Введение
Конструкция для отвода воды через препятствие
Кальверт – это сооружение, предназначенное для отвода воды через препятствие или к подземному водному руслу. Обычно закладывается таким образом, чтобы быть окруженным грунтом, и может быть изготовлен из трубы, железобетона или другого материала. В Соединенном Королевстве это слово также может использоваться для обозначения более длинного искусственно засыпанного водотока. Кальверты обычно применяются как поперечные дренажные сооружения для облегчения отвода воды из канав вдоль дорог, а также для пропуска воды под дорогами в местах естественного дренажа и пересечения ручьев. При расположении под дорогами они часто бывают пустыми. Кальверт может представлять собой мостоподобную конструкцию, предназначенную для обеспечения проезда транспортных средств или пешеходов над водным руслом, при этом сохраняя достаточный пропуск воды. Сухие кальверты используются для прокладки пожарного шланга под шумозащитным экраном, чтобы облегчить тушение пожаров вдоль автомагистрали без необходимости или опасности установки пожарных гидрантов непосредственно вдоль дороги. Кальверты бывают различных размеров и форм, включая круглые, эллиптические, с плоским дном, с открытым дном, грушевидные и коробчатые. Выбор типа и формы кальверта зависит от ряда факторов, включая требования к гидравлической эффективности, ограничения по уровню воды выше по течению и высоту насыпи дороги. Процесс удаления кальверта для восстановления открытого водотока называется восстановлением естественного русла. В Великобритании эта практика также известна как декульвертирование.
Материалы
Кальверты 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 создания композитных конструкций. Например, гофрированные стальные конструкции с открытым низом часто устанавливаются на бетонные фундаменты.
Конструкция и проектирование
Строительство или установка водопропускной трубы обычно приводит к нарушению почвенного покрова, берегов водотока или русла реки, и может вызвать нежелательные проблемы, такие как образование промоин или обрушение берегов, прилегающих к конструкции водопропускной трубы. Водопропускные трубы должны быть правильно подобраны по размеру и установлены, а также защищены от эрозии и размыва. Многие государственные учреждения США, такие как Федеральное управление автомобильных дорог, Бюро управления земельными ресурсами и Агентство по охране окружающей среды, а также региональные или местные органы власти,
Если разрушение происходит внезапно и катастрофически, это может привести к травмам или гибели людей. Внезапные обрушения дорог часто являются результатом неправильно спроектированных и спроектированных участков пересечения водотоков или неожиданных изменений в окружающей среде, приводящих к превышению расчетных параметров. Вода, проходящая через водопропускные трубы недостаточного размера, со временем размывает окружающую почву. Это может привести к внезапному обрушению во время умеренных дождей. Аварии, вызванные разрушением водопропускной трубы, также могут произойти, если водопропускная труба была недостаточно рассчитана, и паводок переполняет ее, или повреждает дорогу или железнодорожное полотно над ней. Бесперебойная работа водопропускной трубы зависит от правильного проектирования и инженерных расчетов, учитывающих нагрузку, гидравлический поток, анализ окружающего грунта, уплотнение засыпки и основания, а также защиту от эрозии. Неправильно спроектированная поддержка засыпки вокруг водопропускных труб может привести к обрушению материала или разрушению из-за недостаточной несущей способности.
Влияние на окружающую среду
Безопасные и устойчивые переправы через ручьи и реки могут обеспечить проход диких животных и защитить здоровье водоемов, одновременно снижая затраты на устранение эрозии и повреждений сооружений. Неправильно спроектированные и расположенные водопропускные трубы могут негативно сказаться на качестве воды и водных организмах. Недостаточно спроектированные трубы могут ухудшить качество воды из-за размыва и эрозии, а также ограничить перемещение водных организмов между участками русла выше и ниже по течению. Рыбы часто страдают от потери среды обитания из-за некачественных переправочных сооружений. Водопропускные трубы, обеспечивающие адекватный проход водных организмов, уменьшают препятствия для передвижения рыб, диких животных и других водных обитателей, которым необходим проход по руслу. Неправильно спроектированные трубы также более склонны к засорению наносами и мусором во время сильных дождей. Если водопропускная труба не способна пропускать половодье, вода может переливаться через насыпь дороги. Это может вызвать значительную эрозию и, в конечном итоге, разрушение трубы. Вымытый материал насыпи может забивать другие сооружения ниже по течению, приводя к их выходу из строя. Он также может нанести ущерб посевам и имуществу. Правильно рассчитанная конструкция и укрепление берегов могут помочь снизить это давление. Замена водопропускных труб – распространенная практика при восстановлении ручьев и рек. Долгосрочные преимущества этой практики включают снижение риска катастрофических разрушений и улучшение проходности для рыб. При соблюдении передовых методов управления краткосрочное воздействие на водную биологию будет минимальным.
Проход рыбы
В то время как пропускная способность водопропускной трубы определяется гидрологическими и гидравлическими расчетами, это часто приводит к высоким скоростям потока внутри трубы, создавая потенциальный барьер для миграции рыб. Ключевыми параметрами водопропускной трубы, влияющими на прохождение рыбы, являются размеры трубы, в частности ее длина, форма поперечного сечения и уклон дна. Поведенческая реакция рыб на размеры трубы, освещенность и турбулентность потока может влиять на их способность к плаванию и скорость прохождения водопропускной трубы. Не существует простых технических средств для определения характеристик турбулентности, наиболее важных для прохождения рыбы через водопропускные трубы, однако известно, что турбулентность потока играет ключевую роль в поведении рыб. Взаимодействие плавающих рыб с вихревыми структурами происходит в широком диапазоне соответствующих масштабов длины и времени. Недавние обсуждения подчеркивали роль вторичных течений, учет размеров рыбы по отношению к спектру масштабов турбулентности и положительное влияние турбулентных структур, при условии, что рыбы способны их использовать. Современная научная литература о прохождении рыб через водопропускные трубы в основном посвящена быстроплавающим видам, однако некоторые исследования призывают к разработке более четких рекомендаций для рыб с небольшими размерами тела, включая молодь.
Кран с минимальными потерями энергии
В прибрежных равнинах Квинсленда (Австралия) сильные дожди в сезон дождей создают высокую нагрузку на водопропускные трубы. Естественный уклон пойм часто очень мал, и допустимы незначительные потери напора в водопропускных трубах. Исследователи разработали и запатентовали методику проектирования водопропускных труб с минимальными энергетическими потерями, обеспечивающих небольшой подпор. Водопропускная труба или водоток с минимальными энергетическими потерями – это конструкция, разработанная на основе концепции минимальных потерь напора. Поток в подводящем канале сужается через обтекаемый вход в трубу, где ширина канала минимальна, а затем расширяется в обтекаемом выпуске перед окончательным сбросом в естественный русловый канал ниже по течению. И вход, и выход должны быть обтекаемыми, чтобы избежать значительных местных потерь. Дно трубы часто опускается для увеличения пропускной способности. Концепция водопропускных труб с минимальными энергетическими потерями была разработана инженером из округа Виктория и профессором Университета Квинсленда в конце 1960-х годов. Хотя ряд небольших сооружений был спроектирован и построен в Виктории, некоторые крупные сооружения были спроектированы, испытаны и построены в юго-восточном Квинсленде.
Лесоводство
В лесном хозяйстве правильное использование водопропускных труб поперечного дренажа может улучшить качество воды, обеспечивая при этом возможность продолжения лесохозяйственных работ.