Водопропускная труба – это сооружение, которое направляет воду мимо препятствия или в подземный водный путь. Водопропускная труба, обычно встроенная так, чтобы быть окруженной почвой, может быть изготовлена из трубы , железобетона или другого материала. В Соединенном Королевстве это слово также может использоваться для обозначения более длинного искусственно заглубленного водотока . [1]
Водопропускные трубы обычно используются как в качестве перекрестных водостоков для облегчения дренажа канав на обочине дороги, так и для пропуска воды под дорогой при естественном дренаже и пересечениях ручьев. Когда их находят под дорогами, они часто пустуют. Водопропускная труба также может представлять собой конструкцию, похожую на мост, предназначенную для того, чтобы транспортные средства или пешеходы могли пересекать водный путь, обеспечивая при этом достаточный проход для воды. Сухие водопропускные трубы используются для прокладки пожарного шланга под шумовым барьером для облегчения тушения пожара на 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 основан на ряде факторов, включая требования к гидравлическим характеристикам, ограничения по высоте поверхности воды в верхнем бьефе и высоте насыпи проезжей части. [2]
Процесс удаления водопропускных труб для восстановления открытого водотока известен как дневное освещение . В Великобритании эта практика также известна как декульвертирование. [3]
Водопропускные трубы могут быть изготовлены 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 образования композитных конструкций. Например, гофрированные стальные конструкции с открытым дном часто строятся на бетонном фундаменте.
Строительство или установка на участке водопропускной трубы обычно приводит к нарушению почвы участка, берегов ручья или русла ручья и может привести к возникновению нежелательных проблем, таких как выгребные ямы или обвал берегов, прилегающих к конструкции водопропускной трубы. [2] [4]
Водопропускные трубы должны быть правильно подобраны по размеру и установлены и защищены от эрозии и размыва. Многие агентства США, такие как Федеральное управление шоссейных дорог , Бюро землеустройства , [5] и Агентство по охране окружающей среды , [6] , а также власти штата или местные органы власти, [4] требуют, чтобы водопропускные трубы были спроектированы и спроектированы в соответствии с конкретными федеральными требованиями и требованиями штата. или местные правила и рекомендации для обеспечения правильной работы и защиты водопропускных труб от повреждений.
Водопропускные трубы классифицируются по стандартам по их несущей способности, пропускной способности воды, сроку службы и требованиям к установке подстилки и обратной засыпки. [2] Большинство агентств придерживаются этих стандартов при проектировании, проектировании и определении водопропускных труб.
Неисправности водопропускных труб могут возникать по самым разным причинам, включая отказы, связанные с техническим обслуживанием, окружающей средой и установкой, функциональные или технологические отказы, связанные с пропускной способностью и объемом, вызывающие эрозию почвы вокруг или под ними, а также структурные или материальные отказы, которые приводят к разрушению водопропускных труб. выходят из строя из-за разрушения или коррозии материалов, из которых они изготовлены. [7]
Если отказ является внезапным и катастрофическим, он 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 меньшего размера, со временем размывает окружающую почву. Это может привести к внезапному выходу из строя во время дождя средней силы. Несчастные случаи из-за выхода из строя водопропускной трубы также могут произойти, если водопропускная труба не имеет соответствующего размера и наводнение захлестнуло водопропускную трубу или разрушило дорогу или железную дорогу над ней.
Продолжительная работа водопропускных труб без сбоев зависит от правильного проектирования и инженерных расчетов, уделяемых нагрузке, гидравлическому потоку, анализу окружающей почвы, обратной засыпке и уплотнению подстилки, а также защите от эрозии. Неправильно спроектированная засыпка вокруг водопропускных труб может привести к обрушению материала или разрушению из-за недостаточной поддержки нагрузки. [7] [2]
Для существующих водопропускных труб, которые подверглись деградации, потеряли структурную целостность или должны соответствовать новым нормам или стандартам, восстановление с использованием трубы для замены может быть предпочтительнее замены. При выборе размера водопропускной трубы для замены используются те же критерии проектирования гидравлического потока, что и для новой водопропускной трубы, однако, поскольку водопропускная труба для замены предназначена для вставки в существующую водопропускную трубу или основную трубу, установка для замены труб требует заполнения кольцевого пространства между основной трубой и основной трубой. поверхность трубы заменить (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, основной трубой и грунтом. В зависимости от размера и заполняемого кольцевого пространства, а также высоты трубы между входом и выходом может потребоваться добавление раствора в несколько этапов или «подъёмов». Если требуется несколько подъемов, то необходим план цементации, в котором должно быть определено размещение трубок подачи раствора, воздушных трубок, тип используемого раствора, а в случае нагнетания или перекачивания раствора, то необходимое развиваемое давление для впрыска. Поскольку диаметр заменяемой трубы будет меньше, чем у основной трубы, площадь поперечного сечения потока будет меньше. Выбрав трубу для замены труб с очень гладкой внутренней поверхностью и приблизительным значением коэффициента трения Хазена-Вильямса C между 140–150, можно компенсировать уменьшение площади потока, а скорость гидравлического потока потенциально увеличить за счет уменьшения поверхностного сопротивления потоку. Примерами трубных материалов с высокими С-факторами являются полиэтилен высокой плотности (150) и поливинилхлорид (140). [8]
Безопасные и стабильные переходы через ручьи могут обеспечить размещение диких животных и защитить здоровье ручьев, одновременно уменьшая дорогостоящую эрозию и структурный ущерб. Недостаточные размеры и неправильное расположение водопропускных труб 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 вверх и вниз по течению. Рыбы часто становятся жертвами утраты среды обитания из-за плохо спроектированных перемычек.
Водопропускные трубы, обеспечивающие достаточный проход для водных организмов, уменьшают препятствия для движения рыб, диких животных и других водных обитателей, которым требуется проход по течению. Плохо спроектированные водопропускные трубы также более склонны к засорению отложениями и мусором во время средних и крупных дождей. Если водопропускная труба не может пропустить объем воды в ручье, то вода может выйти за пределы насыпи дороги. Это может вызвать значительную эрозию, которая в конечном итоге приведет к размыванию водопропускной трубы. Смываемый материал насыпи может засорить другие конструкции ниже по течению, что также приведет к их разрушению. Это также может нанести ущерб посевам и имуществу. Конструкция правильного размера и жесткая броня берегов могут помочь смягчить это давление.
Замена водопропускных труб является широко распространенной практикой при восстановлении ручьев. Долгосрочные преимущества этой практики включают снижение риска катастрофических сбоев и улучшение прохода рыбы. Если следовать лучшим практикам управления, краткосрочное воздействие на водную биологию будет минимальным. [9]
Хотя пропускная способность водопропускной трубы определяется гидрологическими и гидротехническими соображениями, [10] это часто приводит к большим скоростям в стволе, создавая возможный барьер для прохода рыбы. Критическими параметрами водопропускной трубы с точки зрения прохода рыбы являются размеры бочки, в частности ее длина, форма поперечного сечения и обратный уклон. Поведенческая реакция видов рыб на размеры водопропускных труб, условия освещенности и турбулентность потока может играть роль в их плавательной способности и скорости прохождения водопропускных труб. Не существует простых технических средств для определения характеристик турбулентности, наиболее важных для прохождения рыбы по водопропускным трубам, но понятно, что турбулентность потока играет ключевую роль в поведении рыбы. [11] [12]
Взаимодействия между плавающими рыбами и вихревыми структурами включают широкий диапазон соответствующих длин и временных масштабов. [13] Недавние дискуссии подчеркнули роль движения вторичного потока , соображения размеров рыбы по отношению к спектру масштабов турбулентности, а также полезную роль турбулентных структур при условии, что рыбы способны их использовать. [11] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
Текущая литература по водопропускным трубам сосредоточена в основном на быстро плавающих видах рыб, но в некоторых исследованиях приводятся доводы в пользу более эффективных рекомендаций для рыб с мелким телом, включая молодь. [16] Наконец, четкое понимание типологии турбулентности является основным требованием для любого успешного проектирования гидротехнических сооружений, способствующих проходу рыбы вверх по течению. [20]
На прибрежных равнинах Квинсленда , Австралия, проливные дожди во время сезона дождей предъявляют повышенную нагрузку на водопропускные трубы. Естественный уклон пойм 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 минимальных потерь напора. Поток в подходном канале сжимается через обтекаемый вход в цилиндр, где ширина канала минимальна, а затем расширяется в обтекаемом выходе, прежде чем окончательно выпуститься в расположенный ниже по течению естественный канал. И входное, и выходное отверстия должны быть обтекаемыми, чтобы избежать значительных потерь формы. Перевернутый ствол часто опускается для увеличения пропускной способности.
Концепция водопропускных труб с минимальными потерями энергии была разработана инженером графства Виктория и профессором Университета Квинсленда в конце 1960-х годов. [24] В то время как ряд небольших построек был спроектирован и построен в Виктории, некоторые крупные постройки были спроектированы, испытаны и построены на юго-востоке Квинсленда.
В лесном хозяйстве правильное использование водопропускных труб с перекрестным дренажем может улучшить качество воды, позволяя при этом продолжать лесохозяйственные работы. [ нужна цитата ]