РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ ДОРОЖНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ И МАЛЫХ МОСТОВ

РАСЧЕТ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ДОРОЖНЫХ ТРУБ

Пропускная способность дорожных труб зависит главным образом от напора перед сооружением, размера отверстий и конструкции входных оголовков. Расчет пропускной способности труб выполняют по уравнениям гидравлики, соответствующим режиму протекания потока через сооружение.

Гидравлический расчет труб сводится к назначению по расчетному гидрографу стока такого отверстия, при котором: расход воды в сооружении в результате аккумуляции ливневых вод не будет отличаться более чем в 3 раза от максимального расчетного, а в результате аккумуляции стока талых вод — не более чем в 2 раза; напор воды перед трубой будет не выше тех значений, при которых возможны перелив через насыпь, подтопление населенных пунктов, народнохозяйственных предприятий и т.д.; скорости течения на выходе из трубы и, особенно, на сходе с укрепления не будут превышать допустимые для конструкции укрепления нижнего бьефа.

В зависимости от глубины подтопления и типа входного оголовка в трубах могут быть установлены следующие режимы протекания:

  • 1) безнапорный, если напор Н (глубина воды на входе) не превышает Н< 1,2 hBX (где Ивх — высота входного сечения трубы). На всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность (рис. 15.1, а). Труба работает по гидравлической схеме водослива с широким порогом;
  • 2) полунапорный, возникающий при оголовках обычных типов в тех случаях, когда подпор перед трубой превышает высоту трубы на входе: Н > 1,2hBX. На входе труба работает полным сечением, а на всем остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. 15.1,6). Труба работает по гидравлической схеме истечения из- под щита;
  • 3) напорный, который устанавливается при специальных входных оголовках обтекаемой формы, при подтоплении верха трубы на входе более Н > 1,4hBX и при уклоне трубы не больше уклона трения (/тр < IJ. На большей части длины труба работает полным сечением, и лишь у выхода поток может иметь свободную поверхность (рис. 15.1, в). Труба работает по гидравлической схеме внешнего насадка.

При значительном подтоплении входа в трубу напорный режим может возникать периодически и при необтекаемых входных оголов-

Режимы работы водопропускных труб

Рис. 15.1. Режимы работы водопропускных труб: а — безнапорный: б — полунапорный; в — напорный

ках обычных типов. Однако из-за прорыва воздуха вследствие подсоса через образующуюся у входного отверстия водную воронку напорный режим протекания потока в этом случае неустойчив и периодически переходит на полунапорный.

Расчетные формулы пропускной способности труб, соответствующие трем режимам протекания воды в трубах, следующие: а) безнапорный режим:

где Асж= 0,9Акр (см. рис. 15.1, а) — глубина в сжатом сечении; йкр — критическая глубина; фб — коэффициент скорости, зависящий от формы входного оголовка.

Зная, что критическая скорость (где Усж скорость в

сжатом сечении), можно записать: . Далее, зная связь

между глубиной Н и сж, выражаемую формулой

получаем при обычных значениях коэффициента скорости (рб = 0,85 (для всех оголовков, кроме обтекаемых, обеспечивающих протекание по напорному режиму)

Тогда расход воды в сооружении

Здесь сосж — площадь сжатого сечения потока, вычисляемая при глубине Исж= 0,5Н.

График для определения характеристик круглого сечения

Рис. 15.2. График для определения характеристик круглого сечения

Для прямоугольных сечений (сосж =

= 0,5 ЬН)

или

что соответствует коэффициенту расхода водослива т = 0,30.

Для круглых поперечных сечений площадь сосж может быть вычислена с помощью графика (рис. 15.2), на котором даны величины

где d — диаметр грубы.

Минимальную рабочую отметку земляного полотна при этом определяют:

• при

где /?тр — высота трубы; Д — запас, принимаемый равным толщине дорожной одежды, но не менее 0,5 м;

• при

где б — толщина стенки трубы; /?д0 — толщина дорожной одежды;

б) полунапорный режим:

где Исж = 0,6 Авхвх — высота входного сечения трубы).

При обычных значениях

Площадь полного сечения входа легко вычислить как для прямоугольного, так и для круглого сечения.

Минимальную рабочую отметку земляного полотна определяют по формуле (15.4) при запасе не менее А > 1,0 м;

в) напорный режим:

• при уклоне трубы

где сотр и /гтр— полная площадь сечения и высота на основном протяжении трубы; фн = 0,95 — коэффициент скорости (для обтекаемых оголовков, обеспечивающих автоматическое установление напорного режима);

• при уклоне трубы

где / — длина трубы; — уклон трения трубы;

расходная характеристика трубы; — гидравлический радиус; % —

смоченный периметр; п — коэффициент шероховатости (для бетона п = 0,017).

При фактическом уклоне трубы / > Iw труба разряжается и работает как полунапорная с соответствующим уменьшением пропускной способности. При фактическом уклоне /тр< Iw труба работает полным сечением (как напорная), но уровень перед трубой (напор), как видно из уравнений (15.8), возрастает на величину АН:

Минимальную рабочую отметку земляного полотна определяют по формуле (15.4) при запасе не менее А > 1,0 м.

Для разных режимов протекания воды обычно составляют расчетные таблицы или графики пропускной способности типовых труб (табл. 15.1-15.4, рис. 15.3, 15.4).

Расчетные графики пропускной способности прямоугольных унифицированных труб

Рис. 15.3. Расчетные графики пропускной способности прямоугольных унифицированных труб

Расчетные графики пропускной способности круглых унифицированных труб

Рис. 15.4. Расчетные графики пропускной способности круглых унифицированных труб

Таблица 15.1

Гидравлические характеристики типовых круглых труб при безнапорном режиме

Диаметр отверстия, м

Расход, м3

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

Портальный оголовок

0,75

0,20

0,41

1,40

0,40

0,62

1,70

0,60

0,79

2,00

Раструбный оголовок с нормальным входным звеном

1,00

0,60

0,68

2,10

0,80

0,81

2,30

1,00

0,93

2,40

1,20

1,05

2,60

1,40

1,16

2,80

Раструбный оголовок с коническим входным звеном

1,00

0,80

0,57

1,40

1,00

0,84

2,40

1,40

1,03

2,70

1,65

1,14

2,90

2,00

1,31

3,30

2,20

1,39

3,40

Диаметр отверстия,

Расход, м3

Глубина воды перед

Скорость на выходе

м

трубой, м

из трубы, м/с

1,25

1,00

0,77

2,20

1.50

0,95

2.50

2,00

1,13

2,70

2,50

1,29

3,00

1,50

2,70

1,37

3,20

3,00

1,46

3,30

3,50

1,61

3,50

3,90

1,74

3,80

4,50

2,19

3,90

4,80

2,27

4,00

1,75

4,50

1,47

3,20

4,70

1,75

3,70

5,00

1,81

3,70

6,00

2,08

4,10

2,00

4,50

1,47

3,20

5,00

1,55

3,30

5,50

1,65

3,40

6,00

1,73

3,50

6,50

1,81

3,60

7,00

1,90

3,70

7,50

1,98

3,80

8,00

2,06

3,90

8,50

2,14

4,00

9,00

2,22

4,10

9,50

2,31

4,20

10,00

2,38

4,30

10,50

2,46

4,30

11,00

2,54

4,50

12,50

2,78

4,80

Таблица 15.2

Гидравлические характеристики типовых круглых труб при полунапорном и напорном режимах

Тип оголовка

Диаметр отверстия трубы, м

Расход,

м3

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

Полунапорный режим

Раструбный с нормальным входным звеном

1,00

1,60

1,30

3,30

2.00

1,80

4,10

2,40

2,34

4,90

2,80

2,95

5,70

3,00

3,16

6,00

Напорный режим

Раструбный с нормальным входным звеном

1,00

3,00

1,66

4,20

3,50

2,02

5,00

1,25

5,00

1,96

4,50

6,00

2,45

5,40

Раструбный с коническим входным звеном

1,50

7,00

2,24

4,40

8,00

2,40

5,00

8,50

2,58

5,30

2,00

13,30

2,86

4,90

14,50

3,01

5,10

16,00

3,11

5,70

16,50

3,22

6,10

Учитывая, что напорные трубы обладают наибольшей пропускной способностью, а при прогнозах расчетных максимальных расходов и объемов стока возможны значительные ошибки, целесообразно все же предусматривать обтекаемые входные оголовки даже для тех сооружений, которые проектируют на безнапорный и полунапорный режимы их работы.

При назначении отверстий труб необходимо учитывать аккумуляцию паводковых вод в пруду перед сооружением. При этом заранее нельзя назвать степень снижения расчетного максимального расхода, так как глубина воды перед сооружением (глубина пруда) еще неизвестна. Это осложняет расчет и заставляет выполнять его аналитическим методом, или путем последовательных приближений, или, наконец, упрощенно графоаналитическим методом.

Малые водопропускные сооружения почти всегда сильно стесняют поток и изменяют его бытовой режим. В результате временного накопления перед сооружением части объема стока гидрограф притока трансформируется в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению расчетного сбросного расхода воды в сооружении Qc по сравнению с наибольшим секундным притоком с бассейна Qmax (рис. 15.5). Объем накопившейся воды Wnp при общем объеме стока W зависит от гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа участка местности, в пределах которого образуется временный водоем (пруд перед сооружением).

Таблица 15.3

Гидравлические характеристики типовых прямоугольных труб

Расход, м3/с, при отверстии трубы, м

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

2,0x2,0

2,5x2,0

3,0x2,5

4,0x2,5

1,00

1,25

1,50

2,00

0,45

1,80

2,00

2,50

3,00

4,00

0,71

2,30

3,00

3,75

4,50

6,00

0,94

2,70

4,00

5,00

6,00

8,00

1,13

2,90

5,00

6,25

7,50

10,00

1,32

3,20

6,00

7,50

9,00

12,00

1,48

3,40

7,00

8,75

10,50

14,00

1,66

3,50

8,00

10,00

12,00

16,00

1,82

3,90

9,00

11,25

13,50

18,00

1,97

4,10

10,00

12,50

15,00

20,00

2,11

4,20

11,00

13,75

16,50

22,00

2,27

4,40

Расход, м3/с, при отверстии трубы, м

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

2,0x2,0

2,5x2,0

3,0x2,5

4,0x2,5

12,00

15,75

18,90

25,20

2,49

4,60

14,00

17,50

21,00

28,00

2,65

4,70

15,00

18,75

22,50

30,00

2,77

4,80

Схемы к учету аккумуляции перед водопропускными сооружениями (а) и к подсчету объема пруда (б)

Рис. 15.5. Схемы к учету аккумуляции перед водопропускными сооружениями (а) и к подсчету объема пруда (б)

Расход воды в отверстии сооружения определяет высота подпора воды над входным лотком. При крутых, ярко выраженных логах этот подпор в течение ливневого паводка обычно достигает размеров, обеспечивающих практическое равенство расхода воды в отверстии наибольшему секундному притоку. Объем воды, накопившейся перед сооружением, по сравнению с объемом всего паводка оказывается незначительным и практически не влияет на работу сооружения. При определении отверстия сооружения в таких случаях в качестве расчетного расхода может приниматься наибольший расход водотока заданной ВП.

При относительно пологих, развалистых или слабо выраженных логах образование подпора перед сооружением сопряжено с затоплением значительных площадей и накоплением перед полотном дороги больших объемов воды, которые составляют уже существенную часть общего объема паводка. Подпор воды перед сооружением возрастает медленно и обычно не успевает достичь размера, обеспечивающего равенство сброса наибольшему притоку паводка. Расход воды в отверстии сооружения оказывается часто во много раз меньшим расчетного расхода притока. В таких случаях аккумуляцию воды следует обязательно учитывать при определении отверстия сооружения для пропуска стока.

Таблица 15.4

Гидравлические характеристики типовых прямоугольных труб при значительных значениях расходов в сооружении

Расход,

м3

Гпубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

Расход,

м3

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

Отверстие трубы 2,0х2,0 м

Отверстие трубы 3,0x2,5 м

15,40

2,88

6,10

23,00

2,86

4,80

16,00

2,99

6,30

23,50

2,92

4,90

16,50

3,07

6,50

24,00

2,98

5,00

17,00

3,16

6,70

24,50

3,04

5,10

17,50

3,25

6,90

25,00

3,10

5,20

18,00

3,35

7,10

25,50

3,16

5,50

19,00

3,56

7,50

26,00

3,22

5,50

20,00

3,75

7,90

27,00

3,34

5,70

21,00

3,97

8,30

28,00

3,47

5,90

29,00

3,61

6,10

30,00

3,75

6,30

31,00

3,89

6,40

31,50

3,97

6,60

Расход,

м3

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

Расход,

м3

Глубина воды перед трубой, м

Скорость на выходе из трубы, м/с

Отверстие трубы 2,5x2,0 м

Отверстие трубы 4,0x2,5 м

19,30

2,88

6,10

31,00

2,89

4,90

20,00

2,97

6,30

32,00

2,98

5,00

20,50

3,04

6,50

33,00

3,07

5,20

21,00

3,11

6,60

34,00

3,16

5,40

21,50

3,19

6,80

35,00

3,25

5,50

22,00

3,25

6,90

36,00

3,35

5,70

23,00

3,40

7,20

37,00

3,44

5,80

24,00

3,57

7,50

38,00

3,54

6,00

25,00

3,74

7,90

39,00

3,64

6,10

26,00

3,91

8,20

40,00

3,75

6,30

26,50

4,00

8,30

41,00

3,86

6,40

42,00

3,97

6,60

Часть площади гидрографа притока, расположенная выше кривой сбросных расходов (см. рис. 15.5), представляет собой объем накопленной воды перед сооружением (объем пруда). Отношение между объемом пруда и суммарным притоком с бассейна Wопределяет степень трансформации паводка и может служить показателем регулирующей способности вместимости лога перед сооружением.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >