stringtranslate.com

Кульверт

Водопропускная труба с надежной оголовком в Бромсгроуве , Англия
Каменная водопропускная труба в Хаапсалу , Эстония
Стальная водопропускная труба с небольшим бассейном под ней
Многосекционная водопропускная труба в Италии
Сборный бетонный коробчатый водопропускной канал
Большая прямоугольная водопропускная труба на Рио-Монтерросо

Водопропускная труба — это сооружение, которое направляет воду мимо препятствия или в подземный водный путь. Обычно вмонтированная так, чтобы быть окруженной почвой, водопропускная труба может быть сделана из трубы , железобетона или другого материала. В Соединенном Королевстве это слово может также использоваться для более длинного искусственно зарытого водотока . [1]

Водопропускные трубы обычно используются как поперечные водостоки для облегчения дренажа канав на обочине дороги, так и для пропуска воды под дорогой в местах естественного дренажа и пересечения ручьев. Когда они находятся под дорогами, они часто пусты. Водопропускная труба также может быть похожей на мост конструкцией, предназначенной для того, чтобы транспортные средства или пешеходы могли пересекать водный путь, обеспечивая при этом достаточный проход для воды. Сухие водопропускные трубы используются для направления пожарного шланга под шумозащитным барьером для облегчения тушения пожара вдоль шоссе без необходимости или опасности размещения гидрантов вдоль самой дороги.

Водопропускные трубы бывают разных размеров и форм, включая круглые, эллиптические, с плоским дном, с открытым дном, грушевидные и коробчатые конструкции. Выбор типа и формы водопропускной трубы зависит от ряда факторов, включая требования к гидравлическим характеристикам, ограничения по высоте поверхности воды выше по течению и высоту насыпи дороги. [2]

Процесс удаления водопропускных труб для восстановления открытого водотока известен как daylighting . В Великобритании эта практика также известна как deculverting. [3]

Материалы

Стальная гофрированная водопропускная труба с отводом на выпускном конце, северный Вермонт

Водопропускные трубы могут быть построены из различных материалов, включая монолитный или сборный бетон (армированный или неармированный), оцинкованную сталь , алюминий или пластик (обычно полиэтилен высокой плотности ). Два или более материалов могут быть объединены для формирования композитных конструкций. Например, гофрированные стальные конструкции с открытым дном часто строятся на бетонных фундаментах.

Проектирование и инжиниринг

Водопропускная труба под дамбой реки Висла и улица в Варшаве

Строительство или установка на месте водопропускной трубы обычно приводит к нарушению почвы на участке, берегов или русла ручья , а также может привести к возникновению нежелательных проблем, таких как размывы или оползни берегов, прилегающих к конструкции водопропускной трубы. [2] [4]

Водопропускные трубы должны быть правильного размера и установлены, а также защищены от эрозии и размыва. Многие агентства США, такие как Федеральное управление шоссейных дорог , Бюро по управлению земельными ресурсами [5] и Агентство по охране окружающей среды [6] , а также государственные или местные органы власти [4] требуют , чтобы водопропускные трубы были спроектированы и спроектированы в соответствии с определенными федеральными, государственными или местными нормами и правилами для обеспечения надлежащего функционирования и защиты от аварий водопропускных труб.

Водопропускные трубы классифицируются по стандартам по их грузоподъемности, пропускной способности воды, сроку службы и требованиям к установке подстилающего слоя и засыпки. [2] Большинство агентств придерживаются этих стандартов при проектировании, проектировании и спецификации водопропускных труб.

Неудачи

Разрушения водопропускных труб могут происходить по самым разным причинам, включая сбои, связанные с техническим обслуживанием, охраной окружающей среды и установкой, функциональные или технологические сбои, связанные с пропускной способностью и объемом, вызывающие эрозию почвы вокруг или под ними, а также структурные или материальные неисправности, которые приводят к разрушению водопропускных труб из-за обрушения или коррозии материалов, из которых они сделаны. [7]

Если авария внезапная и катастрофическая, она может привести к травмам или гибели людей. Внезапные обрушения дорог часто являются результатом плохо спроектированных и спроектированных мест пересечения водопропускных труб или неожиданных изменений в окружающей среде, которые приводят к превышению проектных параметров. Вода, проходящая через водопропускные трубы недостаточного размера, со временем размывает окружающую почву. Это может привести к внезапной аварии во время дождей средней силы. Несчастные случаи из-за аварии водопропускной трубы также могут произойти, если водопропускная труба не была достаточно большой, а наводнение затопило водопропускную трубу или нарушило дорогу или железную дорогу над ней.

Текущая функция водопропускной трубы без сбоев зависит от правильного проектирования и инженерных соображений, которые учитывают нагрузку, гидравлический поток, анализ окружающего грунта, уплотнение засыпки и подстилки, а также защиту от эрозии. Неправильно спроектированная поддержка засыпки вокруг водопропускных труб может привести к обрушению материала или выходу из строя из-за недостаточной поддержки нагрузки. [7] [2]

Для существующих водопропускных труб, которые подверглись деградации, потере структурной целостности или должны соответствовать новым нормам или стандартам, восстановление с использованием трубы с перекладкой может быть предпочтительнее замены. Размеры водопропускной трубы с перекладкой используют те же критерии расчета гидравлического потока, что и для новой водопропускной трубы, однако, поскольку водопропускная труба с перекладкой предназначена для вставки в существующую водопропускную трубу или принимающую трубу, установка перекладки требует заливки кольцевого пространства между принимающей трубой и поверхностью перекладочной трубы (обычно с использованием раствора с низкой прочностью на сжатие ), чтобы предотвратить или уменьшить просачивание и миграцию почвы. Заливка также служит средством установления структурного соединения между облицовкой, принимающей трубой и почвой. В зависимости от размера и кольцевого пространства, которое необходимо заполнить, а также от высоты трубы между входом и выходом, может потребоваться добавлять раствор в несколько этапов или «подъемов». Если требуется несколько подъемов, то требуется план заливки, который должен определять размещение труб подачи раствора, воздушных труб, тип используемого раствора, а если закачивать или впрыскивать раствор, то требуемое развиваемое давление для инъекции. Поскольку диаметр трубы для перекладки будет меньше, чем у принимающей трубы, площадь поперечного сечения потока будет меньше. Выбрав трубу для перекладки с очень гладкой внутренней поверхностью с приблизительным значением коэффициента трения Хазена-Вильямса C в диапазоне от 140 до 150, можно компенсировать уменьшенную площадь потока, а гидравлические скорости потока потенциально увеличить за счет снижения сопротивления поверхностного потока. Примерами материалов труб с высоким C-фактором являются полиэтилен высокой плотности (150) и поливинилхлорид (140). [8]

Воздействие на окружающую среду

Эта водопропускная труба имеет естественное поверхностное дно, соединяющее среду обитания диких животных.

Безопасные и устойчивые переходы рек могут разместить диких животных и защитить здоровье рек, одновременно снижая дорогостоящую эрозию и структурный ущерб. Недостаточно большие и плохо расположенные водопропускные трубы могут вызвать проблемы с качеством воды и водными организмами. Плохо спроектированные водопропускные трубы могут ухудшить качество воды из-за размыва и эрозии, а также ограничить перемещение водных организмов между местами обитания выше и ниже по течению. Рыба часто становится жертвой потери среды обитания из-за плохо спроектированных переходных конструкций.

Водопропускные трубы, обеспечивающие достаточный проход для водных организмов, уменьшают препятствия для передвижения рыб, диких животных и других водных организмов, которым требуется проход в русле. Плохо спроектированные водопропускные трубы также более склонны забиваться осадком и мусором во время средних и крупных дождей. Если водопропускная труба не может пропускать объем воды в потоке, то вода может переполнить насыпь дороги. Это может вызвать значительную эрозию, в конечном итоге размывая водопропускную трубу. Смываемый материал насыпи может засорить другие сооружения ниже по течению, что также приведет к их разрушению. Это также может повредить посевы и имущество. Правильно подобранная конструкция и жесткое укрепление берега могут помочь смягчить это давление.

Замена водопропускной трубы, совместимой с проходом водных организмов, во Франклине, штат Вермонт, чуть выше озера Карми

Замена в стиле кульверта является широко распространенной практикой при восстановлении потока. Долгосрочные преимущества этой практики включают снижение риска катастрофического отказа и улучшение прохода рыбы. При соблюдении лучших методов управления краткосрочные воздействия на водную биологию минимальны. [9]

Проход рыбы

В то время как пропускная способность водопропускной трубы вытекает из гидрологических и гидротехнических соображений, [10] это часто приводит к большим скоростям в стволе, создавая возможный барьер для прохода рыб. Критическими параметрами водопропускной трубы с точки зрения прохода рыб являются размеры ствола, в частности, его длина, форма поперечного сечения и уклон инверта. Поведенческая реакция видов рыб на размеры водопропускной трубы, условия освещенности и турбулентность потока может играть роль в их способности плавать и скорости прохода через водопропускную трубу. Не существует простых технических средств для определения характеристик турбулентности, наиболее важных для прохода рыб в водопропускных трубах, но понятно, что турбулентность потока играет ключевую роль в поведении рыб. [11] [12]

Взаимодействие между плавающими рыбами и вихревыми структурами охватывает широкий спектр соответствующих масштабов длины и времени. [13] Недавние обсуждения подчеркивали роль движения вторичного потока , рассмотрение размеров рыб в связи со спектром масштабов турбулентности и полезную роль турбулентных структур при условии, что рыбы способны их использовать. [11] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Текущая литература по проходу рыбы через водопропускные трубы в основном фокусируется на быстро плавающих видах рыб, но несколько исследований приводят доводы в пользу лучших рекомендаций для мелкой рыбы, включая молодь. [16] Наконец, основательное понимание типологии турбулентности является основным требованием для любого успешного проектирования гидравлической конструкции, способствующей проходу рыбы вверх по течению. [20]

Водопропускные трубы с минимальными потерями энергии

Гофрированная металлическая водопропускная труба

На прибрежных равнинах Квинсленда , Австралия, проливные дожди во время сезона дождей создают большую нагрузку на водопропускные трубы. Естественный уклон пойменных равнин часто очень мал, и в водопропускных трубах допускается небольшое падение (или потеря напора ). Исследователи разработали и запатентовали процедуру проектирования водопропускных труб с минимальными потерями энергии, которые обеспечивают небольшой приток. [21] [22] [23]

Водопропускная труба или водный путь с минимальными потерями энергии — это конструкция, спроектированная с учетом концепции минимальной потери напора. Поток в подходном канале сжимается через обтекаемый вход в ствол, где ширина канала минимальна, а затем расширяется в обтекаемом выходе, прежде чем окончательно выпуститься в расположенный ниже по течению естественный канал. И вход, и выход должны быть обтекаемыми, чтобы избежать значительных потерь формы. Дно ствола часто опускается для увеличения пропускной способности.

Концепция водопропускных труб с минимальными потерями энергии была разработана инженером из графства Виктория и профессором Университета Квинсленда в конце 1960-х годов. [24] В то время как ряд небольших сооружений был спроектирован и построен в Виктории, некоторые крупные сооружения были спроектированы, испытаны и построены на юго-востоке Квинсленда.

Лесное хозяйство

В лесном хозяйстве правильное использование водопропускных труб с поперечным дренажем может улучшить качество воды, позволяя при этом продолжать лесохозяйственные работы. [ необходима ссылка ]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Тейлор, Карл (2010). «Программа по борьбе с наводнением в Така-Бек, Пенрит, Камбрия – измеренное обследование зданий водопропускных труб». Oxford Archaeology North .
  2. ^ abcd Turner-Fairbank Highway Research Center (1998). «Гидравлическое проектирование водопропускных труб на автомагистралях» (PDF), Отчет № FHWA-IP-85-15 Министерство транспорта США, Федеральное управление автомобильных дорог, Маклин, Вирджиния.
  3. ^ Уайлд, Томас С. (2011). «Декульвертирование: обзор доказательств «дневного освещения» и восстановления водопропускных рек». Журнал «Water and Environment» . 25 (3): 412–421. doi :10.1111/j.1747-6593.2010.00236.x. S2CID  111280203.
  4. ^ ab Alberta Transportation (2004). "РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВОДОПРОВОДОВ МОСТОВОГО РАЗМЕРА" (PDF), Оригинальный документ 1995 Alberta Transportation, Отдел технических стандартов, Правительство провинции Альберта
  5. ^ Министерство внутренних дел, Бюро по управлению земельными ресурсами (2006). «Использование, установка и определение размеров водопропускных труб», Глава  8 (PDF), Low Volume Engineering J Глава 8, blm.gov/bmp.
  6. ^ Управление по охране окружающей среды Агентства по охране окружающей среды (2003-07-24). "Culverts-Water" NPS Неасфальтированные дороги Глава  3 (PDF), "CULVERTS" epa.gov.
  7. ^ ab Architectural Record CEU ENR (2013). «Варианты управления ливневыми водами и как они могут потерпеть неудачу» (онлайн-курс обучения), McGraw Hill Construction Architectural Record-engineering News Record.
  8. ^ Пластиковый институт труб - Справочник по полиэтиленовым трубам, первое издание, копия 2006 г.
  9. ^ Лоуренс, Дж. Э., Кавер М. Р., Мэй КЛ, Реш В. Х. (2014). «Замена стилей водопропускных труб оказывает минимальное воздействие на бентосных макробеспозвоночных в лесных горных ручьях Северной Калифорнии». Limnologica . 47 : 7–20. arXiv : 1308.0904 . doi : 10.1016/j.limno.2014.02.002.
  10. ^ Чансон, Х. (2004). Гидравлика потока в открытом канале: Введение . Butterworth-Heinemann, 2-е издание, Оксфорд, Великобритания. ISBN 978-0-7506-5978-9.
  11. ^ ab Nikora VI, Aberle J, Biggs BJ, Jowett IG, Sykes JR (2003). «Влияние размера рыбы, времени до утомления и турбулентности на эффективность плавания: исследование Galaxias Maculatus». Журнал биологии рыб . 63 (6): 1365–1382. doi :10.1111/j.1095-8649.2003.00241.x.
  12. ^ Ван, Х.; Чансон, Х. (2017). «Как лучшее понимание взаимодействия рыбы и гидродинамики может улучшить проход рыбы вверх по течению в водопропускных трубах». Отчет об исследованиях в области гражданского строительства № CE162 : 1–43.
  13. ^ Лупандин, А.И. (2005). «Влияние турбулентности потока на скорость плавания рыб». Biology Bulletin . 32 (5): 461–466. doi :10.1007/s10525-005-0125-z. S2CID  28258800.
  14. ^ Папаниколау АН, Талеббейдохти Н (2002). «Обсуждение турбулентного потока в открытом канале в круглых гофрированных водопропускных трубах». Журнал гидравлической инженерии . 128 (5): 548–549.
  15. ^ Plew DR, Nikora VI, Larne ST, Sykes JR, Cooper GG (2007). «Изменчивость скорости плавания рыб при постоянном течении: Galaxias maculatus». Новозеландский журнал морских и пресноводных исследований . 41 (2): 185–195. doi :10.1080/00288330709509907. S2CID  83942063.
  16. ^ ab Wang H, Chanson H, Kern P, Franklin C (2016). «Гидродинамика водопропускных труб для улучшения прохода рыбы вверх по течению: реакция рыб на турбулентность». 20-я Австралазийская конференция по механике жидкостей, Перт, Австралия . Статья 682: 1–4.
  17. ^ Cabonce J, Fernando R, Wang H, Chanson H (2017). Использование треугольных перегородок для облегчения прохода рыбы вверх по течению в коробчатых водопропускных трубах: физическое моделирование. Отчет о гидравлической модели № CH107/17, Школа гражданского строительства, Университет Квинсленда, Брисбен, Австралия. ISBN 978-1-74272-186-6.
  18. ^ Ван, Х.; Чансон, Х. (2017). «Системы перегородок для облегчения прохода рыбы вверх по течению в стандартных прямоугольных водопропускных трубах: как насчет взаимодействия рыбы и турбулентности?». 37-й Всемирный конгресс IAHR, IAHR и USAINS, Куала-Лумпур, Малайзия . 3 : 2586–2595.
  19. ^ Ван, Х.; Чансон, Х. (2018). «Моделирование прохода рыбы вверх по течению в стандартных коробчатых водопропускных трубах: взаимодействие между турбулентностью, кинематикой рыб и энергетикой» (PDF) . River Research and Applications . 34 (3): 244–252. doi : 10.1002/rra.3245 .
  20. ^ Чансон, Х. (2019). «Использование пограничного слоя для восстановления связности местообитаний и популяций рыб. Инженерное обсуждение» (PDF) . Экологическая инженерия . 141 (105613): 1–5. doi :10.1016/j.ecoleng.2019.105613. S2CID  207901913.
  21. ^ Apelt, CJ (1983). «Гидравлика водопропускных труб и мостовых водных путей с минимальной энергией». Australian Civil Engineering Transactions , CE25 (2): 89–95. Доступно в Интернете по адресу: University of Queensland.
  22. ^ Апельт, К. Дж. (1994). «Минимальная потеря энергии в водопропускной трубе» (цветная видеокассета VHS), Кафедра гражданского строительства, Университет Квинсленда, Австралия.
  23. ^ Апельт, Колин. (2011). «Минимальная потеря энергии в водопропускной трубе, Редклифф» Архивировано 20 декабря 2016 г. в Wayback Machine (подготовленная речь: Премия «Национальный памятник инженерного наследия» от Engineering Heritage Australia 29 июня 2011 г.).
  24. ^ См.:
    • Chanson, H. (2003). "История водосливов и водопропускных труб с минимальными потерями энергии". 1960–2002. Труды 30-го двухгодичного конгресса IAHR [Международной ассоциации гидроэкологической инженерии и исследований] , Салоники, Греция , J. GANOULIS и P. PRINOS, ред., т. E, стр. 379–387. Доступно онлайн по адресу: University of Queensland.
    • Шансон, Юбер, Веб-страница: Гидравлика минимальных потерь энергии (MEL) водопропускных труб и мостовых водных путей staff.civil.uq.edu.au , дата обращения 15 января 2022 г.

Ссылки

Внешние ссылки