ВОДОПРОПУСКНАЯ ТРУБА ПОД НАСЫПЬЮ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНО-КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
PIPE CULVERT UNDER BANKED EARTH IN CONDITIONS OF NORTHERN CLIMATIC BUILDING ZONE AND OPERATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении водопропускных труб под насыпями в условиях северной строительно-климатической зоны при наличии наледей и/или сильного снегопереноса.
Известна водопропускная труба под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны с двумя расположенными один над другим каналами. При этом нижний канал (дополнительный) предназначен для пропуска грунтовой воды, способной образовать в верхнем (основном) канале наледь, и этот нижний канал может быть заполнен фильтрующим грунтом [1].
Недостатком такой водопропускной трубы под насыпью являются высокие затраты на создание двухъярусной бетонной трубы. При этом выполнение нижнего канала под днищем верхнего канала не технологично, а его близость к полости верхнего канала при отрицательных температурах воздуха может привести к промерзанию нижнего канала, что усложняет эксплуатацию водопропускного сооружения [2]. Дополнительно водопропускная труба не защищена от полного заполнения ее полости снегом, прежде всего на входе.
Известна двухъярусная водопропускная труба под насыпью, которая выполняется из прямоугольных звеньев, при этом между верхним и нижним ярусами в звеньях выполнены отверстия. При эксплуатации, по меньшей мере, часть полости верхнего яруса остается свободной. Вода весеннего стока осуществляет термоэрозионное разрушение наледи сначала в верхней полости, а затем в нижней полости [3, стр.25-28, п.4.5, рис.10].
Такая водопропускная труба эффективно работает в глубоких логах и наледях большой толщины, однако ее выполнение связано с высокими затратами.
Известна водопропускная труба под насыпью, которая с обоих торцов (оголовков) закрыта крупными включениями дренирующего материала [4]. В такой водопропускной трубе входной оголовок может быть выполнен в виде дополнительной трубы, снабженной впускными отверстиями, размещенной в фильтрующем массиве и расположенной соосно с основной трубой [5] или поперек основной трубы [6].
Фильтрующий массив защищает полость водопропускной трубы от заноса снегом в зимний период и за счет конвекции холодного воздуха способствует сохранению мерзлоты в основании. Однако пропускная способность таких водопропускных труб чрезмерно ограничена, а фильтрующий массив не защищает их от наледи, что сужает область использования таких труб.
Известен способ эксплуатации водопропускной трубы под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны, включающий изучение наледных процессов на водотоке перед водопропускной трубой и строительство противоналедных сооружений, направленных на безналедный пропуск водотока и/или задержание наледей выше водопропускной трубы (валы, диафрагмы, заборы, мерзлотные пояса и др.). При этом в течение всего срока эксплуатации водопропускной трубы проводят мероприятия по борьбе с наледями [3, стр.24-51].
Недостатком такого способа эксплуатации являются высокие затраты на строительство известных противоналедных сооружений и на проведение известных эксплуатационных мероприятий.
Известна водопропускная труба под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны, входной оголовок которой снабжен защитным козырьком (заслонкой), обеспечивающим в холодный период года (т.е. зимний) сохранение у потолка водопропускной трубы от защитного козырька до выходного оголовка полости, свободной от наледи (то же: льда) и/или снега. Весной защитный козырек снимается, и весенний сток происходит сначала в верхней части трубы, а затем по мере таяния наледи опускается ниже, вплоть до полного оттаивания массива наледи в трубе, выполняя этим функцию защиты водопропускной трубы от закупорки наледью [7].
При установке защитный козырек должен быть снабжен надежным уплотнением, а при снятии вмороженный защитный козырек сначала должен быть освобожден от наледи. Дополнительно, в начальный весенний период таяние наледи происходит медленно, поэтому водопроводящая труба может не успеть освободиться полностью от наледи к моменту прохождения пика паводка на водотоке. Все это усложняет эксплуатацию водопропускной трубы и снижает ее эксплуатационную надежность.
Известен способ эксплуатации водопропускной трубы под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны, включающий установку у потолка водопропускной трубы металлической трубы малого диаметра, концы которой через оголовки водопропускной трубы выводят выше прогнозируемого уровня наледи и/или снега, а их торцы снабжают заглушками. В случае полной закупорки водопропускной трубы наледью по этим металлическим трубам весной подается пар, что обеспечивает своевременное образование вокруг металлической трубы начального водопропускного канала [3, стр.50-51, п.6.11, рис.19].
Однако размеры этого начального канала могут оказаться недостаточными, а использование парообразователя усложняет эксплуатацию участка дороги.
Задача, на решение которой направлены заявляемые водопропускная труба под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны и способ ее эксплуатации, заключается в экономии средств и повышении эксплуатационной надежности водопропускной трубы.
Единым техническим результатом, достигаемом при осуществлении заявляемой группы изобретений, является упрощение эксплуатации водопропускной трубы при наличии наледи и/или сильного снегопереноса.
Указанный технический результат достигается тем, что водопропускная труба под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны включает входной оголовок, который снабжен защитным козырьком, обеспечивающим в холодный период года сохранение у потолка водопропускной трубы от козырька до выходного оголовка полости, свободной от наледи и/или снега, при этом непосредственно перед защитным козырьком установлена металлическая труба, нижний конец которой огибает защитный козырек и гидравлически сообщен с верхней частью полости водопропускной трубы, а верхний конец металлической трубы возвышается над прогнозируемой поверхностью наледи и/или снега и снабжен двумя металлическими ребрами, каждое из которых имеет вид вертикально расположенной пластины, обращенной боковой поверхностью на юг.
Дополнительно:
- входной оголовок выполнен коридорного типа и непосредственно перед водопропускной трубой снабжен перекрытием, которое расположено выше потолка водопропускной трубы, а защитный козырек прикреплен к перекрытию на входе и образует под перекрытием полость, гидравлически сообщенную с верхней частью полости водопропускной трубой;
- входной оголовок может содержать трубчатое звено более высокое, чем звенья водопропускной трубы, при этом защитный козырек прикреплен к этому трубчатому звену на входе и образует внутри трубчатого звена полость, гидравлически сообщенную с верхней частью полости водопропускной трубой;
- металлическая труба установлена с наклоном 5-15 градусов на север;
- коэффициент поглощения солнечной радиации пластины ρ≥0,8;
- две пластины выполнены в виде одного цельного листа;
- пластина окрашена темно-красной краской.
Именно снабжение входного оголовка защитным козырьком и металлической трубой с металлическими ребрами по вышеуказанным правилам позволяет в первые весенние дни теплом солнечной радиации, воспринимаемым металлическими ребрами и передаваемым по металлической трубе через наледь и/или снег под защитный козырек, создать непрерывный талый канал вокруг металлической трубы и обеспечить достижение вышеуказанного технического результата.
Указанный технический результат достигается так же тем, что в способе эксплуатации водопропускной трубы под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны, снабженной на входе защитным козырьком и установленной непосредственно перед защитным козырьком металлической трубой, нижний конец которой гидравлически сообщен с верхней частью полости водопропускной трубы, а верхний конец возвышается над прогнозируемой поверхностью наледи и/или снега, согласно изобретению с наступлением теплого периода года после начала таяния снега в металлическую трубу помещают в заданном количестве негашеную известь и производят ее гашение водой до образования в наледи и/или снегу вокруг металлической трубы непрерывного талого канала и его гидравлического сообщения у потолка водопропускной трубы с полостью, свободной от наледи и/или снега. В металлическую трубу помещают поваренную соль и добавляют воду, преимущественно горячую.
Именно прогрев металлической трубы экзотермической реакцией гашения извести, проходящей непосредственно в нижней части полости металлической трубы, в существенной мере способствует достижению вышеуказанного технического результата.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемой водопропускной трубы под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны и способа ее эксплуатации, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с признаками каждого заявляемого изобретения, показал, что они не все следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния существенными признаками каждого из заявляемых изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку водопропускная труба и способ ее эксплуатации предназначены для пропуска водотока под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны при наличии наледей и/или сильного снегопереноса. Заявляемые изобретения решают одну и ту же задачу - экономия средств и повышение эксплуатационной надежности водопропускной трубы.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена водопропускная труба под насыпью. На чертежах условно приняты благоприятные геологические условия в основании водопропускной трубы (смесь гравия, гальки, песка) и не отражены конструктивные элементы, которые могут быть при слабых и многолетнемерзлых грунтах в основании (сильно льдистые и пучинистые).
На фиг.1-2 входной оголовок водопропускной трубы выполнен коридорным, пример 1, а именно: на фиг.1 показан план водопропускной трубы; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1. На фиг.3-4 входной оголовок водопропускной трубы выполнен с более высоким звеном на входе, пример 2, а именно: на фиг.3 показан план водопропускной трубы; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.
Пример 1. Водопропускная труба 1 расположена под насыпью 2 для пропуска водотока 3 и снабжена оголовками: входным 4 и выходным 5. Насыпь 2 расположена на естественной поверхности 6. Входной оголовок 4 выполнен коридорного типа и непосредственно перед водопропускной трубой 1 снабжен перекрытием 7, которое расположено выше потолка 8 водопропускной трубы 1. К перекрытию 7 на его входе прикреплен защитный козырек 9, нижний торец которого расположен ниже потолка 8 водопропускной трубы 1, а сам козырек образует под перекрытием 7 полость 10. Водопропускная труба 1, ее оголовки 4 и 5, а также перекрытие 7 и защитный козырек 9 выполнены из бетона.
Непосредственно у защитного козырька 9 установлена металлическая труба 11, которая наклонена под углом 5-10 градусов на север. Нижний конец 12 металлической трубы 11 огибает по наружной поверхности защитный козырек 9 и гидравлически сообщен с полостью 10 и, соответственно, с верхней частью полости водопропускной трубы 1. Верхний конец 13 металлической трубы 11 возвышается над прогнозируемой поверхностью наледи 14 и снега 15 и снабжен двумя металлическими ребрами, каждое из которых имеет вид вертикально расположенной металлической пластины 16, обращенной боковой поверхностью на юг. Металлическая труба 11 и пластины 16 окрашены темно-красной краской. Труба 11 может быть снабжена патрубком 17 и заглушками (на чертежах заглушки не показаны).
На чертежах обозначены и другие элементы участка дороги, а именно:
18 - уровень наледи (с верховой стороны);
19 - уровень наледи (с низовой стороны);
20 - полость (у потолка водопропускной трубы);
21 - поверхность воды в теплый период года.
Водопропускная труба под насыпью работает следующим образом.
пов
пов
В холодный период года поверхностный сток в водотоке 3 отсутствует, а грунтовые воды подруслового талика при излиянии и замерзании образуют перед водопропускной трубой 1 наледь 14 с практически горизонтальной поверхностью 18, а после выхода из водопропускной трубы 1 наледь 14 имеет форму, вытянутую по уклону i естественной поверхности 6. С верховой стороны уровень 18 наледи 14 может превысить потолок 8 водопропускной трубы 1, а с низовой стороны при достаточном уклоне i естественной поверхности 6 уровень 19 наледи 14 обычно ниже потолка 8 водопропускной трубы 1. В регионах с сильным снегопереносом оголовки 4 и 5 водопропускной трубы 1 могут быть полностью занесены снегом 15. При этом защитный козырек 9 обеспечивает сохранение у потолка 8 водопропускной трубы 1 от защитного козырька 9 до выходного оголовка 5 полости 20, свободной от наледи 14.
В первые весенние теплые дни на местности происходит прогрев снега и его самоуплотнение. Одновременно с этим металлические пластины 16, поверхность которых покрыта темно-красной краской и обладает высоким коэффициентом поглощения солнечной радиации ρ [8], воспринимают солнечное тепло, которое по высокотеплопроводной металлической трубе 11 частично передается во входной оголовок 4. В результате этого происходит образование вокруг металлической трубы 11 непрерывного талого канала от поверхности снега 15 до полости 10, сообщенной с полостью 20. Этому способствует ориентация металлических пластин 16 навстречу солнечным лучам за счет обращения металлических пластин 16 на юг и наклона металлических труб 11 на север. По мере таяния снега 15 вода движется по образовавшемуся вокруг трубы непрерывно прогреваемому талому каналу, размывает его и через выходной оголовок 5 выходит из водопропускной трубы 1. После чего осуществляется пропуск воды сначала в верхней части водопропускной трубы 1, а затем по мере термоэрозионного разрушения наледи 14 сток опускается ниже, вплоть до полного освобождения водопропускной трубы 1 от наледи 14. В последующем свободная поверхность воды 21 (на чертежах изображена пунктиром) при входе в водопропускную трубу устанавливается ниже защитного козырька 9.
Возможность образования талого канала вокруг металлической трубы 11 подтверждается следующим примером оценочного теплотехнического расчета.
2
2
По данным Норильской ЗГМО (г.Норильск) Красноярского края средняя месячная температура воздуха в мае минус 5,3°С [9, табл.2.1], при этом суточная сумма прямой солнечной радиации S на нормальную к лучу поверхность при ясном небе и интегральной прозрачности атмосферы равна 46,77 МДж/м [9, табл.1.4], т.е. 11178 ккал/м. За одни такие благоприятные в мае месяце сутки количество тепла Q, воспринимаемое металлическими пластинами 16 и переданное по металлической трубе 11 в наледно-снеговую толщу, нами оценено по формуле
Q=Swργk,
2
где w=4 м - суммарная площадь металлических пластин;
ρ=0,8 - коэффициент поглощения солнечной радиации металлическими пластинами;
γ=0,8 - коэффициент учитывает угол падения солнечного луча к поверхности металлических пластин;
k=0,5 - коэффициент полезной теплопередачи, учитывает съем тепла с пластин атмосферным воздухом.
2
2
Q=11178 ккал/м·4 м·0,8·0,8·0,5=14308 ккал.
Осторожно полагаем, что только 50% этого тепла расходуется на фазовое превращение льда и снега в воду, т.е. 7154 ккал. Тогда только за одни такие сутки вокруг металлической трубы 11 произойдет таяние льда и снега в количестве около 90 кг, что обеспечивает образование начального водопроводящего канала достаточных размеров.
Пример 2. Водопропускная труба 1 под насыпью 2 отличается от описанной такой трубы в примере 1 выполнением входного оголовка 4, который содержит трубчатое звено 22 более высокое, чем водопропускная труба 1. Защитный козырек 9 прикреплен на входе к трубчатому звену 22 и образует внутри его полость 23, аналогичную полости 10 в примере 1 и гидравлически сообщенную с верхней частью полости водопропускной трубы 1, при этом металлическая труба 11 так же прикреплена к защитному козырьку 9.
Работа такой водосбросной трубы 1 аналогична работе водопропускной трубы 1 в примере 1.
Способ эксплуатации описанной в примерах 1 и 2 водопропускной трубы 1 под насыпью 2 в условиях северной строительно-климатической зоны, снабженной на входе защитным козырьком 9 и установленной непосредственно перед защитным козырьком 9 металлической трубой 11, нижний конец 12 которой гидравлически сообщен с верхней частью полости водопропускной трубы 1, а верхний конец 13 возвышается над прогнозируемой поверхностью 18 наледи 14 и/или снега 15, заключается в следующем. С наступлением теплого периода года одновременно с началом активного таяния снега 15 в металлическую трубу 16 помещают негашеную, например, кальциевую известь. Затем производят гашение водой этой извести в количестве, обеспечивающем образование в наледи 14 и/или снегу 15 вокруг металлической трубы 16 непрерывного талого канала и его гидравлическое сообщение у потолка 9 водопропускной трубы 1 с полостью 20, свободной от наледи 14 и/или снега 15.
Теплота гашения, например, кальциевой извести составляет 1160 кДж/кг СаО [10], т.е. 277 ккал/кг. При гашении 10 кг извести теплота гашения составит 11600 кДж, т.е. 2770 ккал. Осторожно полагаем, что только 50% тепла расходуется на фазовое превращение льда и снега в воду, т.е. 1385 ккал. Тогда вокруг металлической трубы 11 произойдет таяние льда и снега в количестве около 17 кг. Это обеспечит образование вокруг металлической трубы 11, имеющей, например, внешний диаметр 12 см и расположенной во льду на участке 300 см, кольцевого талого канала со средней по длине толщиной около 1,5 см.
Целесообразно с наступлением теплого периода года через патрубок 17 в металлическую трубу 11 дополнительно помещать поваренную соль и горячую воду, т.е. высокотемпературный рассол, который имеет температуру замерзания ниже 0°С. В этом случае в результате гашения извести образуется талый входной канал, а высокотемпературный рассол формирует у выходного оголовка 5 талый выходной канал. Одновременно с этим осуществляют промывку водой металлической трубы 11 с целью ее освобождения от продуктов гашения извести.
Эффективность образования непрерывного талого канала на всей длине водопропускной трубы 1, включая оголовки 4 и 5, существенно повышается в случае снабжения металлической трубы 11 металлическими пластинами 16, обеспечивающими подачу в водопропускную трубу 1 дополнительного тепла солнечной радиации.
После всего этого осуществляется пропуск воды сначала в верхней части водопропускной трубы 1, а затем по мере термоэрозионного разрушения наледи 14 сток опускается ниже, вплоть до полного освобождения водопропускной трубы 1 от наледи 14.
Достижение технического результата - упрощение эксплуатации водопропускной трубы при наличии наледи и/или сильного снегопереноса наиболее полно обеспечивается при взаимосвязанном выполнении всех существенных признаков заявляемой водопропускной трубы под насыпью и способа ее эксплуатации. Действительно, образование талого канала вокруг металлической трубы 11 в верхней части наледно-снегового слоя происходит преимущественно за счет тепла солнечной радиации, воспринимаемого металлическими пластинами 16 (устройство), а в нижней части, у козырька 9 - за счет тепла, выделяемого экзотермической реакцией извести (способ). Поэтому суммарный эффект одновременного использования двух заявляемых изобретений существенно превышает простую сумму эффектов от использования каждого изобретения отдельно. Хотя технический результат при относительно легких наледно-снеговых условиях может быть достигнут за счет только одного заявляемого изобретения - устройства или способа.
Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленных объектов следует отметить также дополнительные их достоинства - простота и доступность известных средств и методов, воплощающих изобретения, и их очевидная способность обеспечить получение указанного технического результата. Все это указывает на соответствие заявляемых изобретений условию патентования «промышленная применимость».
Источники
1. Водопропускные трубы для железных и автомобильных дорог при расчетной температуре -40°С и ниже, глубоком сезонном промерзании и наледях. Типовые конструкции 3.501-65: Прямоугольные бетонные трубы. Вып.III. Минтрансстрой, Главпроект, с.58-59.
2. Авторское свидетельство СССР №1548311, кл. E01F 5/00, опубл. 07.03.90.
3. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации искусственных сооружений автомобильных дорог на водотоках с наледями / Воронежский инж. строит, ин-т. М: Транспорт, 1989.
4. Патент Российской Федерации №2292412, кл. E01F 5/00, опубл. 27.01.2007.
5. Патент Российской Федерации №73885, кл. E01F 5/00, опубл. 10.06.2008.
6. Патент Российской Федерации №2303675, кл. E01F 5/00, опубл. 27.07.2007.
7. Заявка Российской Федерации №2005128403, кл. E01F 5/00, опубл. 20.03.2007.
8. СП-23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: ФГУП·ЦПП, 2004. С.39-40, табл.14.
9. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, часть 1-6, выпуск 21, книга 1.
10. Строительные материалы: Справочник / А.С.Болдырев, П.П.Золотов, А.Н.Люсов и др.; Под ред. А.С.Болдырева, П.П.Золотова. - М.: Стройиздат, 1989. С.46.
Обозначения
1 - водопропускная труба
2 - насыпь
3 - водоток
4 - входной оголовок
5 - выходной оголовок
6 - естественная поверхность
7 - перекрытие
8 - потолок (водопропускной трубы)
9 - защитный козырек
10 - полость (под перекрытием)
11 - металлическая труба
12 - нижний конец (металлической трубы)
13 - верхний конец (металлической трубы)
14 - наледь (то же: лед)
15 - снег
16 - металлическая пластина (ребро)
17 - патрубок
18 - уровень наледи (с верховой стороны)
19 - уровень наледи (с низовой стороны)
20 - полость (у потолка водопропускной трубы)
21 - поверхность воды в теплый период года
22 - трубчатое звено
23 - полость (внутри трубчатого звена)