1. Opis techniczny

   1. Podstawa opracowania

[1] „Odwodnienie dróg” K. Edel
[2] „Podstawy projektowania budowli mostowych” A. Madej, W. Wołowicki

[3] ROZPORZĄDZENIE MINISTRA TRANSPORTU I GOSPODARKI MORSKIEJ z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakimi powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie.

1. Założenia związane ze zlewnią oraz parametry drogi

Przedmiotem opracowania jest projekt odwodnienia zlewni i drogi przebiegającej przez tę zlewnię.

Klasa drogi: G	- szerokość pasa jezdni 3,5 m - szerokość pobocza utwardzonego 2,0 m
Średnia roczna wysokość opadu	do 1 000 mm
Powierzchnia całkowita zlewni	13,8 ha
Zabudowa i pokrycie terenu	- parki i ogrody 43 % - grunty rolne 57 %
Długość rowów	L2-1=120 m L3-1=240 m
Spadek terenu	3,4 %

1. Ogólny opis projektowanego przepustu

Zaprojektowano przepust o przekroju kołowym, o średnicy 1,1 m dla schematu obliczeniowego przepustu o zatopionym wlocie i niezatopionym wylocie prowadzącym wodę pełnym przekrojem.

Zasadnicze parametry przepustu:

• światło przepustu - 1,1 [m]

• całkowita długość przepustu - 14,0[m]

  1. Szczegółowy opis projektowanego przepustu

     1. Część przelotowa

Część przelotową stanowi prefabrykowany przepust drogowy, kołowyżelbetowy o średnicy 1,1 m i grubości ścianki 12 cm. Przepust wykonany jest z 14 elementów o długości 1,0 [m] każdy, łączonych na budowie na uszczelkę gumową. Długość przepustu wynosi 14,0 [m]. Przepust zabezpieczony jest przeciwwilgociowo za pomocą hydroizolacji o grubości 1,0 [cm].

Przepust należy montować po wykonaniu warstwy podbudowy z kruszywa łamanego 0/31,5 [mm], grubości 30 [cm]. Spadek podłużny przepustu wynosi i=1%. Szczegóły konstrukcyjne wykonania przepustu podano na rysunkach.

1. Wlot i wylot przepustu

Wlot i wylot przepustu zakończono pionowo. Zaprojektowano wlot i wylot korytarzowy.
Na wlocie i wylocie zaprojektowano żelbetowe ścianki oporowe, podtrzymujące, dolną część skarpy nasypu drogi. Ścianki żelbetowe oporowe oraz skrzydła zaprojektowano z \betonu klasy C25/30, zbrojone stalą klasy A-II. Ściana oporowa wraz ze skrzydłami dla wlotu jak i wylotu posadowiona jest na gruncie za pomocą ławy fundamentowej betonowej o szerokości 75 [cm] i wysokości 40 [cm]. Fundament posadowiono poniżej głębokości przemarzania.

1. Rowy odwadniające

Zaprojektowano rowy:

- odwadniające trapezowe o głębokości 0,50 m, szerokości dna 0,4 [m] i nachyleniu skarp rowu 1:1,5

- trapezowy, doprowadzający wodę do przepustu o głębokości 1,6 [m], szerokości dna
0,7 [m] i nachyleniu skarp 1:1,50.

Rowy odwadniające należy umocnić na długości poprzez darniowanie w płotkach, tak samo jak rów doprowadzający wodę do przepustu.

1. Droga przebiegająca przez zlewnię

Projektowanej drodze w obrębie projektowanego przepustu nadano następujące parametry.

• Szerokość jezdni: 7,0 [m]

• Szerokość obustronnych poboczy utwardzonych: 4,0 [m]

Konstrukcja jezdni:

• Warstwa ścieralna z betonu asfaltowego 0/9,6 mm gr. 5 cm

• Warstwa wiążąca z betonu asfaltowego 0/20 mm gr. 8 cm

• Warstwa podbudowy z betonu asfaltowego 0/25 mm gr. 16 cm

• Podbudowa pomocnicza z kruszywa łamanego 0/31,5 mm gr. 21 cm

1. Przygotowanie schematu zlewni

• Zlewnia A (grunty rolne)

F₃ = 57%*13, 8ha = 7, 866 ha = 78 660m²

$$L_{srA} = \frac{F_{3}}{L_{2 - 1}} = \frac{78660}{220} = 357,55\ m$$

• Zlewnia B (parki i ogrody)

$${F_{6} = 43\%*13,8ha = 5,934\ ha = 59\ 340m^{2}}{L_{srB} = \frac{F_{6}}{L_{3 - 1}} = \frac{59340}{240} = 247,25\ m}$$

1. Obliczenie spływu z powierzchni zlewni

$$Q = \varphi\psi qF\ \lbrack\frac{dm^{3}}{s}\rbrack$$

φ – współczynnik opóźnienia spływu [-]

ψ – współczynnik spływu [-]

q – natężenie deszczu [dm³/(ha·s)]

F – powierzchnia zlewni [ha]

1. Obliczenie współczynnika spływu zlewni

Część A - z której woda spływa do rowu 2-1 i dalej rowem do przepustu

Część B - z której woda spływa do rowu 3-1 i dalej rowem do przepustu

Na część A zlewni składa się:

– F₁ – połowa szerokości jezdni na długości

– F₂ – utwardzone pobocze na długości

– F₃ – powierzchnia gruntów rolnych

Na część B zlewni składa się:

– F₄ – połowa szerokości jezdni

– F₅ – utwardzone pobocze na długości

– F₆– powierzchnia parków i ogrodów

• Zlewnia A

F₁ = 3, 5 * 220 = 770 m²

dla dróg bitumicznych wg tab. 3.3. [1]

Przyjęto

F₂ = 2, 0 * 220 = 440 m²

dla dróg żwirowych wg tab. 3.3. [1]

Przyjęto

dla gruntów rolnych o spadku powierzchni 2,5–5% wg tab. 3.5.[1]

Przyjęto z interpolacji dla spadku 3,4%

• Zlewnia B

dla dróg bitumicznych wg tab. 3.3. [1]

Przyjęto

dla dróg żwirowych wg tab. 3.3. [1]

Przyjęto

dla parków i ogrodów o spadku 2,5 – 5% wg tab. 3.5.[1]

Przyjęto z interpolacji dla spadku 3,4%

Powierzchnia całkowita zlewni częściowych

F_A = F₁ + F₂ + F₃ = 770 + 440 + 78661 = 7, 987 ha

F_B = F₄ + F₅ + F₆ = 840 + 480 + 59340 = 7, 254 ha

Obliczenie wartości zastępczego współczynnika spływu zlewni

$$\psi_{z,A} = \frac{\psi_{1}*F_{1} + \psi_{2}*F_{2} + \psi_{3}*F_{3}}{F_{1} + F_{2} + F_{3}} = \frac{0,9*0,077 + 0,3*0,044 + 0,118*7,866}{7,987} = 0,127$$

$$\psi_{z,B} = \frac{\psi_{4}*F_{4} + \psi_{5}*F_{5} + \psi_{6}*F_{6}}{F_{4} + F_{5} + F_{6}} = \frac{0,9*0,084 + 0,3*0,048 + 0,168*5,934}{7,254} = 0,150$$

1. Natężenie deszczu miarodajnego

Wyznaczenie czasu trwania deszczu miarodajnego

Wielkość spływu obliczono metodą stałych natężeń deszczu. W metodzie tej przyjmuje się, że czas trwania deszczu miarodajnego jest równy czasowi przepływu przez kanał (rów).

$$t_{d} = t_{p} = \frac{L}{v}$$

t_p- czas przepływu przez kanał [s]

L - długość rowu [m]

v - prędkość przepływu wody przez kanał [m/s]

Natężenie deszczu miarodajnego

• Dla rowu 2 – 1

- długość rowu L_2-1=220,0 [m]

- przyjęta prędkość przepływu

- prędkość dopuszczalna przepływu V_d=1,8 [m/s]- przyjęto dla rodzaju umocnienia: darnina w płotkach wiklinowych wg.tab. 3.6. poz.1[2]

t_d,2-1= t_p,2-1=

• Dla rowu 3 – 1

- długość rowu L_3-1=240,0 [m]

- przyjęta prędkość przepływu

- prędkość dopuszczalna przepływu V_d=1,8 [m/s]- przyjęto dla rodzaju umocnienia: darnina w płotkach wiklinowych wg.tab. 3.6. poz.1[2]

t_d,3-1= t_p,3-1=

Natężenie deszczu miarodajnego zależy od czasu jego trwania i prawdopodobieństwa jego pojawienia się:

$$q = \frac{A}{t^{0,667}}\ \ \lbrack\frac{dm^{3}}{s*ha}\rbrack$$

t - czas trwania deszczu [min]

A - współczynnik zależny od prawdopodobieństwa pojawienia się deszczu oraz średniej rocznej wysokości opadu przyjmowane z Tab. 3.2. [1].

Wymiary urządzeń odwadniających drogę, ustala się zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2.03.1999 r., na podstawie deszczu miarodajnego, określonego przy założeniu prawdopodobieństwa p, pojawienia się opadów w zależności od klasy drogi.

Dla drogi klasy G – droga główna p = 50% (c = 2 lata)

Średnia roczna wysokość opadu wynosi do 1000 mm. Na podstawie powyższych danych przyjęto wartość współczynnika A = 720.

• Zlewnia A

$$q_{2 - 1} = \frac{720}{{3,53}^{0,667}} = 310,43\ \ \frac{dm^{3}}{s*ha}$$

• Zlewnia B

$$q_{3 - 1} = \frac{720}{{3,85}^{0,667}} = 292,97\ \ \frac{dm^{3}}{s*ha}$$

Obliczenie współczynnika opóźnienia odpływu

$$\varphi = \frac{1}{\sqrt[n]{F}}$$

F - powierzchnia zlewni [ha],

n - współczynnik zależny od spadku i formy terenu, przyjęto 8(dla spadków większych
i zlewni wydłużonych)

• Zlewnia A

$$\varphi = \frac{1}{\sqrt[8]{7,987}} = 0,77$$

• Zlewnia B

$$\varphi = \frac{1}{\sqrt[8]{7,254}} = 0,78$$

Obliczenie spływu wód opadowych

Q = φψqF

$$Q_{2 - 1} = 0,77*0,127*310,43*7,987 = 242,46\frac{dm^{3}}{s} = 0,242\frac{m^{3}}{s}$$

$$Q_{3 - 1} = 0,78*0,150*292,97*7,254 = 248,65\ \frac{dm^{3}}{s} = 0,249\frac{m^{3}}{s}$$

1. Obliczenie przekroju rowów odwadniających

   1. Rów trapezowy

Parametry rowu:

h = 0,5 m

b = 0,4 m

Q_m = Q_3-1 = 0,249 m³/s

v_d = 1,8 m/s

I_E = 0,6 % - spadek podłużny rowu

n = 1,5

k_st = 40 m³/s – ciek naturalny (Tab. 5.1 [1])

Pole powierzchni czynnego rowu

F = h(b+nh) = 0, 5 * (0,4+1,5*0,5) = 0, 575 m²

Obwód zwilżony

$$L_{u} = b + 2h\sqrt{1 + n^{2}} = 0,4 + 2*0,5*\sqrt{1 + {1,5}^{2}} = 2,21\ m$$

Promień hydrauliczny

$$R_{h} = \frac{F}{L_{u}} = \frac{0,575}{2,21} = 0,26\ m$$

Prędkość przepływu

$$v = k_{\text{st}}*R_{h}^{\frac{2}{3}}*I_{E}^{\frac{1}{2}} = 40*{0,26}_{}^{\frac{2}{3}}*{0,006}_{}^{\frac{1}{2}} = 1,26\frac{m}{s}$$

Sprawdzenie warunku na nieprzekroczenie prędkości dopuszczalnej cieku w rowie

v < v_d

$$v = 1,26\frac{m}{s} < v_{d} = 1,80\frac{m}{s}$$

$v_{d} = 1,80\frac{m}{s}$ - darniowanie w płotkach wiklinowych(Tab. 3.6 [2])

Warunek spełniony

Wyznaczenie przepływu w rowie

$$Q = Fv = 0,575*1,26 = 0,72\frac{m^{3}}{s}$$

Sprawdzenie warunku nieprzekroczenia przepływu miarodajnego w rowie

Q > Q_m

$$Q = 0,72\frac{m^{3}}{s} > Q_{m} = 0,249\frac{m^{3}}{s}$$

Warunek spełniony

1. Obliczenie rowu trójkątnego

Parametry rowu:

h = 0,4 m

Q_m = Q_3-1 = 0,249 m³/s

v_d = 1,8 m/s

I_E = 0,6 % - spadek podłużny rowu

n = 3

k_st = 40 m³/s – ciek naturalny (Tab. 5.1 [1])

Pole powierzchni czynnego rowu

F = nh² = 3 * 0, 4² = 0, 48 m²

Obwód zwilżony

$$L_{u} = 2h\sqrt{1 + n^{2}} = 2*0,4*\sqrt{1 + 3^{2}} = 2,53\ m$$

Promień hydrauliczny

$$R_{h} = \frac{F}{L_{u}} = \frac{0,48}{2,53} = 0,19\ m$$

Prędkość przepływu

$$v = k_{\text{st}}*R_{h}^{\frac{2}{3}}*I_{E}^{\frac{1}{2}} = 40*{0,19}_{}^{\frac{2}{3}}*{0,006}_{}^{\frac{1}{2}} = 1,02\frac{m}{s}$$

Sprawdzenie warunku na nieprzekroczenie prędkości dopuszczalnej cieku w rowie

v < v_d

$$v = 1,02\frac{m}{s} < v_{d} = 1,80\frac{m}{s}$$

$v_{d} = 1,80\frac{m}{s}$ - darniowanie w płotkach wiklinowych(Tab. 3.6 [2])

Warunek spełniony

Wyznaczenie przepływu w rowie

$$Q = Fv = 0,48*1,02 = 0,49\frac{m^{3}}{s}$$

Sprawdzenie warunku nieprzekroczenia przepływu miarodajnego w rowie

Q > Q_m

$$Q = 0,49\frac{m^{3}}{s} > Q_{m} = 0,249\frac{m^{3}}{s}$$

Warunek spełniony

Wniosek: Przyjęte parametry rowu spełniają warunek przepływu.

Przyjęte wymiary rowu trapezowego jak i trójkątnego w podobnym stopniu spełniają warunki przepływu. Do odwodnienia zlewni zastosowane zostaną rowy trapezowe.

1. Obliczenie rowu trapezowego doprowadzającego wodę do przepustu

$$Q_{m} = 5 \div 8\ \left( Q_{m,2 - 1} + Q_{m,3 - 1} \right) = 5 \div 8\ \left( 0,242 + 0,249 \right) = 2,45 \div 3,92\frac{m^{3}}{s}$$

$$Q_{m} = 3,18\frac{m^{3}}{s}$$

Parametry rowu:

h = 1, 6 m

b = 0, 7m

Q_m = 3, 18 m³/s

v_d = 1, 8 m/s

I_E = 0, 7 % - spadek podłużny rowu

n = 1,5

k_st = 30 m³/s – mulda – kształtki betonowe (Tab. 5.1 [1])

Pole powierzchni czynnego rowu

F = h(b+nh) = 1, 6 * (0,7+1,5*1) = 3, 52 m²

Obwód zwilżony

$$L_{u} = b + 2h\sqrt{1 + n^{2}} = 0,7 + 2*1,6*\sqrt{1 + {1,5}^{2}} = 6,47\ m$$

Promień hydrauliczny

$$R_{h} = \frac{F}{L_{u}} = \frac{3,52}{6,47} = 0,54\ m$$

Prędkość przepływu

$$v = k_{\text{st}}*R_{h}^{\frac{2}{3}}*I_{E}^{\frac{1}{2}} = 30*{0,54}_{}^{\frac{2}{3}}*{0,007}_{}^{\frac{1}{2}} = 1,66\frac{m}{s}$$

Sprawdzenie warunku na nieprzekroczenie prędkości dopuszczalnej cieku w rowie

v < v_d

$$v = 1,66\frac{m}{s} < v_{d} = 1,80\frac{m}{s}$$

$v_{d} = 1,80\frac{m}{s}$ - darniowanie w płotkach wiklinowych(Tab. 3.6 [2])

Warunek spełniony

Wyznaczenie przepływu w rowie

$$Q = Fv = 3,52*1,66 = 5,84\frac{m^{3}}{s}$$

Sprawdzenie warunku nieprzekroczenia przepływu miarodajnego w rowie

Q > Q_m

$$Q = 5,84\frac{m^{3}}{s} > Q_{m} = 3,18\frac{m^{3}}{s}$$

Warunek spełniony

Wniosek: Przyjęte parametry rowu są prawidłowe.

1. Obliczenie wymiarów przepustu

Przyjęty schemat obliczeniowy: zatopiony wlot i niezatopiony wylot, całkowicie wypełniony o przekroju poprzecznym kołowym, wlocie korytarzowym.

Wlot korytarzowy ze skrzydłami krzywoliniowymi

4.1 Obliczenie przepustu.

Dane przyjęte do obliczeń:

D= h_p = 1,1 m – wysokość przepustu

v_max = 3,5 m – dla przepustów o wysokości do 1,5m

h_n = 2,30 m – wysokość nasypu liczona do dna przepustu

β=90° - kąt zawarty między osią drogi i osią przepustu

n = 1,0 – nachylenie skarpy korony drogi

Q_m =3,18 m³/s – ilość wody doprowadzona do przepustu

B = 2*(3,5+2,0)= 11 m – szerokość korony nasypu drogi

v =1,60 m/s – prędkość przepływu w przewodzie przepustu

Długość przepustu

$$L_{p} = \frac{B + 2n\left( h_{n} - D \right)}{\sin\beta} = \frac{11 + 2*1*\left( 2,3 - 1,1 \right)}{\sin 90} = 13,4\ m$$

L_p = 13, 4m < 20h_p = 20 * 1, 1 m = 22 m

Przepust krótki – nie uwzględnia się strat energii

Pole przekroju czynnego

$$F_{p} = \frac{\pi D^{2}}{4} = \frac{\pi{*1,1}^{2}}{4} = 0,95\ m^{2}$$

Obwód zwilżony

L_u = πD = π * 1, 1 = 3, 45 m

Promień hydrauliczny

$$R_{h} = \frac{F_{p}}{L_{u}} = \frac{0,95}{3,45} = 0,28\ m$$

Długość obliczeniowa przepustu

L_o = L_p − 3, 6 * h_p = 13, 4 − 3, 6 * 1, 1 = 9, 44 m

Współczynnik strat na długości przewodu

n = 0, 011- współczynnik szorstkości przewodu przepustu – przewód o powierzchni betonowej, Tab. 3-1. [2].

$$\zeta_{L} = \frac{2gn^{2}L_{o}}{0,157D_{h}^{3/4}} = \frac{2*9,81*{0,011}^{2}*9,44}{0,157*{1,1}_{}^{3/4}} = 0,133$$

Współczynnik wydatku

ζ_wl = 0, 33 – współczynnik strat na wlocie dla wlotów opływowych

$$\mu = \sqrt{\frac{1}{1 + \zeta_{\text{wl}} + \zeta_{L}}} = \sqrt{\frac{1}{1 + 0,33 + 0,133}} = 0,827$$

Prędkość przepływu wody w przepuście

$$v_{p} = \frac{Q_{m}}{F_{p}} = \frac{3,18}{0,95} = 3,35\frac{m}{s}$$

Sprawdzenie warunku nieprzekroczenia prędkość dopuszczalnej przepływu

$$v_{p} = 3,35\frac{m}{s} < v_{d} = 3,5\frac{m}{s}$$

Warunek spełniony

Spadek dna przekroju przepustu

Przyjęto spadek i_p = 2%.

Wysokość linii energii spiętrzonego strumienia przy przepływie miarodajnym

$$H_{0} = \varepsilon h_{p} + \frac{Q_{m}^{2}}{2gF_{p}^{2}\mu^{2}} - i_{p}L_{p}$$

ε = 0, 79 – współczynnik zależny od rodzaju przekroju poprzecznego o rodzaju wlotu przepustu (Tab. 3-10. [2], wlot kołnierzowy).

$$H_{0} = 0,79*1,1 + \frac{{3,18}^{2}}{2*9,81*{0,95}^{2}*{0,827}^{2}} - 0,01*13,4 = 1,68\ m$$

Głębokość wody górnej

$$H = H_{0} - \frac{v_{o}^{2}}{2g} = 1,68 - \frac{{1,60}^{2}}{2*9,81} = 1,55\ m$$

Sprawdzenie warunku na zatopienie wlotu

H = 1, 55 m > 1, 4h_p = 1, 4 * 1, 1 = 1, 54 m

H_r = 1, 60m > H = 1, 55m

Warunek jest spełniony

Obliczenia stanowiska dolnego

Obliczenia głębokości i prędkości wody na wylocie z przepustu

• Głębokość wody wypływającej z przepustu, tab. 3.4. [R]

• Prędkość wody w przekroju wylotowym

F_wyl = 0, 6736D² = 0, 82m²

• Sprawdzenie czy wypad wymaga umocnienia

gdy V_wyl>1,2V_nr – wypad wymaga umocnienia

Przyjęto na stanowisku dolnym grunt rodzimy, jako gliny zwięzłe

- przy głębokości strumienia 1m z tabl. 2.3. [R]

- wypad wymaga umocnienia

Ocena warunków hydraulicznych poniżej wylotu

Jeżeli h_wyl<h_kr to w obrębie stanowiska dolnego wystąpi odskok hydrauliczny i wymagane jest umocnienie dna odpowiednie dla prędkości.

Wymiarowanie wypadu

Obliczenie energii

1. Kąt β, dla ruchu spokojnego z wykresu Serenkova, rys.3.3[R]

Obliczenie liczby Froude’a na wylocie:

Obliczenie liczny Froude’a w przekroju koryta odpływowego na wypadzie

Z wykresu odczytano kąt β=25

1. Długość wypadu L_w, na którym wystąpi całkowite rozszerzenie się strumienia

2. Długość umocnienia stanowiska dolnego L­_U

Jako długość umocnienia przyjęto wartość maksymalną z powyższych równań: L_U=3,3m.

Ponieważ nastąpi odskok hydrauliczny należy obliczyć głębokość sprzężoną z głębokością na wylocie

Głębokość strumienia w ruchu rwącym, w przekroju poprzecznym na końcu rozszerzenia wypadu

Głębokość strumienia sprzężoną z głębokością h_w

Przyjęto, że głębokość wody w kanale odpływowym jest równa głębokości wody przed przepustem

Po porównaniu obliczonych wartości głębokości zakwalifikowano rozpatrywaną sytuację do przypadku b), strona 3926 [3]

Oznacza to, że odskok hydrauliczny nastąpi w rozszerzającej się części wypadu lub przed jej końcem.

Obliczenie głębokości rozmycia za przepustem

Głębokość rozmycia za przepustem dla przypadku b oblicza się ze wzoru

Ponieważ ∆h_r jest wartością ujemną, można przyjąć, że rozmycie nie nastąpi. W związku z tym jako umocnienie dna wypadu dla prędkości V_wyl=3,88m/s, zgodnie z tab.2.4 [3] przyjęto bruk pojedynczy z kamienia łamanego którego V_d=3,5÷4m/s.

Dla podanych wartości zaprojektowany przepust spełnia warunki dla tego typu przepustów o zatopionym wlocie i niezatopionym wylocie całkowicie wypełnionym.

Zestawienie materiałów i elementów przepustu

	Rodzaj materiału	Ilość	Jednostka
1.	Żelbetowy element prefabrykowany wchodzący w skład przepustu na długości 1m i średnicy 110x12	14	szt
2.	Papa asfaltowa	85	m^2
3.	Tłuczeń kamienny	5,9	m^3
4.	Beton na fundamenty C25/30	6,6	m^3
5.	Stal zbrojeniowa –pręty główne ⌀ 20 ze stali A- II (1m=1,998kg)	45	kg
6.	Strzemiona z prętów ⌀6 ze stali A-I co 20cm(1m=0,222kg)	14	kg
7.	Beton na skrzydła, wlot i wylot	8,8	m^3