Фильтрующее водопропускное сооружение

Изобретение относится к строительству искусственных водопропускных сооружений и может быть использовано при возведении или реконструкции насыпи линейного сооружения с устройством водопропускных сооружений при пересечении водотоков с малым и очень малым расходом.

Известны водопропускные сооружения, включающие трубы изготовленные из бетона, металла, железобетона с отверстиями круглого, прямоугольного или овального сечения с размерами отверстий до 6 м (Волченкова Г.Я. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений. Минтрансстроя СССР. - М.: Транспорт, 1992. 408 с.).

Недостатками таких водопропускных сооружений являются низкая надежность, высокая трудоемкость и стоимость, а также длительный срок его строительства.

Низкая надежность известных устройств обусловлена их конструктивными особенностями, связанными с восприятием скоростей водного потока, которые превышают критические значения. Следствием этого является дополнительное устройство гасителей различного типа и выбора материала, способного воспринимать и не разрушаться под воздействием водного потока.

Высокая трудоемкость и стоимость связанны с низкой технологичностью известных водопропускных сооружений, с большим количеством элементов, необходимостью выполнения при их устройстве множества различных технологических операций, сложными работами при устройстве гасителей, выбором материала, способного воспринимать и не разрушаться под воздействием водного потока, значительных транспортных расходов и многочисленной строительной техники. Использование таких сооружений приводит к повышенным экономическим затратам.

Известно также водопропускное сооружение, включающее транзитную часть, которая выполнена из связанных между собой габионных элементов, которые в поперечном сечении заключены в водонепроницаемую мембрану. С верховой стороны сооружения расположен сопряженный с многолетнемерзлыми грунтами основания противофильтрационный экран, боковые открылки которого возвышаются над уровнем воды перед сооружением. Габионы представляют собой заполненные каменным материалом сетчатые металлические корзины прямоугольной формы, по высоте расположены, по меньшей мере, в один ярус и своими рядами образуют в направлении продольной оси водопропускного сооружения один водопроводящий канал с заданными в поперечном сечении размерами. Потолок водопроводящего канала образован габионами вышерасположенного яруса или плоским элементом, а дно - габионами нижерасположенного яруса или защитными элементами (Патент Российской Федерации №2375519, кл. Е02В 7/06, опубл. 10.12.2008).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность и высокая трудоемкость эксплуатации.

Низкая надежность известного водопропускного сооружения обусловлена тем, что сооружение данной конструкции не позволяет пропускать катастрофические расходы без значительного повышения уровня воды на входе. При этом дальнейшее повышение уровня может привести к переливу через гребень линейного сооружения и его разрушению.

Высокая трудоемкость эксплуатации известного водопропускного сооружения обусловлена тем, что для восстановления пропускной способности при засорении фильтрующего участка необходимо производить его демонтаж вместе с сооружением.

Наиболее близким техническим решением является водопропускное сооружение (Патент Российской Федерации №2292412) - прототип. Это известное устройство включает тело насыпи, выполненное из дренирующего материала, и устройство для проезда транспорта, расположенное на основной площадке насыпи. При этом содержит водопропускную трубу, расположенную в нижней части тела насыпи и пересекающую тело насыпи в поперечном направлении. Водопропускная труба с обоих торцов закрыта крупными включениями дренирующего материала насыпи. Максимальный размер крупных включений дренирующего материала у входного и выходного концов полости водопропускной трубы определяют из приведенной зависимости.

Недостатками этого устройства являются низкая пропускная способность и низкая надежность.

Низкая пропускная способность обусловлена тем, что при возникновении на водном объекте сверх расчетной гидрологической ситуации и/или при засорении входной и/или выходной фильтрующих частей водопропускного сооружения, пропуск расхода без разрушения сооружений невозможен.

Низкая надежность известного устройства обусловлена тем, что при извлечении фильтрующей части для ее очистки или увеличения пропускной способности может снизиться устойчивость линейного сооружения, при этом требуется использование трудоемких технологических процессов.

Данные недостатки ограничивают область применения и снижают надежность водопропускного сооружения.

Технический результат изобретения - увеличение пропускной способности водопропускного сооружения, снижение затрат на замену фильтрующей части сооружения, а также обеспечение возможности очистки пропускаемого стока.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном водопропускном сооружении, включающем тело насыпи, устройство для проезда транспорта, расположенное на основной площадке насыпи, водопропускную трубу, расположенную в нижней части тела насыпи и пересекающую тело насыпи в поперечном направлении, и дренирующий материал, особенностью является то, что оно дополнительно снабжено входным и выходным оголовками со сменными фильтрующими элементами, выполненными в виде прямоугольных пространственных металлических каркасов с замкнутым сечением, которые зафиксированы в пазах, выполненных в откосных стенках оголовков водопропускного сооружения, с возможностью перемещения в них по вертикальной оси и имеющими высоту, позволяющую обеспечить пропуск расхода сверх расчетной обеспеченности, при этом дренирующий материал помещен во внутрь фильтрующего элемента и расположен между его решетчатыми стенками. В качестве дренирующего материала, использован природный сорбент, например шунгит или цеолит. Выходной оголовок снабжен колодцем для гашения энергии потока воды при расходе сверх расчетной обеспеченности.

Изобретение поясняется рисунками. На фиг. 1 показано водопропускное сооружение (вид сверху). На фиг. 2 показан продольный разрез водопропускного сооружения при пропуске бытового и паводкового расходов.

На рисунках обозначены: 1 - водопропускная труба; 2 - тело насыпи; 3 - портальная стенка; 4 - откосная стенка оголовка; 5 - фундамент оголовка; 6 - фильтрующий элемент; 7 - уровень воды в межень; 8 - уровень воды в паводок.

Водопропускное сооружение состоит из водопропускной трубы 1, тела насыпи 2, портальных стенок 3, откосных стенок оголовков 4, фундаментов оголовков 5 и фильтрующих элементов 6. Входные и выходные оголовки водопропускного сооружения снабжены сменными фильтрующими элементами 6, выполненными в виде прямоугольных пространственных металлических каркасов с замкнутым сечением, которые заполнены дренирующим материалом, в качестве которого может быть использован специальный фильтрующий природный сорбент, например шунгит или цеолит. При этом фильтрующие элементы зафиксированы в пазах, выполненных в откосных стенках оголовков 4 водопропускного сооружения, с возможностью перемещения в них по вертикальной оси. Высота фильтрующих элементов 6 позволяет обеспечить пропуск расхода сверх расчетной обеспеченности. Элементы водопропускного сооружения изготавливаются в заводских условиях.

Строительство водопропускного сооружения производят в следующей последовательности. После транспортировки элементов водопропускного сооружения на место строительства, в котловане устраивается фундамент оголовков 5, после чего укладывается водопропускная труба 1, устанавливаются входной и выходной оголовки, состоящие из портальной стенки 3 и откосных стенок оголовков 4 с пазами. Фильтрующие элементы 6 устанавливаются с обеих сторон водопропускного сооружения в пазы, изготовленные в железобетонных откосных стенках оголовков 4. Фильтрующие элементы 6 могут перемещаться только по вертикальной оси при установке или демонтаже.

Фильтрующее водопропускное сооружение работает следующим образом.

Особенностями работы водопропускного сооружения с оголовками, снабженными фильтрующими элементами является то, что пропуск бытового расхода производится через фильтрующие элементы 6, которые установлены в откосные стенки оголовков 4. При паводковом расходе уровень воды повышается, тем самым производится фильтрация и перелив через фильтрующие элементы 6. При необходимости на выходном оголовке может устраиваться колодец для гашения энергии переливающейся воды.

Определение геометрических размеров фильтрующих элементов необходимо производить по методике расчета перемычки из однородного грунта с вертикальными откосами (П.Я. Полубариновой-Кочиной / Г.В. Железняков, Ю.А. Ибад-заде, П.Л. Иванов и др.; Под общ. ред. В.П. Недриги. Гидротехнические сооружения. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с., ил. - (Справочник проектировщика).

Удельный фильтрационный расход водопропускного сооружения уточняется в зависимости от отношения толщины фильтрующего элемента к напору перед сооружением по известным зависимостям:

при отношении толщины к напору <1,

при отношении толщины к напору >1,

где q - приведенный фильтрационный расход; k_ф - коэффициент фильтрации материала фильтрующего элемента; Н₀ - глубина воды за сооружением.

Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечит увеличение пропускной способности, снижение затрат на замену фильтрующей части сооружения, а также обеспечение возможности очистки пропускаемого стока.