Схемы каналов, тоннелей и трубопроводов

Просадочные при оттаивании грунты в основании тоннеля или канала следует заменять на расчетную величину оттаивания непросадочными грунтами (рис. 16).

Рис. 16. Конструкция канала на просадочных при оттаивании грунтах

1 — замененный грунт; 2 — глинобетон; 3 — песчаная подготовка; 4 — дренаж; 5 — дренажные отверстия; 6, 7 — железобетонные секции; 8 — обратная засыпка

Вместо замены грунта допускается протаивание и тщательное уплотнение грунтов основания.

Для трубопроводов, прокладываемых в тоннелях или каналах, следует предусматривать раздельную кольцевую теплоизоляцию.

Тоннели или каналы надлежит проектировать с уклоном не менее 0,002; при укладке в них канализационных трубопроводов уклон тоннелей или каналов определяется уклоном трубопроводов.

Уклон тоннелей или каналов должен обеспечивать выпуск аварийной воды в пониженные участки местности за чертой города или в систему канализации. При плоском рельефе местности для удаления аварийной воды допускается предусматривать насосные станции.

Для смыва и транспортирования по дну тоннеля или канала наносов, поступающих с поверхностными сточными водами, на водопроводной сети следует предусматривать установку через 150 — 200 м незамерзающих поливочных кранов.

Следует предусматривать вентиляцию подземных тоннелей и каналов. Рекомендуется принимать естественную систему вентиляции с использованием гравитационного и ветрового напоров; при этом число приточных и вытяжных шахт (рис. 17) должно быть минимальным.

Рис. 17. Схема вентиляции канала

1, 2 — верхний и нижний ярусы канала; 3 — входная вентиляционная шахта; 4 — вытяжная вентиляционная шахта; 5 — отверстие для вентиляции

Необходимо предусматривать меры предохранения вентиляционных шахт от заносов и завалов снегом.

Принудительную вентиляцию тоннелей и каналов, расположенных в населенных пунктах, применять не рекомендуется, ее допускается применять для тоннелей и каналов, расположенных на территории промышленных предприятий и предназначенных для одновременной прокладки технологических трубопроводов с большими тепловыделениями.

Для приточных и вытяжных шахт должна предусматриваться установка регулирующих заслонок.

На водопроводах, прокладываемых в тоннелях или каналах, следует устанавливать самоуплотняющиеся компенсаторы.

Для исключения возможности протекания воды вдоль стенок тоннеля или канала следует предусматривать устройство поперечных глинобетонных перемычек, врезаемых в боковые стенки и дно траншей на 1 м ; при этом применяемый глинобетон должен иметь следующий состав, %:

Жирная глина ................ 30

Песок .............................. 20

Щебень и галька ........... 50

Вода в количестве, обеспечивающем консистенцию глинобетона, при которой осадка конуса равна нулю.

Под тоннелями и каналами следует предусматривать устройство основания из песчаной подготовки толщиной до 15 см , слоя глинобетона толщиной до 20 см или замененного и уплотненного слоя грунта, толщина которого определяется теплотехническим расчетом.

Устройство каналов допускается предусматривать на коротких участках трассы (пересечение улиц, дорог) с непросадочными при оттаивании грунтами или при замене просадочных грунтов непросадочными.

Рисунок 18. Надземная прокладка трубопроводов на общих лежневых опорах

Рисунок 19. Надземная прокладка трубопроводов на общих свайных опорах.

Прокладку водопроводов и коллекторов вне населенных пунктов следует предусматривать вблизи дорог.

Трубопроводы следует прокладывать вдоль улиц в разделительных полосах между проезжими частями.

Расстояния в свету от подземных трубопроводов до фундаментов зданий и сооружений надлежит принимать в зависимости от результатов теплотехнических расчетов, но не менее 6 м при бесканальной прокладке трубопроводов.

Всеми схемами водоснабжения должна предусматриваться установка автоматических выпусков воды.

Рисунок 20. Схемы водоснабжения

а — водопроводная кольцевая; б — тупиковая с сухой резервирующей перемычкой; в, г — с автоматической защитой от замерзания: 1 — водовод; 2 — резервуар; 3 — насосная станция; 4 — распределительная сеть; 5 — колодец; 6 — водоразборная колонка; 7 — насосная станция на водозаборе; 8 — автоматический выпуск; автоматический выпуск с телеустройством; 10 — передача сигнала; 11 — диспетчерский пункт; 12 — магистральный водовод; 13 — специальная задвижка для сухих перемычек

Рекомендуется централизованная система канализации, позволяющая осуществлять сбор и отвод стоков от возможно большего числа объектов.

Тоннели или каналы для инженерных сетей, прокладываемых в вечномерзлых грунтах, могут быть одноярусными, двухъярусными и двухсекционными (рис. 21).

Рисунок 21. Схемы проходных каналов

а — одноярусный; б — двухъярусный; в — двухсекционный; 1 — тепловые сети; 2 — водопровод; 3 — канализация; 4 — электрические кабели; 5 — технологические трубопроводы

Тип тоннели или канала должен определяться в зависимости от результатов технико-экономического сравнения вариантов; при этом необходимо учитывать:

одноярусный наиболее экономичен;

двухъярусный с отдельным ярусом для канализационных труб облегчает прокладку канализационных труб с необходимым уклоном;

двухсекционный с вертикальной разделяющей стенкой экономичен при размещении в нем большого количества трубопроводов различного назначения;

подземный целесообразно применять в городах и поселках с компактной многоэтажной застройкой для совмещенной прокладки инженерных коммуникаций.

Рисунок 22.Параболическое сечение

Для русел, смоченный периметр которых очерчен по квадратичной параболе с уравнением y² = 2px (рис 1), имеем: p – параметр параболы; h – глубина наполнения, м; B – ширина по верху сечения, м; τ = h/p – относительная глубина.

Для основных элементов сечения имеем следующие соотношения:

1

2

где N – выражение в квадратных скобках.

3

4

Роль текучей воды на земле громадна и всегда обращала на себя внимание человека, недаром с глубокой древности многие реки были олицетворены; и в глазах современной науки реки являются наиболее активным элементом физической географии. Одни из них спокойны имеют медленное течение и правильные подъемы воды, которые легко предвидеть; другие - быстро и стремительно несут бурные воды внезапно вздымают свой уровень и так же внезапно понижают его.

Но реки являются географическим фактором не только сами но себе, они в то же время неустанно работают над изменением лиЯ земли; результаты этой геологической работы текучей воды, суммируясь на протяжении веков, бывают настолько велики, что страны совершенно утрачивают свой первоначальный вид: там, где вздымались некогда высокие горы, в настоящее время мы находим частой лишь волнистую равнину, а, с другой стороны, высокие плоскогорья превращены в гористые или холмистые местности.

Жизнь человека находится в такой тесной связи с режимом текучих вод, что само собой понятен тот высокий интерес, которые проявляет человек по отношению к рекам. Большие реки служат наиболее дешевыми естественными путями сообщения во многих странах, а на далеком севере это часто единственные пути сообщения и не только летом, но и зимой, когда их закованная льдом поверхность представляет наилучшую дорогу. Даже в пустынных странах, как, например, в Сахаре, сухие русла рек определяют направление караванных путей. С незапамятных времен Аму-Дарья (древний Оксус), Сыр-Дарья (древний Яксарт) определяли направление торговых путей через Среднюю Азию. Быстрая колонизация некоторых стран как, например, Канады, средней части Соединенных Штатов Америки и Сибири, делается понятной лишь в том случае, если принять во внимание расположение рек в этих странах. Удобства, которые представляют реки как пути сообщения, притягивают население к их берегам и являются одним из факторов возникновения городов, в особенности в местах пересечения речных путей. Еще большее значение имеют реки как посредники между океаном и внутренними частями стран, недаром недалеко от их устья возникли величайшие торговые города как Лондон, Роттердам, Антверпен, Гамбург, Александрия, Калькутта, Шанхай, Монреаль, Квебек, Новый Орлеан, Монтевидео, Ленинград и др.

С другой стороны, разливы некоторых рек, как, например, Нила, Тигра и Евфрата, дали возможность развиться цивилизации у самых границ пустыни. Значение рек в жизни страны столь велико, что во всех культурных государствах возникли специальные организации для изучения гидрографии, и давно уже приступлено к систематическому изучению рек и их режима. Во Франции учреждение Service nydrometrique de la Seine предшествовало учреждению метеорологических станций, в Германии издан ряд ценных монографий, посвященных изучению всех больших рек, начиная от Рейна и кончая Вислой, в Соединенных Штатах Америки систематическое изучение рек ведет Geological Survey. Сильные и опустошительные разливы Дуная и в особенности его притоков Тиссы, Мароша и других в Венгрии повели к созданию целой сети гидрологических учреждений с центральной станцией в Будапеште. Из рек СССР более подробному обследованию в XIX столетии подвергались Днепр, Волга и ряд других рек; в конце XIX столетия в Европейской России, кроме того, работала специальная экспедиция по обследованию истоков важнейших рек, под общим руководством А. А. Тилло, давшая ценный материал по гидрологии верховий ваших основных водных артерий. После Великой пролетарской революции изучение рек в СССР развернулось с нигде невиданной широтой и глубиной; создались специальные научно-исследовательские учреждения (Гидрологический институт и др.), ведется всестороннее изучение рек, их режима и бассейнов в связи с новыми грандиозными сооружениями: Днепрострой, Волховстрой, Веломорско-Балтийский капал, Большая Волга, канал Москва - Волга и многие другие. Издается ряд специальных органов, выросла большая монографическая литература, расширена сеть наблюдательных станций.
Наиболее характерной особенностью каждой реки является ее режим, т. е. изменение на протяжении года ее уровней: расходов, наносов, температуры, химизма и т. д. Чтобы выяснить режим реки, необходимо определить отношение, какое существует между количеством осадков, выпавших в ее бассейне, и массой воды, стекающей рекой.

Для определения же этой последней достаточно знать площадь поперечного сечения реки (так называемое живое сечение) и среднюю скорость ее течения в данном месте, так как произведение этих двух величии и дает нам искомое количество воды, протекающее рекой в определенную единицу времени, например в секунду, в минуту и т. д. Однако определение расхода воды в реке в течение более или менее значительного промежутка времени, а в особенности целого года, нелегкая задача, так как и скорость течения и живое сечение-реки постоянно изменяются на протяжении года.
Определение скорости течения производится или при помощи простых поплавков, например бутылок, или при помощи более точных приборов, называемых вертушками.

Наблюдения показывают, что скорость течения в реке обычно уменьшается от верховьев вниз по течению. Причина этого заключается в том, что вода при своем движении испытывает трение, как внешнее о дно, берега и о воздух, так и внутреннее, вследствие неодинаковой скорости и различного направления движения частиц воды. В конце концов препятствия, испытываемые водой при ее движении, настолько велики, что поглощают все ускорение, приобретаемое водой при падении от истоков к устью.
Вследствие трения в данном живом сечении реки наибольшая скорость (в случае правильного поперечника реки) находится в середине, но не на поверхности, а на некоторой небольшой глубине, так как на поверхности вода испытывает трение о воздух. В случае несимметричности живого сечения наибольшая скорость будет над самой глубокой ложбиной реки, ближе к одному из берегов. Соединяя точки поперечных сечений реки, в которых течение наиболее быстрое, получим извилистую линию, которая называется стрежнем, или осью, реки. Наглядное понятие о распределении скоростей в данном живом сечении реки можно получить, соединив линиями - изотахами - точки, имеющие одинаковую скорость. По середине высшей изотахи проходит стрежень реки.

Если ветра нет и шероховатость дна обычна, то на каждой отдельной вертикали наибольшая скорость будет находиться от поверхности еа расстоянии приблизительно 1/5 глубины вертикали.
Положение точки с наибольшей скоростью определяется соотношением между скоростями поверхностной и придонной (соотношением трения поверхностного и продольного). Увеличение шероховатости дна повлечет за собой уменьшение придонной скорости и соответствующее приближение точки с наибольшей скоростью к поверхности.

Встречный ветер, усиливая трение, уменьшает поверхностную скорость и удаляет наибольшую скорость от поверхности. В случае, если поверхностная скорость равна при этом придонной, наибольшая скорость окажется по середине вертикали. Зимой подо льдом, с сильно шероховатой нижней поверхностью, наибольшая скорость перемещается ближе ко дну.
Ветер, дующий по направлению течения, будет не тормозить поверхностные слои воды, а подгонять их, поэтому наибольшая скорость по вертикали поднимется на поверхность.

Таким образом, скорость течения определяется:

1) уклоном поверхности реки;

2) формой русла;

3) шероховатостью русла.

При этом нужно иметь в виду, что скорость определяется уклоном поверхности воды в реке, а не уклоном русла. Если поверхность воды горизонтальна (например перед плотиной), то течения не будет.
Формула Шези, давая зависимость скорости от факторов, ее определяющих, позволяет предвидеть, как будет меняться скорость при изменении этих факторов.

Вследствие неодинаковых скоростей движения воды в живом сечении поверхность реки не является горизонтальной; при повышении уровня реки к середине притекает более воды, чем к краям, и поверхность принимает выпуклый вид, что весьма наглядно обнаруживается, например, в наших реках до вскрытия льда: лед вследствие прибыли воды к середине принимает также выпуклую форму, причем поверхностные талые воды собираются около берегов, образуя здесь длинные лужи, тогда как поверхность льда посредине остается сухой. При спаде вод стекает наибольшее количество воды серединой реки, и поверхность реки принимает вогнутую форму. Проистекающая от этого разность уровней в Миссисипи достигает 2 м.
Кроме того, поперечный профиль реки искажается центробежной силой, силой Кориолиса, происходящей от вращения земли, и сгононагонными ветрами, дующими поперек реки. Различают два типа движения жидкости - ламинарное и турбулентное.

Если скорость в каждой точке изобразить вектором (стрелкой, дающей направление скорости и ее величину), то при ламинарном движении вектор скорости в каждой заданной точке будет постоянен, не будет меняться. Такое движение жидкости наблюдается в узких трубочках при малых скоростях. В природе к ламинарному приближается движение подземных вод по мелким порам. Частным случаем ламинарного движения будет параллелоструйное.
Турбулентное движение характеризуется непостоянством, изменчивостью вектора скорости в каждой заданной точке живого сечения или вертикали. Эта изменчивость называется пульсацией. Таким образом, при турбулентном движении каждая отдельная частица воды, приходя в заданную точку, будет проходить ее в разных направлениях и с разной линейной скоростью. Турбулентное движение широко распространено в природе. Все достаточно быстро текущие поверхностные воды турбулентные. Можно с уверенностью утверждать, что реки имеют только турбулентное течение. Частным случаем турбулентного движения является вихревое (водовороты, воронки и т. д.).
Вектор скорости турбулентного движения можно разложить на составляющие - горизонтальную, вертикальную и боковую. Горизонтальная составляющая характеризует снос по течению, а вертикальная - перемещение частиц воды вверх или вниз.

Значение турбулентности речного течения исключительно велико. Ею определяется перемешивание речной воды и перенос материала во взвешенном состоянии.

Количество (объем) воды, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, называется расходом реки. Расход за продолжительное время называется стоком. Обычно различают сток годовой, месячный, суточный.

Зная массу воды, протекающей рекой в разные времена года, мы можем составить представление о ее режиме. Для наглядности можно выразить изменение расхода воды графически, обозначая количество воды, протекающее в данное время, прямоугольниками, пропорциональными соответствующим массам воды. Так как определение расхода сопряжено с большими трудностями и произведено для небольшого числа рек, то часто ограничиваются лишь наблюдениями по водомерной рейке над колебанием уровня реки и на основании этих колебаний судят и об изменении расхода, получая эмпирические формулы зависимости расхода от высоты уровня. Эти формулы теряют смысл, если русло неустойчиво (размывается или заносится).

Выпавшие на поверхности осадки, как известно, стекают, растворяются и просачиваются. Просочившаяся вода рано или поздно или испарится или присоединится к стоку, поэтому в среднем за большой промежуток времени можно считать, что выпавшая вода частью испаряется, а частью стекает. Если коэффициент стока равен 30%, то, это значит, что из общего количества выпавших осадков 30% стекли, а остальные 70% испарились.
Величина коэффициента стока определяется общей географической обстановкой - климатом, рельефом, растительностью. Так, для река северной Европы - Невы, Северной Двины, Печоры и др. - коэффициент стока больше 60%, для Дона он около 15%, для Нила - около 4%, для Амазонки - около 30%. Громадное испарение в бассейне Нила и слабое на севере Европы и дает такой резкий контраст.

В разные годы для одной и той же реки коэффициент стока меняется в зависимости от количества осадков. Во влажные годы коэффициент стока больше, в засушливые - меньше.

В бессточных областях коэффициент стока равен нулю.
Среди причин, обусловливающих коэффициент стока, на первое место надо поставить климат данной местности. Температура влияет на форму выпадающих осадков и на ход испарения. Высокая температура и малая влажность уменьшают поверхностный сток и прекращают действие неглубоких источников. Во время зимнего покоя прекращается испарение растительности, промерзшая почва мешает проникновению воды в глубину. В местностях с продолжительными холодными зимами выпавший на зиму снег остается лежать до весны. Весной же коэффициент стока сильно повышается талыми водами.

Рельеф тоже оказывает влияние на величину коэффициента стока: значительной величины склон облегчает сток даже на проницаемых породах. Горные потоки после дождя несут громадное количество вод, а в без дождевое время почти пересыхают, не вследствие недостатка осадков, а вследствие того, что воды их слишком быстро стекают. Проницаемые породы обусловливают более равномерный сток, непроницаемые - режим потоков.

В горных местностях лес благотворно действует на режим рек, замедляя сток воды и тем предохраняя горные склоны от размыва. Вообще лес имеет регулирующее влияние на речной сток, уменьшая размер половодья и сохраняя запасы влаги к началу лета. Болота же, вопреки распространенному мнению,, неблагоприятны для питания рек. Торф, подобно губке, во влажное время впитывает много воды, а в жары много испаряет. По исследованиям Оппокова, осушение болот не только не влечет за собой обмеления рек, но содействует более правильному их питанию.

Кроме коэффициента стока для характеристики стока пользуются также модулем стока.

Модулем стока называется выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в одну секунду с 1 кв. км площади бассейна. Инженер Кочерин построил карту изолиний модуля стока для Европейской территории Союза. Зная средний модуль стока бассейна, можно рассчитать величину годового стока, умножив модуль стока на число секунд в году и на площадь бассейна.

Также очевидно, что модуль стока тесно связан с количеством осадков, испарением, рельефом, растительностью и характером поверхности. В 1937 г. вышла работа В. Д. Зайкова и С. Ю. Белинкова, которая представляет собой сводку новейших данных по стоку рек СССР. Карты, построенные Зайковым и Белинковым, охваты

Лекция №17