Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ВОДОСЛИВЫ

Основная терминология (рис.1)

ВБ - верхний бьеф - участок потока перед водосливом;

НБ - нижний бьеф - участок потока за водосливом;

гребень водослива - верхняя кромка водосливного порога;

H - статический напор на гребне (пороге водослива) - превышение уровня воды над гребнем водослива на расстоянии (3…5)H от порога (до заметного начала кривой спада);

P_в.б., P_н.б. - высота порога водослива (соответственно, со стороны ВБ и НБ);

h_в.б., h_н.б. - глубина потока в ВБ и НБ;

z = P_н.б. + H - h_н.б. - перепад;

B - ширина потока (по урезу воды) перед водосливом (в ВБ);

b - ширина отверстия водослива (длина гребня водослива);

v₀ - скорость подхода (на удалении (3…5)H от порога); приближенно

,

где Q - расход воды через водослив.

H₀ - полный напор на водосливе:

.

Рис.1

Классификация водосливов

1. По типу порога водослива:

а) водосливы с тонкой стенкой. Струя не прилипает к оголовку.

S (0,1 … 0,5).H.

в) водосливы с широким порогом

- с острой передней кромкой

2H S 10H;

- с закругленной передней кромкой

2,5H S 15H

г) водослив практического профиля.

Если струя прижимается к сливной грани водослива (давление во всех точках больше атмосферного) - водослив безвакуумного профиля.

2. По типу сопряжения струи с потоком в нижнем бьефе:

а) незатопленные (неподтопленные) водосливы, уровень воды в нижнем бьефе не влияет на расход воды через водослив (рис. 1 - 1);

б) затопленные (подтопленные) водосливы; h_п = H - z - высота подтопления (глубина подтопления) водослива (у незатопленных водосливов H z, h_п = 0);

3. В зависимости от соотношения ширины отверстия водослива b и ширины потока B:

а) водосливы без бокового сжатия - b = B ;

б) водосливы с боковым сжатием - b < B; b_c - ширина струи в сжатом сечении.

4. По геометрической форме водосливного отверстия (рис. 1 - 3):

а) прямоугольные;

б) треугольные;

в) трапецеидальные;

г) круговые;

д) параболические и т.д.

Расход через прямоугольный неподтопленный водослив с тонкой стенкой определяется по формуле:

м³/с.

Скорость подхода учтена в коэффициенте расхода водослива m₀, поэтому в формуле стоит не H₀, а статический напор H.

Прямоугольный неподтопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия называется нормальным. Для нормального водослива m₀ определяется по эмпирическим формулам:

или (при P_вH и H 0,1 м)

.

Для водослива с боковым сжатием m_o определяется по формуле:

.

Расход воды через неподтопленный прямоугольный водослив с широким порогом (без бокового сжатия) определяется по формуле

.

В первом приближении коэффициент расхода m можно принимать равным

а) - 0,32 для водослива с острым входным ребром;

б) - 0,35 для водослива с закругленным входным ребром.

При неподтопленном водосливе с широким порогом на пороге устанавливается глубина h, равная критической глубине

,

где коэффициент k равен 0,453 для порога а) и 0,498 для порога б), т.е. поток на пороге критический.

Водослив с широким порогом будет подтопленным при выполнении условия

,

где n = 0,85…0,75 (в среднем n = 0,80).

Если это условие не выполняется, то при h_н.б. > (P_н.б.+ h_к) на пороге водослива возникает гидравлический прыжок.

Расход в случае подтопленного водослива (также без бокового сжатия) определяется по формуле

Значения коэффициента затопления _з приведены в справочных материалах.

Под брешью понимают сквозной пролом в плотине при ее частичном разрушении.

Бреши в плотинах могут быть весьма разнообразными по форме и размерам и изменяться во времени. С гидравлической точки зрения брешь представляет собой водослив сложной пространственной формы. Поэтому расход воды через брешь может быть определен лишь очень приближенно.

В основу формулы для расхода воды через брешь положена формула для расхода через прямоугольный водослив. В этой формуле коэффициент m и множитель заменяются одним коэффици-ентом . Кроме того, коэффициентом учитывается форма бреши. Т.о. расход через брешь

м³/с.

Здесь: b - ширина отверстия водослива по урезу воды; H - напор (и b и H - в м).

Коэффициент принимается равным: - для брешей прямоугольной формы - 0,9…1,3; - для брешей параболической формы - 0,5…0,8.

2. ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД

Вода в грунте может находиться в следующих видах:

парообразная (в виде пара);

гигроскопическая (адсорбированная на поверхности частиц);

пленочная (в виде пленки на поверхности частиц);

капиллярная;

гравитационная, заполняет поры грунта и движется в грунте под действием сил тяжести.

Мы будем изучать движение гравитационной воды, дальше именно ее будем называть грунтовыми водами. Способность грунтов пропускать через себя воду называется водопроницаемостью.

Движение воды в порах грунта называется фильтрацией. В процессе фильтрации грунтовая вода движется в водопроницаемом слое по поверхности водонепроницаемого слоя грунта (водоупора), которая образует русло фильтрационного потока (рис.2).

Рис. 2

Рис.3

На рис. 2 представлено безнапорное движение грунтовых вод, которое характеризуется наличием свободной поверхности, во всех точках которой давление равно атмосферному. Линия, образующаяся на пересечении свободной поверхности с вертикальной плоскостью, параллельной скорости движения грунтовых вод, называется кривой депрессии (депрессионной кривой).

Потоки грунтовых вод могут быть и напорными (рис. 3), когда водоносный пласт располагается между двумя водонепроницаемыми слоями грунта. Если пробурить верхний водонепроницаемый слой грунта и соединить напорный фильтрационный поток с атмосферой, вода в скважине поднимется (как в пьезометрической трубке) на определенную высоту. Вода, добытая при помощи такой скважины или колодца из напорного водоносного слоя, называется артезианской водой, а колодец - артезианским колодцем.

Законы движения грунтовых вод применяются в строительстве плотин, каналов, осушительных сетей, котлованов и т.д. При этом определяются расходы, положение поверхности (кривой) депрессии.

Движение грунтовых вод, как и потоков жидкости, может быть:

установившимся и неустановившимся;

установившееся движение грунтовых вод может быть равномерным и неравномерным;

ламинарным и турбулентным.

Мы будем рассматривать установившееся ламинарное движение грунтовых вод. Турбулентное движение грунтовых вод может иметь место в крупнозернистых грунтах (щебне, гальке) и в каменной наброске и встречается значительно реже ламинарного.

Расход воды, фильтрующейся через сечение , определяется по закону Дарси

,

где: K - коэффициент фильтрации;

I - пьезометрический уклон, соответствующий потере напора H

при движении воды через грунт на длине L:

Дебит грунтового колодца (рис. 3)

уравнение кривой депрессии

где: H - толщина водоносного пласта;

h - глубина воды в колодце;

r₀ - радиус колодца;

R - радиус действия колодца, приблизительно равный

250…500 м для обычных песчаных грунтов;

700…1000 м для крупнозернистых песков;

Z и r - координаты какой-либо точки кривой депрессии.

Односторонний приток воды по всей длине l водосборной галереи

уравнение кривой депрессии

где: q - односторонний приток к галерее, приходящийся на единицу ее длины

;

b₀ - половина ширины галереи;

h - глубина воды в галерее;

L - предел действия галереи, приближенно равный 250…300 м;

x и Z - координаты какой-либо точки на кривой депрессии.

Пример.

Определить дебит совершенного колодца, отрытого в мелком песке до водоупора. Диаметр колодца d₀ = 1,2 м, глубина воды в колодце h = 0,8 м. Толщина водоносного пласта H = 6,3 м.

Решение

Коэффициент фильтрации для мелкого песка K 10^-5 м/с 1 м/сутки. Радиус действия колодца для песчаного грунта (см. выше) R = 250…500 м, принимаем R =400 м.

м³ сутки.

Осушение местности

Различают следующие виды дренажей: систематический, головной, береговой, кольцевой, пластовый. Регулирующей частью дренажной системы являются трубчатые дрены. Дрена называется совершенной, если ее основание находится на водоупоре, и несовершенной, если ее основание не доходит до водоупора.

Удельный расход фильтрационных вод горизонтальной совершенной дрены на горизонтальном водоупоре при одностороннем притоке воды в дрену определяется по формуле

м³/сутки на 1 п.м.,

где: K - коэффициент фильтрации, м/сутки;

H - высота непониженного уровня грунтовых вод (УГВ) или мощность водоносного слоя, м;

h₀ - глубина воды в дрене;

L - ширина полосы действия (радиус действия) дрены, м.

Ординаты Z кривой депрессии на удалении x от оси дрены

м,

или

м.

Ширину полосы действия (радиус влияния) дрены можно определить по таблице П2.9 справочных данных или по формуле

м,

где: S₀ =H - h₀ - требуемое понижение УГВ у дрены, м.

Удельный расход фильтрационных вод горизонтальной несовершенной дрены круглого сечения при одностороннем притоке воды в дрену вычисляется по формуле

м³/сутки на 1 п.м.,

а ординаты кривой депрессии

,

где: H1 - глубина погружения центра дрены в водонасыщен-ный грунт, м;

r - радиус дрены, м;

A - коэффициент, вычисляемый по формуле

.

Удельный расход совершенной дрены в системе кольцевого дренажа

м³/с на 1 п.м.

Общий расход воды в дренаже составит

м³сутки.

Депрессионную кривую по внешним границам кольцевого дренажа строят по упрощенному уравнению

м.

Депрессионная кривая внутри осушаемого участка устанавливается примерно на уровне воды в дренах.

Удельный расход несовершенной дрены в системе кольцевого дренажа вычисляется по формуле

м³/сутки на 1 п.м.

Здесь, как и выше, H1 - глубина погружения дрены от УГВ, м.

Расчет головного дренажа сводится к расчету одиночной дрены по приведенным выше зависимостям, за исключением удельного расхода несовершенной дрены, определяемого по формуле

м³/сутки на 1 п.м.

Время на осушение защищаемой территории может быть вычислено из формулы для радиуса влияния дрены

откуда для совершенной дрены

суток.

Для несовершенной дрены

суток,

где - средняя мощность осушаемой зоны м.

Пример 1.

Для защиты от подтопления подвала сооружения предусматри-вается устройство кольцевого дренажа из асбоцементных труб.

Определить удельный и суммарный фильтрационные расходы, произвести гидравлический расчет дрены.

Рис.4

Отметка поверхности земли (в створе дрены) = 200,0 м

Отметка уровня грунтовых вод (в створе дрены) = 199,5 м

Отметка водоупора (в створе дрены) = 190,0 м

Отметка дна начала дрены = 196,5 м

Размеры сооружения в плане:

длина l = 40 м

ширина b = 16 м

Грунт участка местности песок среднезернистый

Коэффициент фильтрации K = 12 м/сутки

Диаметр дрены d = 0,2м

Решение

Т.к. отметка дна начала дрены = 196,5 м больше отметки водоупора = 190,0 м - дрена несовершенна.

Радиус дрены

Принимаем глубину воды в дрене

Глубина погружения центра дрены в водонасыщенный грунт

H₁ =199,5 - 196,5 - 0,10 = 2,90 м.

По таблице П2.9 приложения 2 радиус влияния дрены для среднезернистого песка R = 100…200 м. Принимаем R = 150 м.

Удельный расход фильтрационных вод в несовершенной горизонтальной дрене

м³ /сутки на 1 п.м.

Суммарный фильтрационный расход в конце дрены (половина общего расхода дренажа)

м³/сутки.

Гидравлический расчет дрены

Из формулы Шези

найдем минимальный уклон дна дрены, обеспечивающий пропуск расхода Q.

Для дрены, до половины заполненной водой

- площадь живого сечения м²;

- гидравлический радиус м.

По формуле Маннинга коэффициент Шези

Требуемый уклон дна дрены

Принимаем минимальный допустимый уклон для дрен I₀ = 0,0005. При этом дальний конец дрены должен быть глубже заложения дрены в начале (в точке А) на

Пример 2.

Для перехвата грунтовых вод с целью защиты от подтопления заглубленных сооружений, возводимых на заданном участке местности, предусматривается устройство головного дренажа из полиэтиленовых труб.

Определить удельный и суммарный фильтрационные расходы, произвести гидравлический расчет дрены и определить время, потребное для осушения местности в пределах полосы действия дрены.

Рис.5

Отметка поверхности земли (в створе дрены) = 25,0 м

Отметка уровня грунтовых вод (в створе дрены) = 24,5 м

Отметка водоупора (в створе дрены) = 22,0 м

Отметка дна начала дрены = 22,0 м

Длина головной дрены l = 80 м

Диаметр дрены d определить

Грунты участка местности песок мелкозернистый

Коэффициент фильтрации K= 4,0 м/сутки

Коэффициент водоотдачи = 0,15

Решение

Отметки водоупора и дна начала дрены совпадают (22,0 м) - дрена совершенна.

Мощность водоносного слоя

H = 24,5 - 22,0 = 2,5 м.

Предварительно принимаем диаметр дрены d = 100 мм, глубину наполнения дрены . Тогда требуемое понижение УГВ

Ширина полосы действия (радиус влияния) дрены

Удельный расход фильтрационных вод

м³/сутки на 1 п. м.

Суммарный расход фильтрационных вод

м³/сутки.

Принимаем минимальный допустимый уклон дрены I₀ = 0,0005.

При наполнении дрены до половины:

- площадь живого сечения дрены

м²;

- гидравлический радиус м.

По таблице П2.5 приложения 2 для полиэтиленовых труб коэффициент шероховатости n = 0,0086 с/м^1/3.

Коэффициент Шези

м^1/2/с.

Пропускная способность дрены (по формуле Шези)

Окончательно принимаем диаметр дрены d = 100 мм.

3. ДОРОЖНЫЕ ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Дорожные водопропускные сооружения и их классификация

Рельеф земной поверхности характерен неровностями, чередованием повышенных и пониженных участков. Как показывает статистика, в среднем на каждый километр трассы дорог приходится примерно одно понижение. Чтобы обеспечить сток воды от выпадающих осадков в местах пересечения дорогами пониженных участков рельефа, должны быть предусмотрены водопропускные сооружения. Для пропуска стока периодических и постоянных водотоков с малых водосборных бассейнов устраивают малые водопропускные сооружения.

Малые водопропускные сооружения встречаются на дорогах наиболее часто. Их доля доходит до 80 - 90% от общего числа водопропускных сооружений, а в целом по стране их количество достигает величины порядка миллиона.

По конструкции малые водопропускные сооружения (рис. 6) отличаются разнообразием: это малые мосты (а); безнапорные дорожные водопропускные трубы (б); работающие как водослив с широким порогом; напорные (в) и полунапорные (г) трубы, работающие как насадки и короткие трубы или отверстия в тонкой стенке. Это могут быть и дюкеры под насыпью дороги.

Рис.6

Основной целью гидравлических расчетов малых водопропускных сооружений на дорогах является определение их отверстия; напора перед ним, т.е. отметки подпертого уровня; глубины и скорости потока на выходе при определении вида крепления в отводящем русле для предотвращения подмыва конструкций.

Отверстием водопропускного сооружения называется его наибольший горизонтальный размер в свету в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока. Так, для круглых труб отверстие равно их внутреннему диаметру d; для многоочковых - сумме внутренних диаметров всех труб; для труб прямоугольного сечения отверстие равно расстоянию между внутренними гранями боковых стенок, для однопролетного моста - ширине потока по свободной поверхности В в расчетном сечении подмостового русла.

Обычно отверстия малых водопропускных сооружений меньше ширины водотока, т. е. они стесняют поток воды. Из-за стеснения потока уровень воды в верхнем бьефе повышается. Этот уровень называют подпертым. Глубина потока за сооружением, как правило, равна нормальной h_о, определяемой по формуле Шези с учетом расчетного расхода, формы сечения, коэффициента шероховатости и продольного уклона дна лога. Эта глубина никак не связана с типом искусственного сооружения, а определяется бытовым (естественным) состоянием водотока, поэтому ее и называют бытовой глубиной h_б.

Как уже было отмечено выше, подавляющее большинство малых водопропускных сооружений на дорогах составляют безнапорные трубы и малые мосты, т. е. сооружения, работающие по принципу водослива с широким порогом. Движение воды через такие водопропускные сооружения имеет целый ряд особенностей, которые должны учитываться надлежащим образом при разработке метода их гидравлического расчета. В частности, соотношение напора и длины безнапорной дорожной трубы часто достигает значений 15 - 30. Это значительно превышает соответствующее соотношение даже для широкого водослива, где оно равно 11 - 12. Следовательно, при движении потока в дорожной трубе заметное влияние могут оказывать силы трения.

Конструкции водопропускных труб.

Конструкции водопропускных труб отличаются большим разнообразием.

Трубы состоят из оголовков, звеньев и фундаментов.

По форме отверстия различают трубы прямоугольные, круглые, овоидальные, прямоугольные с полуциркульным сводом и др.

Входная часть дорожной трубы называется входным оголовком. На рис. 6 изображены применяющиеся оголовки: портальный (а), коридорный (б), раструбный с обратными стенками (в), раструбный с коническим звеном трубы (г), а также безоголовочный вход (д) и овоидальная труба с воротниковым оголовком (<?). Наибольшее распространение получили портальные и раструбные оголовки.

В прямоугольных трубах отверстием 1,0...2,5м применяют раструбные оголовки с повышенным входным звеном. Его высота на 0,5 м больше высоты нормального звена. Применяют трубы и без оголовков.

Малые водопропускные сооружения изготавливают из металла, бетона, железобетона, камня и дерева. Применяют мосты - балочные, арочные, эстакадные и др. Существуют типовые проекты труб и мостов. На железных дорогах в основном применяют сборные трубы: круглые железобетонные диаметром 1,0...2,0м; прямоугольные бетонные отверстием 1,5...6,0м; круглые металлические гофрированные диаметром 1,3...3м.

Конструкции труб и мостов изучают в курсе «Проектирование мостов и труб». Размещение и выбор типа малых водопропускных сооружений на железных дорогах, проверку высоты насыпи и обеспечение условий нормальной эксплуатации сооружений и другие прикладные вопросы проектирования водопропускных сооружений изучают в курсе «Изыскания и проектирование железных дорог».

Рис. 7

Гидравлическая классификация дорожных водопропускных труб и форм движения воды в них.

В зависимости от уклона дна трубы (ее лотковой части) различают трубы: с нулевым уклоном (J₀ = 0); с прямым малым уклоном (J₀ < J_к); с уклоном равным критическому (J₀ = J_к); с прямым большим уклоном (J₀ > J_к).

Критический уклон вычисляют по формулам

В зависимости от наличия свободной поверхности в дорожных трубах различают движение воды в трубах: безнапорное (рис. 2, б); полунапорное (рис. 2, г); напорное (рис. 7, в).

При безнапорном движении (безнапорные трубы) поток на всей длине трубы имеет свободную поверхность, входное сечение трубы не затоплено. Это бывает при Н/h_Т ? 1,2, где Н - статический напор; h_Т - высота трубы (или диаметр трубы d).

При полунапорном движении входное сечение трубы заполнено водой (поток соприкасается с периметром отверстия по всей его длине) и на всей длине трубы поток имеет свободную поверхность. Это соблюдается, если 1,2 ? Н/h_Т ? 1,4 (полунапорная труба). Такая форма движения воды аналогична истечению жидкости из-под затвора.

При напорном движении жидкости в трубе ее сечение заполнено водой на всем протяжении трубы или на большей ее части, что наблюдается при Н/h_Т > 1,4. Приведенные критерии гидравлических условий работы труб приближенные. Они зависят от формы оголовков труб.

В подмостовых руслах поток всегда безнапорный. В зависимости от соотношения между местными гидравлическими сопротивлениями и сопротивлениями по длине потока в трубе различают короткие и длинные трубы. Короткой называют трубу, длина которой не оказывает существенного влияния на ее пропускную способность, определяющуюся главным образом условиями входа воды в трубу - местными сопротивлениями. Длинной называют трубу, в которой гидравлические сопротивления обусловлены главным образом потерями энергии по ее длине, но местные гидравлические сопротивления также учтены. В зависимости от влияния уровня воды в нижнем бьефе (для безнапорных труб) различают неподтопленные трубы, когда уровень нижнего бьефа не влияет на ее пропускную способность, и подтопленные, когда уровень нижнего бьефа влияет на пропускную способность трубы и напор перед ней. Эти же формулировки относятся и к потокам в подмостовых руслах.

Формы свободной поверхности в трубах.

Формы свободной поверхности в трубах отличаются большим разнообразием.

Предположим, что безнапорная труба имеет малый уклон (см. рис. 7, б). В этом случае свободную поверхность потока в трубе или под мостом можно разделить на три участка. Первый - входной. С гидравлической точки зрения он начинается в сечении перед трубой или мостом, в котором наблюдается статический напор Н, и заканчивается в сечении со сжатой глубиной h_с. Однако по практическим соображениям за начальное сечение входного участка принимают сечение, проходящее через нижнюю точку трубы, а чаще через верхнюю точку трубы. Последнее сечение предпочтительно, так как, зная в нем площадь живого сечения, легко подсчитать скорость потока при входе в трубу. Обозначим длину входного участка l_вх и глубину h_вх. На среднем участке (втором) длиной l₀ имеем кривую подпора при возрастании глубины от h_c до h. В случае неподтопленной трубы или моста со стороны нижнего бьефа глубина h несколько меньше критической глубины h_к, но принимается равной ей. На третьем участке, называемом выходным или сливным, глубина изменяется от h_к до h_нб. По практическим соображениям выходное сечение трубы совмещают с верхней кромкой трубы. Следовательно, l = l_вх + l₀ + l_вых.

Пусть полунапорная труба имеет малый уклон (см. рис. 16.1, г). Ниже входного сечения образуется сжатая глубина h_c, далее - кривая подпора, а затем кривая спада. Движение воды в полунапорных трубах аналогично истечению жидкости через отверстия в тонкой стенке.

Движение воды в напорных дорожных трубах аналогично истечению через насадки. В начале трубы (см. рис. 7, в) наблюдается явление сжатия потока (в данном случае несимметричное), благодаря чему образуется вакуум. Если применяются хорошо обтекаемые входные оголовки, то вакуум в дорожной напорной трубе не образуется. Вода из трубы может выходить без подтопления со стороны нижнего бьефа - истечение происходит в атмосферу с образованием кривой свободной поверхности в конце трубы. Если h_нб > d, то истечение происходит под уровень нижнего бьефа.

Преимущество дорожных труб состоит в том, что они не нарушают целостности земляного полотна. Предпочтение отдается безнапорным трубам. Преимущество малых мостов в том, что их применяют при малых высотах насыпей.

Гидравлический расчет водопропускных труб и малых мостов

Гидравлический расчет отверстий безнапорных дорожных труб и малых мостов основан на аналогии с расчетом движения воды через водослив с широким порогом, а полунапорных - на аналогии с истечением жидкости из-под затвора. водослив брешь дрена грунтовый

Применение теории водослива с широким порогом к расчету безнапорных прямоугольных труб и малых мостов.

С гидравлической точки зрения нет принципиальной разницы между течением жидкости в прямоугольной трубе и в укрепленном прямоугольном подмостовом русле. Над неподтопленным водосливом имеем течение жидкости с двумя перепадами. Такая же форма движения воды наблюдается и при неподтопленном движении в трубах и под мостами (см. рис. 7). Разница в том, что высота порога в трубах и под мостами равна нулю или же очень мала. При наличии порога поток при входе на водослив испытывает вертикальное и боковое сжатие, а при входе в трубу и подмостовое русло - в основном боковое сжатие, но формы свободной поверхности воды аналогичны. Дно трубы или подмостовое русло (см. рис. 7) имеет некоторое возвышение по отношению к дну потока в верхнем бьефе. Нельзя смешивать разные понятия - напор и глубину перед сооружением.

Условия неподтопления и подтопления для труб и мостов формируются так же, как и для водосливов с широким порогом. Если отметка дна трубы или отметка подмостового русла совпадает с отметкой дна в нижнем бьефе (см. рис. 7), то Н_н = h_нб. Следовательно, труба (мост) работает без подтопления, если h_нб/Н₀ < 0,8 или h_нб/h_к ? 1,25, и с подтоплением, если h_нб / Н₀ > 0,8 или h_нб / h_к > 1,25.

Безнапорные трубы.

Расход воды, протекающей через прямоугольную короткую безнапорную неподтопленную трубу (мост), выражается формулой

Расход воды известен. В уравнение входят два неизвестных - напор Н и ширина отверстия b. Задаваясь Н или b, соответственно получим уравнения:

где H₀ - полный напор;

где m - коэффициент расхода трубы (моста).

Прямоугольную трубу считают короткой, если ее длина l при J₀ ? 0 отвечает условию l_т ? l_пр, где

Коэффициент расхода m зависит от условий входа воды в трубу и ее формы поперечного сечения. Для прямоугольных труб без оголовков m = 0,31. С оголовками: портальным с конусами m = 0,325; коридорным m = 0,34; раструбным m = 0,36.

Значение b, полученное по формуле, необходимо округлить до ближайшего большего значения в соответствии с типовыми проектами.

При принятом значении b подсчитывают статический напор Н. Расчет ведется способом последовательных приближений, так как средняя скорость потока х₀ в верхнем бьефе зависит от Н. В ходе расчетов необходимо проверять соблюдение условия неподтопления водослива.

Согласно СНиП 2.05.03-84 отверстие (и высоту в свету) труб следует назначать, как правило, не менее 1,0 м при длине трубы (или расстоянии между смотровыми колодцами в междупутье на станциях) до 20 м.

Трубы относятся к длинным, если l_Т > l_пр в соответствии с формулой (11.3). Увеличение длины трубы способствует повышению напора перед ней. Статический напор для длинной трубы Н_дл можно приближенно подсчитать по формуле

где Н - статический напор перед такой же короткой трубой.

Из формулы видно, что при l_Т/h_Т = 20; Н_дл = Н. Следовательно, длинной трубой ориентировочно можно считать трубу с l_Т > 20h_Т.

При принятой ширине отверстия трубы (моста) статический напор Н можно определить по глубине воды в трубе (подмостовом русле), считая, что она равна критической глубине h_к. Запишем уравнение Д.Бернулли для сечений перед трубой (мостом) и в трубе

,

где х_к - средняя скорость потока при глубине h_к.

Учитывая, что и последнее уравнение запишем в виде

Критическую глубину подсчитывают по формуле

Подмостовые русла могут быть укреплены различными способами, поэтому гидравлический расчет мостов с укрепленными руслами может быть выполнен по допускаемой неразмывающей скорости х_нр. Запишем уравнение, принимая В_к = b_к для неподтопленного моста

Так как щ_к = Q / х_к, последнюю формулу перепишем в виде

Принимая х_к = х_нр и вводя в формулу коэффициент бокового сжатия потока е < 1, получим (строительная ширина отверстия)

В первом приближении можно принять еб ? 1,0, так как коэффициент Кориолиса б > 1,0.

Воспользовавшись уравнением для расхода воды в трубах и подмостовых руслах с подтоплением со стороны нижнего бьефа, из него можно найти ширину отверстия (при ц ? ц_п):

Глубина h равна разности отметок поверхности воды и отметки дна трубы (подмостового русла) при J₀ ? 0. Зная h, находим . Коэффициент е ? 0,8... 0,9.

Статический напор перед трубой (мостом)

Согласно СНиП 2.05.03-84 водопропускные трубы следует, как правило, проектировать с безнапорным в них движением воды. Допускается предусматривать полунапорное и напорное движение воды в трубах, сооружаемых на железных дорогах общей сети для пропуска только наибольшего расхода, на всех остальных дорогах - расчетного расхода воды.

Полунапорные трубы.

Формулу для расхода воды в этом случае (см. рис. 2, г) получим, записывая уравнение Д. Бернулли для сечения перед трубой и для сжатого сечения в трубе с глубиной h_с. В результате получим

Введя коэффициент вертикального сжатия потока (в трубе) е, получим: h_c = еh_T и це = µ коэффициент расхода. В соответствии с опытными данными значения е и µ, принимают соответственно: труба прямоугольная без оголовков - 0,86; 0,63; портальный оголовок с конусами - 0,74; 0,62; коридорный - 0,83; 0,61; раструбный - 0,78; 0,64.

Для неподтопленных безнапорных круглых труб, а также труб других поперечных сечений можно применять формулу

где средняя ширина потока в сечении с критической глубиной.

Формула может быть использована и для расчета отверстий малых мостов с трапецеидальной формой живого сечения.



ЛИТЕРАТУРА

1. Железняков Г. В. Гидравлика и гидрология. - М.: Транспорт, 1989.

2. Примеры гидравлических расчетов. / Под ред. Н. М. Константинова. Изд. 3-е. - М.: Транспорт, 1987.

3. Константинов Ю.М. Гидравлика. - Киев: Вища школа, 1981.

4. Чугаев Р.Р. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1982.

5. Большаков В. А., Константинов Ю. М. и др. Сборник задач по гидравлике. - Киев: Вища школа, 1979.

6. Михайлов К. А. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972.

7. Угинчус А.А., Чугаева Е.А. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1971.

8. Елманова В.И., Кадыков В. Т. Примеры гидравлических расчетов. - М.: ВЗИИТ, 1988.

9. Кадыков В.Т. Гидравлика. Рабочая программа и задания на контрольные работы для студентов 3 курса специальности 290800 «Водоснабжение и водоотведение» (ВК). - М.: РГОТУПС, 2002.

Размещено на Allbest.ru