И искусственными препятствиями (дюкеры, эстакады, переходы)

Самотечные трубопроводы часто пересекаются с различными естественными и искусственными препятствиями. К естественным препятствиям относятся ручьи, реки, овраги, суходолы, а к искусственным препятствиям – автомобильные и железные дороги, подземные коллекторы, трубопроводы различного назначения, кабели, пешеходные переходы, линии метрополитена и другие сооружения.

Конструкция пересечения зависит от взаимного высотного расположения (разности отметок) трубопровода и препятствия. В зависимости от этого возможны три случая их пересечения.

1. Если трубопровод непосредственно пересекается с препятствием, т. е. трубопровод и препятствие расположены на одной и той же отметке или разность их незначительна, то пересечение выполняется в виде дюкера – напорного трубопровода, соединяющего два самотечных трубопровода. На рис. 4.13 показана схема дюкера через реку.

Рис. 4.13. Схема дюкера через реку:

I – напорные трубопроводы; II – верхняя камера; III – нижняя камера;

1 – подводящий самотечный трубопровод; 2 – щитовые затворы;

3 –задвижки; 4 – аварийный выпуск

Дюкер состоит из следующих основных элементов: напорных трубопроводов, верхней и нижней камер. Напорные трубопроводы дюкера выполняются не менее чем из двух ниток стальных труб с усиленной антикоррозионной изоляцией. Диаметр их должен быть не менее 150 мм. Обе нитки должны быть рабочими. Лишь при небольших расходах допускается устройство дюкера с одной рабочей и одной резервной трубой.

Дюкер укладывается в траншее по дну русла. Угол наклона (α) восходящей части дюкера должен быть не более 20°. Глубина заложения подводной части трубопровода должна приниматься не менее А = 0,5 м до верха трубы, а в пределах фарватера на судоходных реках – не менее h = 1,0 м. Расстояние между трубами дюкера в свету должно быть не меньше b = 0,7…1,5 м (в зависимости от напора воды и других особенностей устройства дюкера).

Аварийный выпуск может быть проложен из верхней камеры или из ближайшего колодца перед ним. Его устройство должно быть согласовано со всеми органами, которые осуществляют контроль по охране и использованию водоема. В период паводков при высоком уровне вод в реке аварийный выпуск может использоваться для промывки дюкера. Промывка осуществляется следующим образом: при открытой задвижке на аварийном выпуске вода из водоема в результате разности отметок воды в нем и в отводящем самотечном трубопроводе устремляется через аврийный выпуск в напорные трубопроводы, двигаясь там с большой скоростью, интенсивно промывает их.

Верхняя камера дюкера состоит из двух отделений: первого – мокрого и второго – сухого. Эти отделения разделяются между собой водонепроницаемой перегородкой. В пределах первого отделения самотечный трубопровод переходит в открытые лотки. Первое отделение может подтопляться водой при повышенных расходах сточных вод, при снижении пропускной способности дюкера или при его промывке. Этим и объясняется название отделения – мокрое.

В окончания лотков перед трубами дюкера устанавливаются плоские затворы – шиберы. В сухом отделении размещаются напорные трубы дюкера с задвижками. При установке двух отключающих устройств в верхней камере повышается надежность регулирования работы дюкера в случае выхода из строя одной из ниток трубопровода.

Каждое отделение верхней камеры должно иметь горловину и оканчиваться (оборудоваться) люком с крышкой. Превышение люка камер под высоким уровнем вод в водоеме должно быть не менее h₂ = = 0,5 м.

Нижняя камера дюкера устраивается в виде одного отделения, где напорные трубопроводы переходят в открытые лотки, в начале которых должны устанавливаться щитовые затворы. На рис. 4.14 показана конструкция верхней и нижней камер дюкера из сборного железобетона диаметром 150–400 мм.

Камеры дюкера размещаются на незатопляемой даже при высоком уровне воды в водоеме территории. Дюкеры должны располагаться в местах с устойчивым, неразмываемым руслом, на участках с минимальной шириной реки. Трубопроводы дюкера прокладываются перпендикулярно руслу реки для обеспечения минимальной длины труб. При большой протяженности дюкера на трубах следует устраивать колодцы или камеры с ревизиями, а в пониженных местах – выпуски для опорожнения дюкера (обычно при широкой затопляемой пойме реки).

б

а

Рис. 4.14. Конструкция верхней (а)и нижней (б) камер

Все линии дюкера принимаются рабочими и рассчитываются на пропуск расхода

(4.6)

где q_p – расчетный расход через дюкер;

n – число рабочих линий.

Диаметр труб определяют, исходя из условия обеспечения самоочищающих скоростей, ≥ 1,0 м/с, по формуле

(4.7)

Вода в трубах дюкера движется с заданной скоростью, в результате наличия перепада уровней воды ∆h в верхней и нижней камерах, которая равна потерям напора в дюкере и определяется по формуле

(4.8)

где h_l = il – потери напора по длине трубы;

h_м – потери напора в местных сопротивлениях;

i – гидравлический уклон (потери напора на единицу длины трубы);

l – длина трубопроводов дюкера;

ν_р – скорость движения воды в трубах при расчетных условиях;

g – ускорение свободного падения.

Сумма коэффициентов равна:

∑ξ_i = ξ_вх + ξ_задв + mξ_отв + ξ_вых , (4.9)

где ξ_вх, ξ_задв, ξ_отв, ξ_вых – коэффициенты местных сопротивлений соответственно на входе, в задвижке, в отводах и на выходе;

m – число отводов.

Дюкер является коротким трубопроводом, в котором потери напора в местных сопротивлениях соизмеримы с потерями напора по длине труб, поэтому при определении потерь напора учитываются и местные сопротивления.

В случае выхода одной нитки трубопровода дюкера из строя оставшаяся должна обеспечить пропуск всего расчетного расхода с учетом допустимого подпора. При подпоре будет происходить подтопление верхней камеры дюкера и лежащих выше участков подводящих самотечных трубопроводов. Очевидно, что при подтоплении не должно происходить излива, сточной жидкости из камеры дюкера и смотровых колодцев. Подтопление трубопроводов не должно приводить к перебоям в пользовании системой водоотведения и вызывать затопления подвалов и других частей зданий и сооружений. Следует иметь в виду, что даже допустимый подпор может отрицательно сказаться на работе водоотводящей сети. При подпоре трубопроводы будут работать под напором и полным сечением, снизятся скорости движения воды в них, а это, в свою очередь, приведет к отложению осадка. Поэтому подпор не должен вызывать подтопления трубопроводов большой протяженности. Подтопление не должно быть длительным. Величина допустимого подтопления подводящего коллектора определяется на основе анализа работы лежащих выше участков сети.

Если приняты две рабочие линии дюкера, то расчет следует начинать с предположения о необходимости пропуска по одной линии 75 % расхода. Таким образом, вначале величину ∆h следует определить при расходе q₂ = 0,75q_р. При этом расходе находится и скорость ν_р. Затем вычисляются потери напора в дюкере при пропуске всего расчетного расхода по одной линии и решается вопрос о допустимости получающегося подтопления. Если подтопление окажется недопустимым, то расход по одной линии увеличивается. Если подтопление вообще недопустимо, то расчет величины ∆h ведется при условии пропуска всего расхода q_р по одной линии дюкера.

Дюкеры могут устраиваться и при пересечении самотечного трубопровода с автомобильными и железными дорогами, если они проходят в выемках (рис. 4.15). В этом случае трубопроводы прокладываются в футлярах (металлических или железобетонных) или осуществляется их обетонировка. В остальном дюкеры под железными и автомобильными дорогами проектируются аналогично проектированию дюкеров через реки.

Рис. 4.15. Переход под железной дорогой дюкером

При непосредственном пересечении водоотводящего трубопровода с препятствием переход может быть осуществлен также в виде сифона (рис. 4.16). Для зарядки сифона необходимо предусматривать вакуумное устройство в самой высокой точке. Высота сифона Н определяется расчетом. Обычно она не превышает 5–7 м. Применение дюкера такой конструкции может потребоваться при невозможности остановки транспорта и необходимости проведения работ в сжатые сроки.

Рис. 4.16. Схема сифона:

1 – подводящий трубопровод; 2 – вакуум-насос; 3 – труба сифона;

4 – отводящий трубопровод

2. Если трубопроводы располагаются ниже препятствия (отметка трубопровода значительно меньше отметки препятствия), то пересечение выполняется в виде самотечного трубопровода из усиленных стальных или железобетонных труб, уложенных в футлярах, непроходных или проходных тоннелях. Глубина заложения трубы, футляра или тоннеля должна быть не менее 1 м – при открытом способе производства работ и не менее 1,5 м – при закрытом. Длину футляра определяют, исходя из размеров препятствия. Поперечные размеры футляра и тоннеля зависят от способов производства работ и размеров трубопровода. При открытом способе производства работ диаметр футляра следует принимать не менее чем на 200 мм больше наружного диаметра трубопровода. При закрытом способе размеры футляра должны определяться с учетом условий производства работ и техники безопасности.

Кожухи и тоннели предназначены для предохранения рабочего трубопровода от нагрузок, возникающих при движении транспорта над ним. Одновременно кожух предохраняет дорогу от разрушения в случае аварии трубопровода. Футляры должны устраиваться с противокоррозионной изоляцией (торкретбетонное армированное, битумно-резиновое, полимерное покрытие) и защитой от электрической и химической коррозии (катодная поляризация с протекторными установками). Пространство между стенками футляра и трубопровода надлежит заполнять бетоном. До и после пересечения желательно устройство смотровых колодцев с отключающими устройствами.

Футляры при бестраншейной проходке прокладываются прокалыванием, продавливанием или методом горизонтального бурения. Самотечные коллекторы большого поперечного сечения прокладываются под препятствием в тоннелях, которые сооружаются способом щитовой или штольной проходки.

3. Если трубопровод располагается значительно выше препятствия (при пересечении оврагов, суходолов), то пересечение выполняется в виде самотечного трубопровода, уложенного по эстакаде (рис. 4.17) или существующему мосту. Эстакада – конструкция, представляющая собой мост на опорах (деревянный или из сборных железобетонных элементов), который одновременно может использоваться как пешеходный мост. Самотечный трубопровод из длинномерных металлических, железобетонных или асбестоцементных труб прокладывается по эстакаде в утепленном коробе. Диаметры труб, наполнение и скорости течения в них принимаются такими же, как и на лежащем выше участке коллектора. До и после эстакады желательно устройство колодцев с отключающими устройствами. Перед эстакадой целесообразно также устройство аварийного выпуска. На трубопроводе для прочистки труб устанавливают ревизии на расстояниях, равных расстояниям между линейными смотровыми колодцами. К выбору трассы эстакады предъявляются такие же требования, как и к трассировке дюкера.

Рис. 4.17. Железобетонная эстакада

через овраг