УЧАСТОК АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ С ВОДОПРОПУСКНОЙ ТРУБОЙ ПОД НАСЫПЬЮ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНО-КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ
SECTION OF MOTOR ROAD WITH CULVERT UNDER EMBANKMENT IN CONDITIONS OF NORTHERN CONSTRUCTION-CLIMATIC ZONE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении водопропускных труб под насыпями автомобильных дорог в условиях северной строительно-климатической зоны при наличии наледей и/или сильного снегопереноса.
Известен участок автомобильной дороги с водопропускной трубой под насыпью в условиях северной строительно-климатической зоны, содержащий бетонную трубу 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 такого участка автомобильной дороги с водопропускной трубой под насыпью являются высокие затраты на создание двухъярусной бетонной трубы. При этом выполнение нижнего канала под днищем верхнего канала нетехнологично, 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 двухярусная 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 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 эффективно 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.
Известна водопропускная труба под насыпью, содержащая у потолка металлическую трубу малого диаметра, концы которой через оголовки водопропускной трубы выведены выше прогнозируемого уровня наледи и/или снега, а их торцы снабжены 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.
Известна водопропускная труба под насыпью, которая на входе в верхней части содержит защитный козырек (заслонку), который весной снимается, после чего сток происходит сначала в верхней части трубы, а затем по мере таяния наледи (то же: льда) опускается ниже, вплоть до полного оттаивания массива наледи в трубе [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 период таяние наледи происходит медленно, поэтому водопропускная труба может не успеть освободиться полностью от наледи к моменту прохождения пика паводка на водотоке. Все это усложняет эксплуатацию участка дороги и снижает его эксплуатационную надежность.
Известен участок автомобильной дороги, на обочинах которой выполнены продольные лотки системы отвода воды с поверхности покрытия автомобильной дороги со сбросом воды по откосам насыпи посредством специальных устройств [8].
Особенностью такого участка автомобильной дороги является то, что уже в первые весенние теплые дни на поверхности дороги и в лотках появляется сток от таяния снега и от осадков, в то время как на местности сток образуется позже, так как в течение 10-20 дней происходит только прогрев снега и его самоуплотнение. При этом подогретая солнечной радиацией вода из лотков непродуктивно сбрасывается на местность, в то время как частично заполненная наледью и/или снегом полость водопропускной трубы практически не прогревается, а вход в нее остается закрытым, что усложняет эксплуатацию участка дороги и снижает его эксплуатационную надежность.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в экономии средств и повышении эксплуатационной надежности участка автомобильной дороги в условиях северной строительно-климатической зоны, а технический результат заключается в упрощении эксплуатации водопропускной трубы при наличии наледи и/или сильного снегопереноса.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что участок автомобильной дороги имеет продольный уклон в сторону водопропускной трубы и снабжен сбросной трубой системы отвода воды с поверхности дороги, а входной оголовок водопропускной трубы снабжен защитным козырьком, обеспечивающим в холодное время года сохранение у потолка водопропускной трубы от защитного козырька до выходного оголовка полости, свободной ото льда и/или снега, при этом защитный козырек выполнен из металла в виде забрала в нижней части и в виде возвышающейся, по меньшей мере, над наледью пластины в верхней части, причем сбросная труба примыкает к внутренней поверхности забрала с образованием выпускного зазора, обеспечивающего направление воды из сбросной трубы на вогнутую поверхность забрала.
Дополнительно:
- входной оголовок выполнен коридорного типа и непосредственно перед водопропускной трубой снабжен перекрытием, расположенным выше потолка водопропускной трубы, а защитный козырек на входе прикреплен к перекрытию, при этом забрало защитного козырька образует под перекрытием дополнительную полость, гидравлически сообщенную со сбросной трубой;
- входной оголовок содержит трубчатое звено, более высокое, чем водопропускная труба, а защитный козырек прикреплен на входе к этому трубчатому звену, при этом забрало защитного козырька образует внутри трубчатого звена дополнительную полость, гидравлически сообщенную со сбросной трубой;
- пластина защитного козырька снабжена, по меньшей мере, одной дополнительной пластиной, которая обращена боковой поверхностью на юг и сварным швом присоединена к пластине защитного козырька;
- дополнительная пластина установлена с наклоном 5-15 градусов на север;
- коэффициент поглощения солнечной радиации пластины защитного козырька и ее дополнительной пластины ρ≥0,8;
- пластина защитного козырька и ее дополнительная пластина окрашены темно-красной краской.
Именно выполнение участка автомобильной дороги и входного оголовка водопропускной трубы по указанным правилам позволяет в первые весенние теплые дни прогреть защитный козырек снизу теплом стока с поверхности дороги, а сверху - непосредственно теплом солнечной радиации, воспринимаемым металлической пластиной защитного козырька и ее металлической дополнительной пластиной, и создать, таким образом, по всей высоте защитного козырька непрерывный в виде щели талый канал, который обеспечит начальное течение талой воды по свободной от наледи и/или снега полости в верхней части водопропускной трубы. При необходимости по сбросной трубе на забрало защитного козырька может быть подано тепло в виде, например, горячей воды и/или негашеной кальциевой извести. Все это обеспечивает упрощение эксплуатации водопропускной трубы при наличии наледи и/или сильного снежного заноса.
Авторам не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичную заявленной, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «новизна».
Приведенные сведения, по мнению авторов, также подтверждают соответствие заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображен участок автомобильной дороги. 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 участка дороги; 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 участка дороги; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3.
дор
Пример 1. Участок автомобильной дороги содержит насыпь 1, расположенную на естественной поверхности 2, и имеет продольный уклон i в сторону водопропускной трубы 3, снабженной оголовками: входным 4 и выходным 5. Входной оголовок 4 выполнен коридорного типа и непосредственно перед водопропускной трубой снабжен перекрытием 6, которое расположено выше потолка 7 водопропускной трубы 3. К перекрытию 6 на его входе прикреплен защитный козырек (далее: козырек) 8, который выполнен из металла в виде забрала 9 в нижней части и в виде пластины 10, выступающей из наледи 11, в верхней части. Забрало 9 образует под перекрытием 6 полость 12, а пластина 10 снабжена дополнительной пластиной 13, которая своей прорезью надета на пластину 10, обращена боковой поверхностью на юг, наклонена на 5-15 градусов на север и сварным швом скреплена с пластиной 10 (прорезь, сварной шов и элементы жесткости козырька 8 на чертежах не отражены).
Дорога снабжена системой отвода воды с покрытия 14, которая состоит из верхового продольного лотка 15, расположенного на верховой обочине 16, низового продольного лотка 17, расположенного на низовой обочине 18, сбросных лотков соответственно верхового 19 и низового 20 и сбросных труб соответственно верховой 21 и низовой 22. Верховая сбросная труба 21 примыкает к внутренней поверхности забрала 9 с образованием выпускного зазора (не обозначен), который обеспечивает направление воды на вогнутую поверхность забрала 9 и растекание воды по этой поверхности.
Пластина 10 и дополнительная пластина 13 окрашены темно-красной краской, что обеспечивает поглощение ими солнечной радиации ρ≥0,8 [9].
На чертежах обозначены и другие элементы участка дороги, а именно:
23 - водоток;
24 - уровень наледи (с верховой стороны);
25 - уровень наледи (с низовой стороны);
26 - снег;
27 - полость (у потолка водопропускной трубы);
28 - заслонка;
29 - поверхность воды.
Участок дороги работает следующим образом.
пов
пов
Участок дороги пересекает водоток 23 периодического действия. В холодный период года (т.е. зимой) поверхностный сток отсутствует, а грунтовые воды подруслового талика при излиянии и замерзании образуют перед водопропускной трубой 3 наледь 11 с практически горизонтальной поверхностью 24, а после выхода из водопропускной трубы 3 наледь 11 приобретает форму, вытянутую по уклону i естественной поверхности 2. С верховой стороны уровень 24 наледи 11 может превысить потолок 7 водопропускной трубы 3, а с низовой стороны при достаточном уклоне iестественной поверхности 2 уровень 25 наледи 11 обычно ниже потолка 7 водопропускной трубы 3. В регионах с сильным снегопереносом оголовки 4 и 5 водопропускной трубы 3 могут быть полностью занесены снегом 26. При этом защитный козырек 8 обеспечивает сохранение у потолка 7 водопропускной трубы 3 от защитного козырька 8 до выходного оголовка 5 полости 27, свободной от наледи 11 и снега 26. Одновременно покрытие 14 покрывается снегом и гололедом, а продольные лотки 17 и 19 заносятся снегом. Заслонки 28 предотвращают заполнение снегом сбросных труб 21 и 22.
В первые весенние теплые дни на местности происходит прогрев снега и его самоуплотнение, а на покрытии 14 дороги и в продольных лотках 15 и 17 от таяния снега и от атмосферных осадков практически сразу появляется сток. Подогретая солнечной радиацией вода из верхового продольного лотка 15 по верховому сбросному лотку 19 и верховой сбросной трубе 21 сливается на вогнутую (внутреннюю) поверхность забрала 9. Одновременно с этим верхняя часть металлической пластины 10 и дополнительная пластина 13, поверхность которых покрыта темно-красной краской и обладает высоким коэффициентом поглощения солнечной радиации ρ [9], воспринимают солнечное тепло, которое по высокотеплопроводному сварному шву и металлической пластине 10 частично передается во входной оголовок 4, вплоть до забрала 9. В результате этого по всей высоте козырька 8 создается непрерывный в виде щели талый канал, который обеспечивает начальное течение талой воды по свободной от наледи и/или снега полости 27 у потолка водопропускной трубы 3. Этому способствует прямая ориентация дополнительной пластин 13 к солнечным лучам за счет обращения этой пластины 13 на юг и ее наклону на север.
Одновременно с этим вода из низового продольного лотка 17 по низовому сбросному лотку 20 и низовой сбросной трубе 22 поступает в выходной оголовок 5 и раскупоривает его от снега 26.
По мере таяния снега 26 вода с верховой стороны движется по образовавшемуся непрерывно прогреваемому талому каналу, размывает его и через выходной оголовок 5 выходит из водопропускной трубы 3. После чего осуществляется пропуск воды сначала в верхней части водопропускной трубы 1, а затем по мере термоэрозионного разрушения наледи 11 сток опускается ниже, вплоть до полного освобождения водопропускной трубы 3 от наледи 11. В последующем свободная поверхность воды 29 (на чертежах изображена пунктиром) на входе в водопропускную трубу устанавливается ниже козырька 8.
При необходимости по верховой сбросной трубе 21 на забрало 9 может быть подано тепло в виде горячей воды и/или негашеной, например, кальциевой извести, теплота гашения которой составляет в среднем 1160 кДж/кг. Это тепло существенно повышает интенсивность образования начального талого канала во входном оголовке 4.
Возможность образования начального талого канала у наружной поверхности козырька 8 подтверждается следующим оценочным теплотехническим расчетом.
2
2
По данным Норильской ЗГМО (г.Норильск) Красноярского края средняя месячная температура воздуха в мае минус 5,3°С [10, 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 [10, табл.1.4], т.е. 11178 ккал/м. За одни такие благоприятные сутки количество тепла Q, воспринятое дополнительной металлической пластиной 13 и переданное по металлической пластине 10 в наледноснеговую толщу, нами оценено по формуле
Q=S w ρ γ k,
2
где w=2 м - площадь дополнительной пластины;
ρ=0,8 - коэффициент поглощения солнечной радиации дополнительной пластиной;
γ=0,8 - коэффициент учитывает угол падения солнечного луча к поверхности дополнительной пластине пластины;
k=0,5 - коэффициент полезной теплопередачи, учитывает съем тепла с дополнительной пластины атмосферным воздухом.
2
2
Q=11178 ккал/м·2 м·0,8·0,8·0,5=7154 ккал.
Осторожно полагаем, что только 50% этого тепла расходуется на фазовое превращение льда и снега в воду, т.е. 3577 ккал. Тогда только за одни такие сутки и только за счет солнечного тепла, поступающего на козырек 8 с дополнительной пластины 13, произойдет таяние льда, прилегающего к пластине 10, в количестве около 45 кг. Это уже обеспечит образование начального водопроводящего канала достаточных размеров до забрала 9, которое от наледи освобождено теплом стока с поверхности дороги.
Пример 2. Участок автомобильной дороги отличается от описанного участка в примере 1 выполнением входного оголовка 4, который содержит трубчатое звено 30, более высокое, чем водопропускная труба 3. Защитный козырек 8 прикреплен на входе к трубчатому звену 30 и образует внутри его полость 31, гидравлически сообщенную с верховой сбросной трубой 32, верхняя часть которой заполнена крупнообломочным грунтом 33, уложенным на решетку 34. Низовая сбросная труба 35 гидравлически сообщена с полостью водосбросной трубы 3 в пределах выходного оголовка 5. Эта труба 35 может быть вертикальной и заполненной крупнообломочным грунтом 33.
Работа этого участка дороги аналогична вышеописанному участку в примере 1. При этом крупнообломочный грунт 33 предотвращает попадание в сбросные трубы 32 и 35 крупных предметов и снега.
Как в первом примере, так и во втором при относительно легких наледных и снеговых условиях технический результат, особенно при южной ориентации пластины 10 козырька 8, может быть достигнут без использования дополнительной пластины 13.
Изобретение упрощает эксплуатацию водопропускной трубы при наличии наледи и/или сильного снежного заноса, следовательно, экономит средства и повышает эксплуатационную надежность участка автомобильной дороги.
Использованные 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. Проектирование автомобильных дорог: Справочник инженера-дорожника. / Под ред. Г.А.Федотова. М.: Транспорт, 1999. С.212.
9. СП-23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: ФГУП-ЦПП, 2004. С.39-40, табл.14.
10. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, часть 1-6, выпуск 21, книга 1.
Обозначения
1 - насыпь
2 - естественная поверхность
3 - водопропускная труба
4 - входной оголовок
5 - выходной оголовок
6 - перекрытие
7 - потолок (водопропускной трубы)
8 - защитный козырек (далее: козырек)
9 - забрало (козырька)
10 - пластина (козырька)
11 - наледь (то же: лед)
12 - полость (под перекрытием)
13 - дополнительная пластина
14 - покрытие
15 - верховой продольный лоток
16 - верховая обочина
17 - низовой продольный лоток
18 - низовая обочина
19 - верховой сбросной лоток
20 - низовой сбросной лоток
21 - верховая сбросная труба
22 - низовая сбросная труба
23 - водоток
24 - уровень наледи (с верховой стороны)
25 - уровень наледи (с низовой стороны)
26 - снег
27 - полость (у потолка водопропускной трубы)
28 - заслонка
29 - поверхность воды
Пример 2
30 - трубчатое звено
31 - полость (внутри трубчатого звена)
32 - верховая сбросная труба
33 - крупнообломочный материал
34 - решетка
35 - низовая сбросная труба