Проектирование и сооружение перехода через водную преграду

q_тр – расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода;

 

Расчетная выталкивающая  сила воды, действующая на трубопровод

,

где D_н.ф. – наружный диаметр футерованного трубопровода.

На подводном переходе применяется двойная изоляция, т.е. два слоя изоляционной ленты и  два слоя обертки. Для изоляции трубопровода выбираем изоляционную ленту «Поликен» толщиной δ_и.л.=0,635 мм, плотностью ρ_и.л.=1046 кг/м³ и обертку «Поликен» толщиной δ_об.=0,635 мм, плотностью ρ_об.=1028 кг/м³   [2].

 

Горизонтальная  составляющая гидродинамического воздействия  потока

,

С_х–гидродинамический коэффициент лобового сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и характера внешней поверхности трубопровода.

где V_ср – средняя скорость течения реки, V_ср=0,75 м/с;

ν_в – вязкость воды, ν_в =1,31 10^-6 м²/с.

Для офутерованного трубопровода и 10⁵<Re<10⁷ коэффициент С_х=1,0  [2].

 

 

Вертикальная  составляющая гидродинамического воздействия  потока

,

С_у – коэффициент подъемной силы, С_у=0,55  [2];

Расчетную нагрузку от собственного веса трубопровода рассчитаем по следующей  формуле

q_тр = n_св (q_м^н + q_из^н+q_фут^н₎,

    где n_св – коэффициент надежности по нагрузкам от действия собственного веса, n_св=0,95   [6];                                      

q_м^н – нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы;

   q_из^н -нормативная нагрузка от собственного веса изоляции;

q_фут^н – нормативная нагрузка от собственного веса футеровки.

 

Нормативная нагрузка от собственного веса металла трубы

,

g_м – удельный вес металла, из которого изготовлены трубы (для стали g_м=78500 Н/м³   [2]);

D_Н – наружный диаметр трубопровода, м;

D_ВН – внутренний диаметр трубопровода, м;

 

Нормативная нагрузка от собственного веса изоляции

,

q_и.л.^н – нормативная нагрузка от собственного веса изоляционной ленты;

q_об^н – нормативная нагрузка от собственного веса обертки.

q_и.л.^н =к_из×p×D_Н×g×d_и.л.×r_и.л.,

                               q_об^н =к_из×p×D_Н×g×d_об×r_об,

к_из – коэффициент, учитывающий величину нахлеста, при двухслойной изоляции (обертки), к_из=2,3  [2].

q_и.л.^н =2,3×3,14×0,820×9,81×0,635×10^-3×1046=38,59 Н/м,

q_об^н =2,3×3,14×0,82×9,81×0,635×10^-3×1028=37,92 Н/м,

Тогда    

Нормативная нагрузка от собственного веса футеровки

,

где r_фут – плотность деревянной футеровки;

D_н.ф – наружный диаметр офутерованного трубопровода;

D_н.и – наружный диаметр изолированного трубопровода.

D_н.и=D_Н+4×d_и.п+4×d_об=820+4×0,635+4×0,635=825,08 мм;

 

В результате расчетная нагрузка от собственного веса трубопровода будет равна:

q_тр = 0,95∙(1701+76,51+425,69)=2093,04 Н/м.

Теперь определим дополнительную выталкивающую силу за счет изгиба трубопровода

где

        J- осевой момент инерции поперечного сечения трубы

Таким образом, величина пригрузки трубопровода в воде, равна:

 

 

Определим расстояние между пригрузами и их число.

Для балластировки трубопровода выбираем железобетонные кольцевые пригрузы, марка УТК 1020-24-2 массой 4048 кг, объемом 1,76 м³ , толщина груза =0,200м, ширина груза 2,4м, наружный диаметр

=1,50м [2].

Расстояние между пригрузами

где Q_г – масса груза;

V_г – объем груза;

_{Число пригрузов}   .

Принимаем количество пригрузов N_г=21 шт.

 

5 Расчет тягового  усилия, подбор троса и тягового  механизма.

 

Расчет тягового усилия ведем из условия

где  Т_р – расчетное тяговое усилие;

m_тяг – коэффициент условий работы тягового устройства, m_тяг=1,1  при протаскивании лебедкой  [2];

Т_пр – предельное сопротивление трубопровода на сдвиг.

 

Расчет предельного  сопротивления трубопровода на сдвиг  можно разбить на три этапа.

1. Первый этап расчета предельного сопротивления трубопровода.

Трогание трубопровода с места на берегу.

Усилие протаскивания  определим по формуле:

                                             T_пр=q_i ×f × L + C + E_пас ,  

где  q_i – вес полностью снаряженного трубопровода единичной длины в воздухе (металл трубы, изоляция, футеровка, балластировка);

f – коэффициент трения трубопровода о грунт при продольных перемещениях, который можно в первом приближении принять равным тангенсу угла внутреннего трения грунта , для глин   tg j_гр=0,287  [2];

С – сопротивление  трубопровода сдвигу, обусловленное сцеплением грунта;

Е_пас – пассивный отпор грунта.

                                       q_i =n_св (q_м^н +q_из^н + q_фут^н) +n_б q_бал^н.  

Рассчитаем нормативный  вес балластировки в воздухе

                                             ,  

ρ_б – плотность материала пригрузки (бетон), ρ_б=2400 кг/м³;

 

Вес единицы длины  трубопровода в воздухе

q_i= 0,95×( 1701+76,51+425,69)+0,9×11218 = 12189,24 Н/м.

Теперь определим сопротивление  трубопровода сдвигу по формуле

                                                     С=L×c_гр×i_тр ,                                          

c_гр – сцепление грунта, для глин  c_гр=19,5 кПа [2];

i_тр – длина части окружности трубы, врезавшейся в грунт,

i_тр= 0,3×D_н.ф =  0,3×0,875 = 0,2625 м.

С = 60×19500×0,2625 = 307125 Н.

Пассивный отпор грунта врезающимися в него неровностями на поверхности трубы:

,

где  N_г – число выступающих элементов на поверхности трубы

i_г – длина хорды той части пригруза, которая погружена в грунт;

ρ_гр – плотность грунта r_гр= 1800 кг/м³ [4];

t_г – толщина пригруза =0,200м;

j_гр – угол внутреннего трения грунта, для суглинка принимаем j_гр=16⁰  [2].

                                            ,    

D_н.г – наружный диаметр груза, D_н.г=1,50 м [2].

Усилие протаскивания

Т_пр=12189,24 ×0,287×75+307125+276734,61= 846233,001 Н.

 

2. Второй этап расчета предельного сопротивления трубопровода.

а)  по берегу:

Т_пр=q_i×f×L,

Т_пр=12189,24 ×0,287×75= 262373,391 Н.

б) в воде по дну траншеи:

Т_пр=q_iв× f_в×L

где f_в – коэффициент трения трубопровода о грунт в воде, ориентировочно f_в=0,8×tg j_гр=0,8×tg 16⁰=0,229;

q_iв – вес единицы длины протаскиваемого трубопровода в воде.

q_iв=q_м +q_из +q_фут +q_бал.в-q_в=q_i - q_в,

q_iв=12189,24 – 6342,5 = 5846,74 Н,

Т_пр= 5846,74 ×0,229×75 = 100417,76 Н.

 

3. Третий этап расчета предельного сопротивления трубопровода.

Третья стадия  – трогание трубопровода с места, после вынужденной (более одного часа) остановки протаскивания.

Определяем усилие протаскивания  при балластировке одиночными грузами:

                                        Т_пр= q_iв× f_в ×L +Е_пас.в+q_пс×S_пс, 

                                         

где  Е_пас.в – пассивный отпор грунта в воде;

q_пс – интенсивность «присоса» трубопровода ко дну подводной траншеи, в суглинках q_пс=0,3 кН/м²  [2];

S_пс – площадь поверхности контакта трубопровода и пригрузов с грунтом.

               

где с_гр.в – сцепление грунта в воде, для футерованного трубопровода.

с_гр.в=0,1× с_гр=0,1×19,5= 1,95кПа,

S_пс=i_тр×L=0,2625×75=19,69 м²,

Т_пр=5846,74 ×0,229×75+34284,065+300× 19,69 = 140608,82  Н.

 

Наибольшее предельное сопротивление трубопровода на сдвиг  наблюдается при трогании с места на берегу, поэтому для определения расчетного тягового усилия будем использовать Т_пр=872588,673 Н.

Определим расчетное  тяговое усилие Т_р

Т_р=m_тяг×Т_пр ,

где m_тяг – коэффициент условий работы при протаскивании лебедкой, m_тяг =1,1.

Т_р=1,1×872588,673 = 959847,54 Н =959,8 кН

Данное тяговое усилие обеспечивает лебёдка ЛП – 151 с тяговым  усилием 1500 кН. Диаметр троса лебедки 60,5 мм. Проверим трос на разрыв. Условие  проверки

где  m_т – коэффициент условий работы, m_т=1,1  [2];

n_т – коэффициент надежности по нагрузке от тягового усилия, n_т=2  [2];

k_од – коэффициент однородности троса, k_од=1 (трос новый)  [2];

t_т.с – коэффициент тросового соединения, t_т.с=0,7 (через крюк) [2];

 кН;             

Трос диаметром 60,5 мм данное тяговое усилие не обеспечивает.

 

Принимаем протаскивание  через блок, усилие делится пополам.

По табл.14 выбираем трос диаметром 60,5 мм для которого R_тр=1895 кН.

R_пр= 2R_тр =2×1895=3790 кН >3110,8 кН   

Условие выполняется.

 

6 Схема сооружения  перехода

 

Одним из способов строительства переходов трубопроводов через водные преграды является способ наклонно-направленного бурения (ННБ)

Этот способ рекомендуется осуществлять на стесненных, застроенных участках рек, вблизи действующих переходов трубопроводов, существующих заповедных или закрытых зон, в местах, требующих высокой экологической защиты в процессе строительства перехода. Применение этого способа на данной трассе производится на основе технико-экономического обоснования, выполняемого проектной организацией.

Строительство переходов  способом наклонно-направленного бурения  должно осуществляться специализированными  организациями, имеющими на вооружении специальную буровую и другую технику, оборудование и специалистов. Работы в таких случаях выполняются по специальному проекту, выполненному с учетом требований нормативных документов и согласованному с органами Ростехнадзора, охраны природы и других заинтересованных организаций и утвержденному Заказчиком.

Проектные и строительные организации, выполняющие работы по данному способу, должны обладать соответствующими лицензиями и опытом, дающими им право на подобные работы на территории Российской Федерации.

При выборе створа перехода, применительно к данному способу  строительства, рекомендуется учитывать следующее:

• участок реки должен быть прямолинейным, без излучин, рукавов, стариц, больших обводненных пойм;
• геологические условия должны быть благоприятны для бурения скважины; участки с оползневыми, карстовыми и солефлюкционными процессами не допускаются;
• берега должны быть без резких перепадов и по высоте близки между собой;
• применение кривых механического гнутья рабочего трубопровода и предельных радиусов его изгиба не допускается.

Основой для разработки проекта строительства переходов  способом ННБ должны являться инженерные изыскания, выполненные согласно техзаданию по специальной программе, специальные строительные нормы на данный вид строительства и требования данного нормативного документа.

Техническое задание  на изыскания согласовывается Заказчиком с подрядными - проектно-изыскательской и строительной организациями.