочередного решения проблемы надежного перехвата потока из прикромочных лотков и перевода его в водоотводящий откосный лоток.

Степень разработанности темы исследования.

Проблемам организации водоотведения с проезжей части автомобильных дорог были посвящены исследования, разработки и обоснования многих ученых. В частности, существенный вклад в их появление сделан Б.Ф. Перевозниковым, Н.М. Константиновым, H.A. Петровым, A.A. Ильиной, Д.В. Штеренлихтом и И.Ф.Пикаловой, И.В. Чистяковым, A.C. Александровым, Г.А. Федотовым, Б.Ф. Бабковым, М.Н. Кудрявцевым и др. В 80-х годах на базе НИИ Союздорпроект при участии Б.Ф. Перевозникова были разработаны типовые водоотводные сооружения на автомобильных дорогах, которые используются на дорогах нашей страны и по сей день. При эксплуатации этих сооружений выявились многочисленные недостатки, которые свидетельствовали о недостаточной теоретической обоснованности при их проектировании. На кафедре ТГВ Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. под руководством профессора Л.И. Высоцкого были предприняты попытки исправить ситуацию и разработать новые конструктивные решения, но, к сожалению, они привели к созданию конструкции входного участка системы водоотведения с проезжей части автомобильных дорог, требующей усложнённой технологии производства работ

Предметом исследования является возможность совершенствования системы водоотведения с автомобильных дорог с выявлением и устранением факторов, затрудняющих её надлежащее функционирование.

Цель исследования заключается улучшение условий работы системы водоотведения с дорожного полотна автомобильных дорог с помощью разработки новой конструкции входного участка.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- выявить наиболее уязвимый в функциональном отношении участок в цепи элементов, составляющих систему водоотведения;

- обосновать причины, не позволившие до сих пор предложить конструктивное его оформление с обеспечением требуемой работоспособности;

- предложить новое конструктивное оформление исследуемого участка; - - обосновать метод расчета его конфигурации;

,- предложить плановое очертание входного участка при одностороннем и двухстороннем входе;

- предложить метод гидравлического расчета очертаний свободной поверхности потока в пределах входного участка;

- предложить метод определения конфигурации дна входного участка;

- составить программу для реализации вычислений с помощью ПЗВМ;

- изготовить пространственную модель входного участка с использованием 3D прототипирования;

- провести исследования работоспособности модели входного участка; •. - выполнить сопоставительный анализ расчетных и опытных данных;

■ - предложить рекомендации по использованию конструкций входного участка.

Научная новшна полученных результатов состоит в следующем:

- впервые предложена конструкция входного участка, рассчитанная с учетом положений теории управления бурными потоками;

выполнен анализ экспериментальных данных по выявлению работоспособности предлагаемого варианта входного участка;

- получена математическая модель пространственно-искривлённого потока в пределах входного участка, позволяющего плавно сопрягать лотки с различным сочетанием форм их сечений;

- составлены алгоритм и программа для реализации расчета конфигурации входного участка с помощью ПЭВМ с получением как числовых, так и графических результатов.

Теоретическая и практическая значимость исследования заключается в следующем:

- установлен участок в цепи элементов системы водоотведения автомобильных дорог, не позволяющий реализовать отвод расчетного значения расхода воды из прикромочного лотка;

- установлены причины некачественного функционирования входных участков системы водоотведения;

- предложен метод расчета геометрии дна входного участка;

исследования заключается в следующем:

- предложено новое конструктивное оформление входных участков с односторонним и двухсторонним входом;

получены экспериментальные данные о работоспособности предложенного варианта входного участка;

- предложены рекомендации по использованию входного участка новой конструкции, позволяющей существенно увеличить пропускную способность системы водоотведения автомобильных дорог,

- результаты работы могут быть использованы в сфере дорожно-транспортного строительства.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе применяются теоретико-экспериментальный метод исследования с использованием положений теории управления бурными потоками и экспериментальная проверка полученных результатов при крупномасштабном моделировании.

Личный вклад в решение проблемы заключается з обосновании и формулировании цели и задач исследования, реализации основных теоретических разработок, внедрении нового высокоточного метода изготовления модели входного участка, лабораторном исследовании его работоспособности, анализе и обобщении теоретических и экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

результаты обоснования причин неудовлетворительного функционирования входных участков системы водоотведения автомобильных дорог,

- новая конструкция входного участка, удовлетворяющая положениям теории управления бурными потоками;

- метод расчета конфигурации поверхности дна новой конструкции входного участка;

- результаты экспериментальных исследований работоспособности новой конструкции входного участка на крупномасштабной модели.

Достоверность полученных результатов базируется на корректном использовании методов и положений теории управления бурными потоками и данных экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры ТГВ СГТУ имени Гагарина Ю.А., Международной научно-практической интернет конференции «Молодые ученые за инновации: создавая будущее» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2011 г.), Международной научно-технической конференции студентов аспирантов молодых ученых «Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды» (УГНТУ, Уфа, 2011 г.), XXV Международной научной конференции ММТТ-25 (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов 2012 г.), 8-м Саратовском салоне инноваций и инвестиций (Саратов, 2013 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Устойчивость транспортных сооружений в условиях изменения климата и гидрологических катастроф» (МАДИ, Москва,

2013 г.), 7th International Symposium on Environmental Hydraulics (IAHR, Singapore,

2014 г.), 2-й Международной научно-практической конференции «Ресурсоэффективные технологии в строительном комплексе» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014 г.).

Публикация работы. Результаты диссертационной работы отражены в восемнадцати публикациях, из них две в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации. На конструкцию, рассматриваемую в диссертационной работе, получен патент на полезную модель. Программа для расчета этой конструкции защищена свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (102 наименования) и приложения. Общий объем диссертационной работы 145 страниц печатного текста, включая 65 рисунков и 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы, формулируются цель и задачи исследования, новизна теоретических разработок и их практическая значимость.

В первой главе анализируются существующие способы водоотведения с автомобильных дорог и конструкции входных участков водоотводящих лотков, а также эволюция развития элементов систем водоотвода. Кроме того, приведён анализ проблем использования существующих конструкций откосных лотков и концевых устройств. Из материалов, рассматриваемых в первой главе, вытекает

достоверное обстоятельство, достаточно доказательно свидетельствующее о том, что главным фактором, влияющим на прочность, долговечность, межремонтные промежутки времени и т.п., а в итоге, на Экономичность функционирования всей транспортной системы, является способность водоотводящих устройств быстро и надежно удалять воду с проезжей части автомобильных дорог.

Обосновывается положение о диктующей роли увеличения пропускной способности входных участков, как с односторонним, так и двухсторонним входом, в обеспечении решения общей задачи по возможно быстрому осушению проезжей части автомобильных дорог.

Приводится постановка и обоснование цели и задач исследования.

Во второй главе разрабатывается новая конструкция и метод расчёта входного участка системы водоотведения автомобильных дорог.

Предложена плановая конфигурация новой конструкции входного участка, получено её аналитическое представление. Предложен входной участок для плавного и организованного перевода потока из прикромочных лотков в водосбросный лоток в виде виражей - одной из конструкций управления бурными потоками. Рассмотрены две разновидности входного участка:

- для одностороннего перехвата потока из прикромочного лотка с части проезжей полосы при затяжном уклоне;

- для двухстороннего отвода потока в водосбросный лоток, расположенный в пониженной части трассы при притоке к нему с двух сторон.

Впервые предложена конструкция входного участка виражеобразной формы, плавно сопрягающей лотки с различной формой поперечного сечения (треугольной и прямоугольной). Плановые очертания входных участков представлены на рисунке 1, а их поперечные начальные и конечные сечения - на рисунке 2. Аналитическое представление криволинейной оси плана входного участка выражается зависимостью в виде полинома восьмой степени (в безразмерном виде):

Уо@о) = (1)

1=0

Ъ г" где а0 =-=а2 =а$ =а4 =0;а^ = 56

24

а6=-140

г2Вп-Ьл

24 )

+ 56зтагк;я7 =120

— — 21з1пагк; ¿ь0 )

(Щ^-Ь)

, 24 )

■'В

= -35

2 В0-Ь

+ 158так;5'0 = —.

4

. 24

>■[ - ось, нормальная 50; Ъ — ширина входного участка на входе; В0 -отклонение выходного сечения от оси х; длина осевой линии в плане ; ак -угол поворота осевой линии в плане в концевом сечении.

Здесь все линейные величины отнесены к длине 4 (рисунок 3).

а 1 б 1

Рисунок 1. Схема двух вариантов входного участка: 1 - проезжее полотно дороги; 2 - прикромочный лоток; 3 - водосбросный лоток; 4 — входной участок

треугольной части сечения; Л« - глубина над треугольной частью сечения; кк — глубина

в концевом сечении

Ось входного участка имеет эквивалентную форму, а именно, в виде зависимости ей безразмерного радиуса кривизны р0 от криволинейной координаты Б0, то есть:

1-

где

ф- = 5а55о + + 7^0 + ВД7 ;

,2- _ _ _ _ = 20я55о3 + 30а65о4 + 42а7505 + 56а850б.

аК02

(2)

Для аналитического задания продольного профиля осевой поверхностной линии тока г0 = ?о(5о) используется зависимость:

(г

г„ = 5Г

V. т +1

(3)

где /л - показатель степени.

В главе подробно изложена процедура получения приближённого уравнения свободной поверхности пространственно-искривлённого потока в криволинейных координатах. При некоторых упрощениях получено его решение в виде

Ь 2

с®1

1 +

с®«

1

{ Р0(50)+/1(«;50)

(4)

где Я - функция распределения скоростей.

Я = [Я„-2(го-г„)]р2. (5)

В случае, когда скорости меняются по ширине, предложено учитывать неравномерность распределения скоростей по приближенной формуле:

Ян = -4-¡0,8 + 0,225(1-(п-1)8 У- (6)

Выражение (4) дает возможность определить координаты поперечных сечений свободной поверхности, нормальных оси РоС^о)» входного участка на всем его протяжении. Интеграл в правой части реализуется численно.

Очертание свободной поверхности оказывается определенным в области значений безразмерных координат (и,50). Область интегрирования делилась осью Бо на два фрагмента, значения 0<и<1 и 0<50< 1.То есть, очертание свободной поверхности оказывается определенным в области значений 0 < л < 1 и 0 < ¿о < 1, принадлежащих фрагменту 1. Соответственно значения 1<л<2 и 0<50 < 1 принадлежат фрагменту 2. Интегрирование по п позволяет сделать вывод, что в пределах фрагмента 2 свободная поверхность описывается выражением:

Ъ 2

1 +

I

1

о у

Ъ йп

Ро^оЭ+ЛМо)

(7)

И в этом случае реализация интегрирования выполняется численно. Таким образом, предложена методика расчета очертания свободной поверхности в координатах и,50 при значениях Ойи^иО^Зо^! (рисунок 4).

2 1 о

Фрагмент 2

Фрагмент 1

Рисунок 4. Область определения координат свободной поверхности на входном участке в координатах и, .

Переход к координатам х,у производится соответствующим пересчетом. Однако для практического построения поверхности достаточно определить в координатах х,у положение плана осевой линии 50, а поверхность представлять её сечениями, нормальными к 50, также в координатах х,у.

Далее во второй главе получены выражения для вычисления отметки дна сооружения в узловых точках с координатами (и;£0). Они имеют для фрагментов 1 и 2 вид:

- для фрагмента 1

п

dyaj cosP

cos A,.

Я '

здесь 0<и<1; - для фрагмента 2

Я

COS/?

cosygH. я '

(9)

здесь 1<и<2.

Таким образом, предложен метод расчёта конфигурации поверхности входного участка на базе привлечения положений теории управления бурными потоками, что должно предотвратить появление опасных волнообразований. Алгоритм расчета всех геометрических и гидравлических параметров как самого входного участка, так и перехватываемого потока в его пределах сводится к последовательному выполнению набора вычислительных процедур. Их реализация предусматривает использование ПЭВМ. Для реализации этих расчетов составлена соответствующая программа на языке программирования Visual Basic for Applications (MS Excel), которая получила свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2013616067. Представленная конструкция входного участка охраняется патентом на полезную модель №140593.

В третьей главе расчёт конфигурации новой конструкции входного участка системы водоотведения конкретизируется. Приводится метод определения геометрических параметров входного участка предлагаемой конструкции. В частности, его основных плановых размеров, к которым относятся (рисунок 5): Ь — ширина входного участка на входе;Я- ширина входного участка на выходе; L0 - длина осевой линии в плане; В0 - расстояние от внешней границы кювета до концевого сечения входной части.

Рисунок 5, План входного участка. 1 - гтрикромочный лоток; 2-входной участок; 3 — водоотводящий лоток; 4 -бровка насыпи; 5о - осевая линия; Ьо - длина осевой линии в пределах плана входного участка

На рисунке 6 представлена схема вертикального цилиндрического сечения потока и дна в пределах входного участка по его оси.

Рисунок 6. Развертка вертикального цилиндрического сечения по оси 5Ь входного участка потока и его дай

В главе приведён пример назначения перечисленных исходных параметров. В ней также получен новый критерий для обнаружения возможных зон отрыва потока от обтекаемой им поверхности. Критерий имеет вид:

П„

гс2

1 +

<Ё

>-1,

(10)

где П„ = —2- - параметр кинетичности (число Фруда).

Далее были обоснованы значения геометрических и гидравлических параметров для проведения пробных расчётов предложенной новой конструкции входного участка с учётом необходимости последующей экспериментальной проверки его работоспособности на крупномасштабной модели. Расчётный расход был назначен с определённым запасом (160 л/с вместо возможных 100 л/с).

В главе четвёртой изложены результаты экспериментальных исследований работоспособности входных участков. В частности приведено обоснование условий гидравлического моделирования работы входного участка. Сформулированы цель и задачи экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования работы входных участков выполнялись в гидравлической лаборатории СГТУ имени Гагарина Ю.А. на спроектированной и изготовленной для этой цели установке (рисунок 7).

Особое внимание было уделено процессу изготовления пространственной модели. Очевидно, что выполнение пространственной конструкции требует большой точности, которой очень трудно добиться путем изготовления вручную из дерева, бетона, гипса или других материалов. Поэтому для выполнения модели входного участка был использован новый перспективный процесс трехмерного прототипирования, который в наше время активно внедряется в производстве, обучении и других областях для изготовления прототипов, моделей и готовых изделий. Суть процесса заключается в послойном создании по данным компьютерной модели физического объекта, с помощью специального оборудования - ЗБ принтера.

Процесс ЗЭ прототипирования достаточно трудоемок, но в итоге позволяет получить весьма точную модель из прочного материала. Указанным способом была изготовлена модель входного участка в масштабе 1 : 5. На ЗО принтере пофрагментно была построена модель входного участка. Материалом, из которого изготавливалась пространственная модель, был пластик белого цвета с маркировкой АВ8р1ш-Р430. Точность воспроизведения по заявлению производителя - 0,1 мм. «Распечатка» одного фрагмента занимала около суток. Готовые фрагменты склеивались между собой суперклеем. По расчетным отметкам была выполнена специальная подставка из фанеры, на которую укладывалась собранная модель входного участка. После этого модель объединялась с остальной экспериментальной установкой. Места стыковки фрагментов, а также места присоединения подводящего канала и отводящего лотка герметизировались строительным силиконовым герметиком.

Соответствие пространственного расположения установки расчетным отметкам проверялось нивелиром.

Вид трехмерной модели входного участка, её фрагмента а также пример «распечатанного» фрагмента приведены на рисунках 9,10 и 11 соответственно.

Рисунок 9. Вид фрагмента модели входного участка в программе Autodesk Inventor Fusion

Рисунок 10. Фотография фрагмента модели входного участка, выполненного на 30 принтере

После установления значения расхода Ом, требуемого по условиям моделирования потоков по Фруду, в пределах входного участка в ряде поперечников производилось измерение распределения глубин в модельном потоке. Было принято измерение глубин выполнять в шести поперечниках при расстоянии между ними в плане, равном Д£0 = 0,2 (или Л50 = 0,4 м). Число поперечников при этом условии равно шести. Измерения производились с помощью вертикально установленной мерной иглы. Отсчеты брались при касании дна в данном поперечном сечении и свободной поверхности. Разность полученных результатов (с точностью 0,1 мм) представляет значение глубины потока по вертикали в данной точке. Результаты измерений и определенных опытных значений глубин по вертикали были сведены в таблицы. Полученные данные позволяют представить их в более наглядной графической форме. На рисунке 11 приведены графики распределения глубин по вертикали по ширине поперечного сечения, то есть графики И = Ь.(п).

5д=0 -*~Днс -»-Сеобоснае поверхность Зс=0,2 -*-Дно нш-Свободная поаархкость

о 3,2 5 1,5 2 |й 3,5

52=0 4 -*~Дно -»-Свободна* поверхность

5о=0 8 -«-Свободная поверхность

: -аэ -,-,-;—,---:-:--:---:--—7-:-—-1-:—

о чл г 1.5 г

Рисунок 11. Графики зависимости к = к(п) в поперечных вертикальных сечениях потока в пределах входного участка

На рисунке 11 представлено сопоставление расчетных и опытных данных сечений свободной поверхности потока в пределах входного участка.

Простое рассмотрение полученных данных приведенных на рисунках 11 и 12, позволяет сделать вывод о том, что существенные волнообразования на свободной поверхности в пределах входного участка отсутствуют. Распределение глубин по ширине входного участка в различных поперечных сечениях можно признать удовлетворительным. Расхождения в их значениях при точности оценки 0,1 мм и доверительной вероятности 0,95 колеблются в пределах ± 15 %. Отметим, что наибольшие отклонения (до 40%) наблюдаются только вблизи боковых стенок, причем в большую сторону. Этот факт объясняется тем, что в расчетах не было учтено тормозящее влияние боковых стенок. Последнее требует предварительного решения сложной гидравлической задачи о пространственно-искривленном пограничном слое. Учитывая, что локальные увеличения глубины потока не имеют катастрофического характера, а также существующие

Свободна* поверхность

5э=0,б

450 440 433 423

400 592

225 225 223 23Ф 255

-*- Свободна* поверхность

-♦"Дно

-♦-Дно

5с=

1

потока в пределах входного участка

рекомендации в запасе высоты бортов телескопических водоотводящих лотков в натурных условиях в 25 см, считаем полученное увеличение глубин вполне допустимым. Более того, можно считать, что приведенный запас в высоте бортов можно снизить в 2,5 раза, то есть принять его равным 10 см. Это означает, что при использовании предлагаемой конструкции входного участка допустимо высоту бортов принимать равной всего 20 см, причем по нормали ко дну.

Наличие главного эффекта достигаемого при повороте бурного потока входным участком и заключающегося в отсутствии значительных возмущений свободной поверхности подтверждается фото свободной поверхности в пределах входного участка (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Фотографии свободной поверхности при пропуске расчетного расхода

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Основной бедой при организации водоотведения с проезжей части автомобильных дорог является то обстоятельство, что потоки в прибордюрных кюветах являются бурными (сверхкритическими). Именно в этом заключается проблема надежного перевода потока из кюветов в откосные водоотводящие лотки. Существующие типовые конструкции были предложены без учета специфики поведения бурных потоков; что приводит к «проскоку» большей части расхода мимо входного участка системы водоотведения с последующим увеличением к расположенным ниже по ходу водоотводящим системам.

2. На необходимость учета состояния потока было обращено внимание проф. Д.В. Штеренлихтом. Однако ему не удалось радикальным образом разрешить установленное положение по необходимости резкого уменьшения «проскока». Эта задача была решена по договору с Росавтодором коллективом кафедры ТГВ СГТУ имени Гагарина Ю.А. Предложенная форма входного участка, полученная опытным путем с учетом особенностей течения бурных потоков, в принципе решала изложенную проблему, но оказалась труднореализуемой на практике из-за усложненной, пространственко-искривленной формы дна входного участка.

3. Предлагаемая конструкция входного участка полностью учитывает закономерности, которым подчиняются бурные потоки, её расчет базируется на теории управления бурными потоками. Она представляет собой пространственно-искривленный канал виражеобразной формы. Его размеры полностью вписываются в площадку обычно, отводимую для водоотводящих устройств.

Экспериментальная проверка работоспособности входного участка полностью подтвердила ожидаемый результат. Никаких нежелательных волнообразований в виде косых волн, гребней, всплесков, свала потока и т.п. не наблюдалось. Это дает возможность рекомендовать вдвое снизить запас в высоте бортов водоотводящих лотков. Естественным образом предложение приводит к экономии стройматериалов.

4. Апробация в процессе изготовлеши модели входного участка пространственно-искривленной формы новой перспективной высокоточной технологии трехмерного прототипирования позволяет рекомендовать её в производственных условиях в двух вариантах:

- изготовление блоков входного участка с их маркировкой;

- изготовление блоков опалубки с последующей отливкой в них блоков входных участков.

5. Обеспечение при надежном функционировании входного участка восстановления надлежащей работы всей системы водоотведения приведет к соответствующему изменению в лучшую сторону условий работы дорожного покрытия и других элементов автомобильной дороги и, как следствие, к немалому экономическому эффекту.

6. Представляется необходимым изъятие из употребления телескопических откосных лотков, которые, по данным исследований, оказались непригодным для пропуска бурных потоков из-за нежелательных волнообразований, пузырей, саморазгона потока и т.д. Вместо них целесообразно использовать либо обычные лотки прямоугольного сечения, либо лотки из гофрированного железа полукругового сечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Подтверждено, что низкая эффективность существующей системы водоотведения с проезжей части автомобильных дорог связана с невыполнением своего предназначения входным участком системы водоотведения. Установлено, что недостаточная пропускная способность входного участка связана с тем обстоятельством, что существующие варианты его конструкции не учитывают специфику бурных (сверхкритических) потоков, поведение которых во многом прямо противоположно поведению спокойных (докритических) потоков.

2. Предложена новая конструкция входных участков водоотводящих систем автомобильных дорог. Выполнена необходимая схематизация входного участка и определены его геометрические параметры. Использована общая идея и методика гидравлического расчета предлагаемой конструкции, известная как теория управления бурными потоками. Следуя её канонам, задан план поверхностных линий тока, позволяющих соединить русло треугольного сечения прикромочного кювета с руслом прямоугольного сечения водоотводящего лотка. Соответствующее аналитическое выражение было применено для указанной цели впервые.

3. Получено интегральное уравнение свободной поверхности в координатах р0 или формула для расчета её безразмерных отметок. С

использованием уравнения неразрывности для пространственно-искривленного потока предложен метод определения глубин по вертикали и перехода от свободной поверхности к координатам дна.

4. Созданы необходимые программы для ПЭВМ для расчета всех параметров входных участков. Программа написана на языке программирования Visual Basic for Applications и зарегистрирована. Получен патент на конструкцию входного участка.

5. Предложенная конструкция входного участка, представляющая собой виражеобразный канал, имеет поверхность двоякой кривизны, расчет которой производится на базе теории управления бурными потоками. Теоретически это гарантирует отсутствие на свободной поверхности транспортируемого потока нежелательных волнообразований в виде косых волн, гребней, всплесков и т.д.

6. Экспериментальные исследования работоспособности входного участка на крупномасштабной модели (геометрический масштаб составляет 1:5) полностью подтвердили расчетные результаты и показали высокую эффективность его функционирования. Применение для изготовления модели входного участка пространственно-искривленной формы технологии - 3D прототипирования показало высокую надежность и точность этой новейшей технологии, что позволяет рекомендовать использовать её в натурных условиях либо для изготовления блоков входного участка из новых материалов (пластиков), либо для изготовления опалубок для отливки этих блоков.

7. Использование предлагаемой конструкции входных участков системы водоотведения позволит резко повысить её эффективность, а в конечном счете, привести к резкому улучшению условий эксплуатации автомобильных дорог, сокращению объема ремонтных работ, повышению долговечности и другим положительным результатам.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Бабкин И.А. Определение формы дна входного участка системы водоотведения с автомобильных дорог // Вестник СГТУ. — 2014. - №3(72). — С. 172-177.

2. Высоцкий Л.И., Бабкин И.А. Устройство входного участка для водоотвода из прикромочных лотков / Л.И. Высоцкий, И.А. Бабкин // Вестник МАДИ.-2013.-№4.-С. 118-122.

Публикации в других изданиях:

3. Высоцкий Л.И. Новые конструктивные решения сопряжения сложных участков водоотвода автомобильных дорог / Л.И. Высоцкий, Ю.А. Изюмов, И.С. Высоцкий, И.А. Бабкин // Четвертый саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. материалов. - Саратов. - 2009.

4. Высоцкий Л.И. Новые конструктивные решения сопряжения сложных участков водоотвода автомобильных дорог /Л.И. Высоцкий, Ю.А. Изюмов, И.С. Высоцкий, И.А. Бабкин // Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость. - Пенза: Приволжский дом знаний. -2009. - С. 15-17.

5. Babkin I.A. Improvement of highway drainage system // Молодые ученые за инновации: создавая будущее: - Саратов: Изд-во СГТУ. - С. 43-45.

6. Бабкин И.А. Конструирование входных участков водоотвода быстротоков ливневых и талых вод с проезжей части автомобильных дорог // Водоотведение и системы защиты окружающей среды. — Уфа: Издательство "Центр научно-информационного обеспечения" —2011. - С. 52-53.

7. Высоцкий Л.И. Гидравлика бурных потоков применительно к нуждам дорожно-транспортного строительства / Л.И. Высоцкий, Ю.А. Изюмов, И.А. Бабкин // Проблемы транспорта и транспортного хозяйства. - Саратов: Изд-во СГТУ. - 2012. - С. 108-115.

8. Высоцкий Л.И. Выбор формы входных участков косогорных труб // Проблемы транспорта и транспортного хозяйства: / Л.И. Высоцкий, Ю.А. Изюмов, И.А. Бабкин // Проблемы транспорта и транспортного хозяйства. -Саратов: Изд-во СГТУ. - 2012. - С. 116-120.

9. Бабкин И.А. Новое конструктивное решение водоотвода с автомобильных дорог / И.А. Бабкин, Л.И. Высоцкий // Участники школы молодых ученых и программы УМНИК: ММТГ-25. - Саратов: Изд-во СГТУ, - 2012 - С. 60-62.

10. Бабкин И.А., Изюмов Ю.А., Высоцкий Л.И. Водоотвод с автомобильных дорог // Восьмой саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. трудов. - Саратов: Буква. - 2013. - С. 342-343

11. Babkin I. Hydraulic calculation of entrance section of highway drainage system / Igor Babkin, Lev Vysotsky // 7th International Symposium on Environmental Hydraulics. Program & abstract - Singapore, IAHR, - 2014.

12. Babkin I. Hydraulic calculation of entrance section of highway drainage system / Igor Babkin, Lev Vysotsky // 7th International Symposium on Environmental Hydraulics. Conference proceedings. IAHR, - Singapore, IAHR, - 2014.

13. Высоцкий JI.И. Гидравлический расчет входного участка системы водоотведения автомобильных дорог / Л.И. Высоцкий, И.А. Бабкин // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений. Межвуз. науч. сб. — Саратов: Изд-во СГТУ. — 2013. — С. 75-99.

14. Бабкин И.А. Определение размеров входного участка водотводящей системы автомобильных дорог // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений. Межвуз. науч. сб. — Саратов: Изд-во СГТУ.-2013. - С. 117-122.

15. Высоцкий Л.И. Устройство входного участка для водоотвода из прикромочных лотков / Л.И. Высоцкий, И.А. Бабкин // Ресурсоэффективные технологии в строительном комплексе. - Саратов: Изд-во СГТУ. -2014. -С. 188-191.

16. Высоцкий Л.И. Экспериментальные исследования работы входных участков системы водоотвода с автомобильных дорог / Л.И. Высоцкий, И.А. Бабкин // Ресурсоэффективные технологии в строительном комплексе. -Саратов: Изд-во СГТУ. -2014. - С. 191-195.

17. Свидетельство об государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616067. Расчет геометрических параметров входного участка новой системы водоотведения с проезжей части автомобильных дорог / Бабкин И.А., Высоцкий Л.И. - Заявка № 2013613692; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 26.06.2013.

18. Пат. №140593. Российская Федерация, МПК E01F 5/00. Устройство входного участка для водоотвода из прикромочных лотков. / Высоцкий Л.И., Высоцкий И.С., Бабкин И.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГТУ имени Гагарина Ю.А.» - 2013125201/03, заявл. 30.05.2013; опубл. 10.05.2014, Бюл. №13.-2 с.

БАБКИН ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ С ПРОЕЗЖЕЙ ЧАСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Формат: 60x84 1/16. Бумага офсетная. Подписано в печать 05.11.2014. Гарнитура Times New Roman Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,00. Тираж: 100 экз. Заказ: 0485.

Отпечатано с готового оригинал-макета: в типографии ИП «Экспресс-тиражирование» 410005, Саратов; ул. Пугачёва, д.161, оф. 320 Тел.: (8452) 27-26-93.