Проектирование и расчет дренажа в выемке, расположенной в сложных гидрологических условиях

Для защиты земляного полотна от вредного воздействия грунтовых вод применяются устройства, называемые дренажами. Дренажи служат для понижения уровня или перехвата грунтовых вод и снижения влажности грунта основной площадки земляного полотна. Они отбирают из грунта только гравитационную и связанную с ней капиллярную воду.

Исходные данные к расчету дренажа

1. Глубина выемки, м.

2. Род грунта.

3. Глубина промерзания грунта (по оси пути) от поверхности балластного слоя, м.

4. Отметка бровки земляного полотна, м.

5. Отметка дна водоносного слоя, м.

6. Отметка уровня грунтовых вод до их понижения, м.

7. Длина дренажа как водосброса, м.

8. Продольный уклон дна кювета выемки, ‰.

9. Удельный вес грунта, кН/м³.

10. Максимальная молекулярная влагоемкость, %.

11. Средний уклон кривой депрессии, доли.

12. Коэффициент фильтрации, м/с.

13. Высота капиллярного поднятия воды в грунте, м.

2.2. Выбор типа дренажа

Тип дренажа и место его заложения выбирается на основе анализа данных гидрогеологического обследования, назначаемых сроков осушения, экономических соображений и прочих сведений. В курсовом проекте проектируется подкюветный дренаж так как предстоит осушать основную площадку.

В зависимости от условий работы дренажа и желаемых сроков осушения дренаж может быть запроектирован с одной или с обеих сторон основной площадки.

Односторонний дренаж целесообразен на однопутном участке или при явно выраженном поперечном уклоне грунтового потока в сторону дренажа. Двусторонний дренаж предусматривается на двухпутном или многопутном участке пути в случае не явно выраженного уклона поверхности грунтового потока, а также в условиях, когда земляное полотно сложено из сильновлагоемких грунтов.

Если грунтовые воды безнапорные то выбирается дренаж горизонтальный, траншейного типа, трубчатый, закрытый.

Трасса дренажа совпадает с трассой кювета.

Проектирование профиля дренажа определяется существующим положением железнодорожной линии, то есть продольная ось дренажа принимается параллельной железнодорожной трассе.

2.3. Оценка технической эффективности устройства дренажа

Эффективность устройства гравитационного дренажа оценивается коэффициентом водоотдачи и величиной снижения весовой влажности грунта ∆ , определяемым по формулам:

, (2.1)

, (2.2)

где m_o - объем пор, из которых вытекает вода при осушении грунта;

W_м - максимальная молекулярная влагоемкость осушаемого грунта;

α - количество капиллярно застрявшей воды, в долях от W_м, (α=0,1…0,12);

ρ_w- удельный вес воды, кН/м³;

γ_ск - удельный вес грунта, кН/м³;

(2.3)

где - плотность частиц грунта, т/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

- пористость грунта водоносного слоя, залегающего под основной площадкой.

(2.4)

где - коэффициент пористости грунта, определяемый по компрессионной кривой грунта выемки (ветвь нагрузки) для напряжения σ_о=σ_вс+σ_п.

Объем пор, из которых вытекает вода при осушении грунта, определяется по формуле:

, (2.5)

где α – доля капиллярно застрявшей воды;

ρ_w –плотность воды, кН/м³;

Если µ≥0,2, то устройство дренажа будет эффективным мероприятием по осушению грунта основной площадки выемки и ликвидации ее деформации

2.4. Определение глубины заложения дренажа

Глубина заложения дренажа должна быть достаточной для осушения рабочей зоны грунта в пределах сезоннопромерзающей толщи.

Глубина промерзания определяется по расчетной вертикали, проходящей через бровку балластной призмы для однопутного участка и по оси земляного полотна для двухпутного участка.

Глубина заложения дренажа, отсчитываемая от дна кювета до дна прорези, определяется по формуле:

, (2.6)

где z₁₀ - глубина промерзания грунта, м;

е – величина возможного колебания уровня капиллярных вод и глубины промерзания (е=0,2-0,3) м;

- высота подъема капиллярной воды над кривой депрессии, м;

f – стрела прогиба кривой депрессии, м, определяется по формуле:

, (2.7)

где М – расстояние от стенки траншеи до расчетной вертикали, м;

І_о – средний уклон кривой депрессии, доли;

h_о – расстояние по вертикали от верха трубы до дна дренажа, м;

b – расстояние по вертикали от дна кювета до верха балластной призмы, определяется по формуле:

, (2.8)

где h_кюв – глубина кювета, м;

h_б.п. – высота балластной призмы, м;

h_сл.пр. – высота сливной призмы, м;

Ширина траншеи 2d принимается в зависимости от ее глубины: при h ≤ 2,5м 2d = 0,8 м, при 2,5м<h≤6м 2d =1,0 м. В любом случае ширина траншеи должна быть не менее двух диаметров дренажной трубы.

В курсовом проекте необходимо уточнить тип дренажа по расположению его дна относительно кровли водоупора.

Отметка дна дренажа определяется по формуле:

(2.9)

где Г_Б – отметка бровки земляного полотна, м;

h_кюв – глубина кювета, м.

Если отметка дна дренажа выше отметки кровли водоупора, то проектируемый дренаж несовершенного типа. Если дно дренажа доходит до кровли водоупора и врезается в него, то проектируемый дренаж совершенного типа.

Мощность части водоносного слоя выше дна дренажа, определяется по формуле:

Н=Г_ГГВ –Г_Д, (2.10)

где Г_ГГВ - отметка уровня грунтовых вод до их понижения, м.

Мощность водоносного слоя от дна дренажа до водоупора:

Т=Г_Д -Г_ДВ, (2.11)

где Г_ДВ - отметка дна водоносного слоя, м.

Глубина заложения дренажа на низовом участке сохраняется, так как уклон дна дренажа устраивается параллельно уклону дна кювета.

2.5. Расчет расхода воды в дренаж

При расчете расхода воды в дренаж используются следующие предпосылки и допущения: до устройства дренажа зеркало грунтового потока полагается горизонтальным, а скорость течения воды равной нулю; запасы воды считаются неограниченными; расход воды определяется на 1 пог. м длины дренажа.

Для одностороннего несовершенного дренажа расход воды на метр его длины включает составляющие расходов воды с полевой стороны из зон А и Б (q_А+Б) и с полевой стороны из зоны В (q_В).

Полный расход воды в одностороннем дренаже определяется по формуле:

. (2.12)

Для двустороннего несовершенного дренажа расход воды на метр его длины включает составляющие расходов воды с полевой стороны из зон А и Б (q_А+Б), с полевой стороны из зоны В (q_В), с междренажной стороны дна зоны Г (q_Г) и с междренажного пространства зон Д и Е (q_Д+Е).

Полный расход воды в двустороннем дренаже определяется по формуле:

(2.13)

Расход воды из зон А и Б определяется по формуле:

, (2.14)

где Н - мощность части водоносного слоя выше дна дренажа, м;

h₀ - расстояние от дна дренажа до верха трубы, м;

J₀ - средний уклон кривой депрессии;

k - коэффициент фильтрации, м/с

ε₀ - высота высачивания воды в кривой депрессии, определяется по формуле:

, (2.15)

Расход воды с полевой стороны дна дренажа зоны В определяется по формуле Р.Р. Чугаева:

, (2.16)

Значение q_r устанавливается по графикам по значениям и предварительно найденными из уравнения:

, (2.17)

. (2.18)

где Т - мощность водоносного слоя от дна дренажа до водоупора, м;

d – полуширина дренажной траншеи, м;

L₀ - длина проекции кривой депрессии на горизонталь, определяемая по формуле:

. (2.19)

Если β ≤ 3, то q_r определяется по графику, приведенному на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. График для определения q_r=f(α,β)

Если β > 3, то q_r определяется по формуле:

, (2.20)

определяется по графику, приведенному на рисунке 2.2, в зависимости от , которая определяется по формуле:

, (2.21)

Расход воды с междудренажной стороны дна зоны Г определяется по формуле Р.Р. Чугаева:

, (2.22)

где f – стрела прогиба кривой депрессии, м.

Расход воды из междудренажного пространства зон Д и Е определяется по формуле:

(2.23)

При совершенном дренаже отсутствуют составляющие расхода со стороны дна. В этом случае расчеты упрощаются. Полный расход воды на 1 м для двустороннего совершенного дренажа определяется по формуле:

, (2.24)

Рис. 2.2. График для определения

Полный расход воды на 1 м для одностороннего совершенного дренажа определяется по формуле

. (2.25)

Для предупреждения механической суффозии мелких частиц из грунта выемки в дренирующий заполнитель или из дренирующего заполнителя в щели или зазоры труб входная скорость фильтрации должна быть меньше допустимой:

, (2.26)

. (2.27)

Определяются входные скорости с полевых сторон и сравниваются с допустимыми. Входные скорости с полевых сторон определяются по формуле:

, (2.28)

Входные скорости со стороны дна определяются по формуле:

, (2.29)

2.6. Гидравлический расчёт дренажных труб

Целью расчета является определение диаметра дренажной трубы.

Расчёт сечения трубы производится методом последовательных попыток, т. е. вначале задаются некоторым сечением и в дальнейшем проверяется соответствие принятого сечения требуемой пропускной способности.

В большинстве случаев этим требованиям удовлетворяют круглые трубы диаметром d, равным 150мм. Диаметр трубы обычно назначается из условия удобства осмотра трубы и ее прочистки.

После назначения диаметра трубы производится поверочный расчёт.

Пропускная способность трубы проверяется по условию:

Q_расч≤Q_пр, (2.30)

где Q_расч - расчетная пропускная способность, м³/с;

Q_пр - практическая пропускная способность трубофильтра на концевом участке, м³/с.

Расчетная пропускная способность дренажной трубы определяется по формуле:

, (2.31)

где l - длина дренажа, как водосбора, м;

m_Г - коэффициент, учитывающий возможность постепенного загрязнения трубы, (m_Г=1,5).

Расчет пропускной способности трубы выполняется по формуле:

, (2.32)

где площадь сечения трубы, м², определяется по формуле:

, (2.33)

v – скорость течения воды в трубе, м/с, определяется по формуле:

, (2.34)

где C -коэффициент Шези, определяемый по формуле:

, (2.35)

гидравлический радиус трубы круглого сечения, м, определяется по формуле:

, (2.36)

i - продольный уклон трубы на расчётном участке;

n - коэффициент шероховатости труб, (для гончарных, бетонных и асбоцементных труб n=0,012);

у=0,164, т.к. R_T < 1 м.

Мощность дренирующей засыпки из среднезернистого песка может быть принята равной . Тогда верхний изолирующий элемент дренажной прорези, состоящий из уплотнённого местного грунта, в верховом сечении дренажа будет иметь размер по высоте:

(2.37)