Дюкери та труби-зливопроводи

Дюкери – це напірні трубопроводи, які влаштовуються для подолання перешкод, що зустрічаються на трасі каналу чи водоводу, у вигляді балок, долин, рік, доріг тощо. Вони споруджуються, коли будівництво акведуків технічно неможливе (відмітки каналу і перешкоди дуже близькі і немає можливості подати воду над перешкодою) або недоцільне (вартість численних високих опор акведука дуже велика).

За матеріалом розрізняються дерев'яні, бетонні, залізобетонні, металеві та комбіновані дюкери. Дерев'яні дюкери витримують напори до 20 м, але через їх недовговічність останнім часом використовуються дуже рідко. При напорах 30...50 м влаштовуються бетонні дюкери, а залізобетонні дюкери з попередньо напруженою арматурою витримують напори до 100 м. Металеві (стальні) дюкери можуть споруджуватися практично при будь-яких напорах, але через їх велику вартість потребують спеціального обґрунтування.

Рис. 7.3. Дюкер колодязного типу: 1 – вхідний колодязь; 2 – грязьовий; 3 – горизонтальна труба; 4 – вихідний колодязь; 5 – решітка

 

За числом ниток трубопроводів дюкери бувають одноочкові та багатоочкові. За умовами експлуатації та виконання робіт розрізняються заглиблені в грунт (рис. 7.3) та у кладені на поверхні (рис. 7.4), варіант вибирається на основі техніко-економічного порівняння. При подоланні широких долин річок чи суходільних балок дюкери частіше прокладаються на їх поверхні, вони економічніші, ніж акведуки.

Рис. 7.4. Схема довгого незаглибленого дюкера: 1 – анкерні опори; 2 – проміжні опори

 

За конструктивними особливостями дюкери поділяються на шахтні або колодязні (7.3) - для пропуску малих витрат при невеликих напорах, та складної конструкції - для великих витрат і напорів. До дюкерів ставляться такі основні вимоги: можливість систематичного огляду, ремонту та очищення в процесі експлуатації; водонепроникність швів, незамулюваність при пропуску малих витрат; відвід фільтраційної води за межі споруди.

Складові частини та конструктивні особливості дюкерів. Основними частинами невеликого дюкера (рис. 7.3) є вхідний і вихідний вертикальні колодязі та напірна горизонтальна труба, а у дюкера складної конструкції (рис. 7.4) вхідний та вихідний оголовки, анкерні та проміжні опори. Для всіх типів дюкерів обов'язковим елементом є спрягаючі ділянки з каналом. Допоміжні частини – це решітки на оголовку, затвори, службові містки, водовипускні пристрої для спорожнення дюкера.

Поперечні перерізи труб дюкерів найчастіше бувають круглі та прямокутні. Круглий поперечний переріз зручний у виконанні та в гідравлічному відношенні і добре сприймає внутрішній тиск. При невеликому внутрішньому і великому зовнішньому навантаженні (заглиблені дюкери) поперечному перерізу труб дюкерів іноді надаєтьсяформа короба. Трубопроводи дюкерів виконуються з окремих ланок труб заводського виготовлення. Вхідний та вихідний оголовки, незалежно від матеріалу труб, виконуються з бетону чи залізобетону. Верхній край труби дюкера повинен бути занурений під мінімальний рівень води в каналі на Δh, (рис. 7.3), що визначається гідравлічним розрахунком,

, (7.3)

де V_д – швидкість води в дюкері; V_к – швидкість в підвідному каналі.

Гідравлічні та статичні розрахунки дюкерів. пропускна спроможність дюкера визначається за залежністю (6.20). при цьому середня швидкість в трубі приймається в межах 1,5...4,0 м/с, але не менше, ніж швидкість в каналі.

Особливість роботи відносно довгих дюкерів полягає в тому, що при пропуску мінімальних витрат рівень води перед дюкером іноді знижується і утворюється крива спаду з виникненням гідравлічного стрибка в трубі. Тобто, фактична різниця рівнів води на дюкері z_{min. дійсн.}, яка визначає пропускну спроможність дюкера, виявляється меншою, ніж різниця рівнів води в каналах z_{min. факт.}. Гідравлічний стрибок, що виникає при цьому, призводить до значних пульсацій тиску в трубі та розладу швів. Для недопущення цього явища верхній край труби заглиблюється під рівень води на Δh (рис. 7.3, залежність 7.3), підпирається рівень води на вихідному оголовку з допомогою спиць та решіток, чи понижується дно каналу при вході в дюкер. Якщо дюкери працюють в зимових умовах, то виконуються термічні розрахунки на обмерзання та перевірка пропускної спроможності для цих умов.

Статичні розрахунки дюкерів виконуються як для труб, чи замкнутих рам. При цьому для дюкерів першого типу (труб) розглядається два випадки: на трубу діє навантаження від засипки (зовні) при відсутності води в ній; на трубу діє навантаження від тиску води (зсередини) при відсутності засипки. Дюкери другого типу (рами) розраховуються лише за другим випадком. За обчисленими поперечними силами та згинаючими моментами підбирається арматура (залізобетонний дюкер) чи товщина стінки (металевий дюкер).

На меліоративних каналах з витратами до 10 м³/с використовуються типові конструкції дюкерів із збірного залізобетону.

Труби-зливопроводи (зливоспуски) служать для пропуску невеликих водотоків (струмків, зливових і талих вод тощо) під каналами, залізничними та автомобільними шляхами, які збудовані в насипу. Витрати води, що протікають по трубах, різні, а певні періоди вони взагалі можуть бути сухими.

За матеріалом труби можуть бути бетонними, залізобетонними, кам'яними, цегляними та металевими. Поперечний переріз труб переважно буває круглим та прямокутним. За числом ниток зливоспуски бувають одноочкові – при невеликих витратах, та багатоочкові – при пропуску великих витрат.

Для забезпечення плавного входу та виходу потоку вхідні та вихідні ділянки зливоспусків оснащуються оголовками. Найчастіше застосовуються портальні та розтрубні оголовки. Дно русла перед трубою і особливо за трубою закріплюється кам'яним накидом чи бетонними плитами, щоб недопустити підмиву конструкції.

Трубчасті мостові переходи, які влаштовуються на меліоративній мережі в місцях перетину каналів і господарських доріг для переїзду сільськогосподарської техніки, за конструкцією схожі на зливоспуски, хоча їх часто виділяють в окрему групу. Такі переїзди являють собою труби, які укладені горизонтально по дну каналу і засипані зверху шаром грунту. Найчастіше застосовуються бетонні, залізобетонні чи азбестоцементні труби круглого поперечного перерізу заводського виготовлення. На виході влаштовують оголовки аналогічно зливоспускам.

 

Тема 8. Спрягаючі споруди

8.1. Швидкотоки (конструкція)

Швидкотоками називаються спрягаючі споруди у вигляді лотоків, що мають уклон дна більше за критичний і переводять воду з верхнього каналу в нижній без відокремлення потоку від лотока (рис. 8.1).

За гідравлічними та конструктивними особливостями швидкотік можна розділити на кілька характерних частин (рис.8.1): вхід, лотік, гаситель і вихід.

Вхідна частина забезпечує перехід від каналу до споруди. Якщо ширина каналу низом в_к більша, ніж ширина лотока в_л, то вхідна ділянка має дві частини. Першу можна назвати перехідною, яка служить для плавного переходу потоку від більшої ширини каналу до меншої ширини споруди. Друга частина – це водозлив з широким прогоном і паралельними стінками, яку часто називають водозливною.

Поперечний переріз вхідної частини може бути прямокутним чи трапецієвидним.

Спряження каналу з вхідною ділянкою споруди виконується у вигляді зворотних та пірнаючих стінок, косих площин тощо, як і для регулюючих споруд. Поріг водозливної частини розміщується на відмітці дна каналу.

Рис. 8.1. Бетонний швидкотік: 1 – підвідний канал; 2 – вхід; 3 – лотік; 4 – гаситель; 5 – вихід; 6 – відвідний канал

 

Лотік – це основна частина швидкотока Поперечний переріз лотока може бути прямокутним, трапецієвидним, трикутним, полігональним та іншої форми. За гідравлічними умовами роботи кращим вважається прямокутний.

Довжина лотока визначається різницею відміток дна верхнього та нижнього каналів і уклоном дна лотока. Лотік швидкотоку, по можливості, повторює уклон природної поверхні і при зміні уклону місцевості його уклон може також змінюватись. На трасах меліоративних каналів уклони лотоків швидкотоків і_л, як правило, більші за критичні і_сr, але менші за допустимі і_аdm, які підраховані за залежністю (6.11).

Матеріал лотока повинен витримувати швидкості 8...15 м/с. Лотік по довжині через 5...20 м розрізується температурно-конструктивними швами на секції.

Для зменшення фільтраційного тиску на стінки та підошву споруди влаштовується застінний дренаж. Для цього вздовж стінок швидкотоку укладаються перфоровані труби з обсипкою їх зворотним фільтром, а через 15...20 м по довжині влаштовуються оглядові колодязі. Фільтраційна вода відводиться в нижній б'єф вище його рівня.

Гасителі енергії потоку влаштовуються, як правило, в кінці лотока.

Найбільш поширеними гасителями є водобійні колодязі, але можуть застосовуватись і інші конструкції гасителів.

Вихід влаштовується за гасителями в кінці швидкотоку в більшості випадків у вигляді розтрубу. З метою недопущення відриву потоку рекомендується кут розпуску в плані β однієї з стінок приймати в межах 8 – 14^о (рис. 8.1). Спряження вихідної ділянки з каналом виконують у вигляді зворотних стінок, рідше пірнаючих стінок чи косих площин. Довжину вихідної ділянки S орієнтовно приймають в межах 2 – 5 глибини каналу, ув'язуючи з довжиною ділянки розпуску стінок розтрубу в залежності від кута β. Досить часто в межах вихідної ділянки влаштовується водобійний колодязь. При цьому її довжина ув'язується з довжиною колодязя.