СООРУЖЕНИЯ ДОРОЖНОГО ВОДООТВОДА 3 страница

Рис. 11.4. Режимы работы труб: а – безнапорный; б – полунапорный; в – напорный

В связи с невысокой точностью определения притока воды к сооружению можно при расчете отверстий сооружений ограничиться упрощенными расчетами. Приближенные расчетные формулы пропускной способности труб соответствуют трем режимам протекания воды в трубах:

а) безнапорный режим (аналогия – водослив с широким порогом)

, (11.6)

где Q_с – расход воды, проходящей в сооружении; w_с – площадь сжатого сечения в трубе, вычисляемая при глубине h_с=0,5H; j_б – коэффициент скорости.

Для прямоугольных сечений Q_c=1,33bH^3/2;

б) полунапорный режим (аналогия – истечение из-под щита)

, (11.7)

где h_c=0,6h_вх; h_вх – высота входа в трубу.

При обычных значениях j_п=0,85 и e=0,6 – ;

в) напорный режим (аналогия – истечение из трубопровода)

, (11.8)

где w_Т, h_Т – площадь сечения и высота основного протяжения трубы; j_н – коэффициент скорости, для обтекаемого оголовка – 0,95.

На основе расчетных формул пропускной способности труб при разных режимах протекания воды составляют расчетные таблицы (табл. 11.2) или графики пропускной способности типовых труб (рис. 11.5). Полностью такие таблицы и графики приводятся в типовых проектах, в том числе для унифицированных труб, нашедших широкое применение в строительстве.

Таблица 11.2. Гидравлические характеристики типовых круглых труб

Рис. 11.5. График для определения пропускной способности типовых труб: а – круглых; б – прямоугольных (цифры на кривых – отверстия труб, м)

11.5. Учет аккумуляции ливневых вод перед малыми
водопропускными сооружениями

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

Малые искусственные сооружения почти всегда сильно стесняют поток и изменяют его бытовой режим. В результате временного накопления перед сооружением части паводка гидрограф притока трансформируется в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению расчетного сбросного расхода ливневых вод в сооружении Q_с по сравнению с наибольшим секундным притоком с бассейна Q_л (рис. 11.6а). Объем накопившейся воды W_пр при общем объеме стока W зависит от гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа участка местности, в пределах которого образуется временный водоем.

Расход воды в отверстии сооружения определяется высотой подпора воды над входным лотком. При узких, ярко выраженных логах с большим уклоном этот подпор даже 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 расход в сооружении. При определении отверстия сооружения в таких случаях в качестве расчетного расхода может приниматься наибольший расход водотока заданной вероятности превышения. Также без учета аккумуляции следует производить расчет малых сооружений на пропуск паводков от таяния снега, всегда растянутых во времени (рис. 11.6б).

Рис. 11.6. Трансформация гидрографа притока воды к сооружению в гидрограф сбросных расходов: а – ливневый сток; б – сток талых вод

Принимая, что склоны бассейна имеют однообразные уклоны и могут быть упрощенно представлены в виде двух плоскостей, пересекающихся по линии лога, эту зависимость можно выразить аналитически (рис. 11.7)

, (11.9)

где m₁, m₂, i_л – крутизна склонов лога и его уклон.

Рис. 11.7. Схема к определению объема пруда

Принимая треугольную форму гидрографов притока и сбросных расходов, получим (см. рис. 11.6)

. (11.10)

Величина l, учитывающая рельеф местности и размеры отверстия сооружения, может быть названа коэффициентом аккумуляции и легко вычислена при известных а, Н и W.

11.6. Расчет отверстий малых мостов и определение высоты сооружений

Расчет отверстий малых мостов (рис. 11.8) обычно следует производить по схеме свободного истечения, пользуясь формулой

. (11.11)

Зная, что H»2h_с=1,45V_с²/g, принимают такую последовательность расчета:

1) задают скорость V_с по желательному типу укрепления русла под мостом (табл. 11.3).

Задавая скорость V_с, следует учитывать, что она будет наблюдаться в потоке лишь на очень коротком протяжении в зоне глубины h_с, в связи с чем эти скорости можно повышать приблизительно на 10%;

2) вычисляют напор H;

3) вычисляют объем пруда W_пр=k_oН³;

4) находят коэффициент l по табл. 11.4.

Тогда без каких-либо последовательных приближений и с учетом аккумуляции воды перед насыпью .

Рис. 11.8. Схемы протекания воды под малым мостом: а – свободное протекание; б – несвободное протекание

Таблица 11.3. Допускаемая скорость на размыв укрепления русла

Таблица 11.4. Значения коэффициентов аккумуляции (F в км²)

Принимая для осуществления типовой проект моста с отверстием b₀, следует пересчитать напор

. (11.12)

При очень глубоком потоке воды в отводящем русле отверстие моста рассчитывают по схеме несвободного истечения (рис. 11.8б), которое наступает после того, как прыжок, возникновение которого возможно в сжатом сечении, где h_с<h_кр, будет надежно затоплен бытовым уровнем. При несвободном истечении необходимое отверстие моста

. (11.13)

Сбросный расход рассчитывают по формуле

, (11.14)

с вычислением объема пруда по ожидаемой глубине волы перед сооружением

. (11.15)

Отметка насыпи у труб назначается не менее чем на 1,0 м выше подпертого уровня воды при полунапорном и напорном режимах и на 0,5 м – при безнапорном. Над верхом трубы отметка насыпи должна быть выше, не менее чем на толщину дорожной одежды. Это обеспечивает необходимую засыпку над трубой и неподтопляемость дорожной одежды при длительном стоянии воды перед сооружением (рис. 11.9а).

Рис. 11.9. Схемы определения высоты насыпи у водопропускных сооружений (а) и высоты малого моста (б)

Высота малого моста (рис. 11.9б) определяется как

, (11.16)

где 0,88 – коэффициент, учитывающий некоторое снижение уровня при входе потока под мост; z ³ 0,25 м – возвышение низа пролетного строения над уровнем воды; при наличии ледохода z = 1,0 м; h_кон – конструктивная высота пролетных строений моста.

Бровка насыпи у моста также должна быть поднята над подпертым уровнем воды не менее чем на толщину дорожной одежды. Длина моста поверху назначается исходя из крутизны откоса конусов и высоты верха моста над дном лотка. При этом следует учитывать, что необходимое отверстие моста, рассчитанное по формуле (11.11), отсчитывается по свободной поверхности потока, а при несвободном протекании – по средней линии (т. е. на глубине 0,5h_б).

11.7. Косогорные сооружения поверхностного водоотвода

Для предупреждения размыва мостов и труб на косогорах, а также и склонов косогоров текущей водой устраивают подводящие и отводящие русла (рис. 11.10) в виде быстротоков, перепадов с водобойными колодцами, консольных водосбросов и т. п.

Рис. 11.10. Косогорные сооружения у малого моста: 1 – естественное русло; 2 – перепады с водобойными колодцами; 3 – мост; 4 – быстроток; 5 – водобойный колодец; 6 – уступ

Искусственные русла проектируют в соответствии с местными условиями, имея в виду следующие характеристики отдельных типов косогорных сооружений:

– быстротоки (рис. 11.11а) применяются на любых уклонах, но в связи с большой скоростью протекания воды в местах сопряжения быстротока с другими сооружениями необходимо предусматривать устройство гасителей энергии, а сам быстроток укреплять в соответствии со скоростью потока;

– перепады с водобойными колодцами (11.11б) применяются, главным образом, на значительных уклонах (перепады без водобойных колодцев практически не устраивают, так как они могут быть размещены только на очень малых уклонах);

– консольные водосбросы (рис. 11.11в) применяются для пропуска воды над дорогой в том случае, когда устройство водопропускного сооружения под дорожной насыпью оказывается менее целесообразным.

Рис. 11.11. Основные типы косогорных сооружений: i_м – уклон местности

Расчет быстротока. Быстротоком (рис. 11.12) называют искусственное русло, уклон которого больше критического. Последовательность гидравлического расчета быстротока следующая.

Рис. 11.12. Расчетная схема быстротока: 1 – входной оголовок; 2 – кривая спада

1. Определяют ширину быстротока по заданным скорости течения воды V_о, уклону I и шероховатости:

, (11.17)

где n – коэффициент шероховатости быстротока, назначаемый с учетом аэрации, зависящей от уклона и материала стенок быстротока; h_о – глубина воды в быстротоке; V_о – допускаемая скорость течения на быстротоке. Формула выведена в предположении, что гидравлический радиус мало отличается от глубины потока.

2. Определяют глубину воды в конце быстротока

. (11.18)

3. Определяют глубину воды на входе в быстроток из канала с уклоном I<I_кр, которая равна критической

. (11.19)

4. Выясняют условия затопления струи на выходе из быстротока в русло с уклоном меньше критического. Для этого вычисляют вторую сопряженную глубину прыжка

. (11.20)

Если глубина h_б в русле за быстротоком больше, чем глубина за прыжком h", то прыжок затоплен, и скорость за быстротоком определяется глубиной потока h_б. Если же эта глубина меньше, чем глубина h" (т. е. h_б < h"), то в целях сокращения участка высоких скоростей в русле за быстротоком следует устроить водобойный уступ (колодец), глубина которого определится как

. (11.21)

Необходимую длину водобойного колодца (от конца быстротока до водобойного уступа) рассчитывают по формуле подпертого прыжка

. (11.22)

Расчет перепада с водобойным колодцем. Перепад с водобойным колодцем состоит из следующих элементов (рис. 11.13): входа 1, стенки падения 2, водобоя 3 и выхода-уступа 4, если перепад одноступенчатый, и водобойной стенки, если перепад многоступенчатый.

Рис. 11.13. Схема одноступенчатого перепада

Последовательность гидравлического расчета перепада с водобойным колодцем (рис. 11.14) следующая.

1. Назначают ширину водобойного колодца b исходя из нормы расхода 0,5-1,0 м³/с на 1 м ширины колодца. Чаще всего ширину колодца делают одинаковой с отверстием водопропускного сооружения. Высоту перепада р назначают путем деления разности отметок подводящего и отводящего сооружения на участке расположения перепадов на число перепадов, назначаемое сначала ориентировочно.

2. Определяют глубину воды на входе, равную критической, по формуле (11.19).

Рис. 11.14. Расчетная схема многоступенчатого перепада

3. Определяют глубину в сжатом сечении падающей струи. Для этого подсчитывают энергию сечения на входе, задаваясь ориентировочно глубиной колодца d

. (11.23)

Определяют относительную энергию

. (11.24)

По графику (рис. 11.15) определяют относительную глубину после прыжка в сжатом сечении, задавая коэффициент скорости j

(11.25)

и вычисляют глубину после прыжка

. (11.26)

Порядок пользования графиком показан стрелками на рис. 11.15.

Рис. 11.15. График для расчета перепадов

4. Определяют глубину воды перед водобойной стенкой

. (11.27)

5. Проверяют достаточность заданной глубины колодца. Необходимо, чтобы

. (11.28)

Если это равенство не выполняется, то глубину колодца, заданную ориентировочно, изменяют и расчет по формулам повторяют снова, пока условие не будет выполнено.

6. После расчета глубины колодца определяют минимально допустимую его длину

, (11.29)

где , . Здесь V_кр – скорость в сечении на входе

; (11.30)

y – высота падения струи и ; – глубина после прыжка в сжатом сечении, – глубина в сжатом сечении в колодце, определяемая по графику на рис. 11.15, по которому аналогично величине определяется величина и глубина воды в сжатом сечении .

7. Длина водобойной стенки (толщина водосливного порога) рассчитывается как

. (11.31)

8. Проверяют вписывание перепада в профиль местности, для чего определяют уклон перепада

. (11.32)

Этот уклон должен быть не меньше того, которым характеризуется косогор. Если же уклон косогора меньше уклона перепада, то длину каждого колодца увеличивают, что только улучшает условия затопления струи. Длина колодца, соответствующая заданному уклону местности

. (11.33)

11.8. Режимы протекания потоков за малыми
водопропускными сооружениями

Опыт эксплуатации малых искусственных сооружений показывает, что в подавляющем большинстве случаев их повреждения связаны с воздействием потока воды, и размывы обычно начинаются на выходных участках. Скорости на выходе из сооружения достигают 5-6 м/с, в то время как допускаемые неразмывающие скорости для грунтов отводящих русел составляют всего 0,7-1,0 м/с.

Вытекающий поток воды находится чаще всего в бурном состоянии и обладает большой кинетической энергией, которая вызывает размыв русла за сооружением. В большинстве случаев русло нижнего бьефа за водопропускными сооружениями имеет большую ширину, чем ширина отверстия водопропускного сооружения. Характер пространственного движения потока в очень широком нижнем бьефе зависит от глубины воды в нем и параметров потока на выходе из сооружения.

В зависимости от бытовой глубины потока в укрепленном отводящем русле возможны три формы сопряжения потока, выходящего из водопропускного сооружения, с бытовым потоком в широком нижнем бьефе, когда B_русла>8b_соор.

1. Сопряжение по типу затопленной струи. Этот вид сопряжения наблюдается, когда струя, вытекающая из сооружения, будет полностью затоплена (рис. 11.16а). В нижнем бьефе происходит растекание струи в массе воды; при этом наблюдается постепенное уменьшение скоростей течения вдоль потока.

Рис. 11.16. Сопряжение потоков в отводящем русле за сооружением

2. Сопряжение по типу сбойного течения. Этот вид сопряжения наблюдается при глубине нижнего бьефа, несколько меньшей глубины, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения. Сбойному течению присущи некоторые опасные свойства (рис. 11.16б).

Поток, выходящий из сооружения в нижний бьеф, двигается сначала без растекания в стороны. С боковых сторон поток граничит с водоворотными зонами, которые могут сжимать транзитный поток. При глубинах нижнего бьефа, близких к глубине, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения, происходит свал потока в одну сторону, и сопряжение бьефов осуществляется в форме пространственного гидравлического прыжка. В результате прорыва воды в одну из водоворотных зон динамическая ось потока искривляется. Поэтому транзитная струя натекает на боковые стенки отходящего русла. Уменьшение скоростей в транзитной струе и выравнивание их по сечению отводящего русла происходит очень медленно. Поэтому требуется крепление не только дна, но и стенок отводящего русла на значительном протяжении.

3. Сопряжение по типу свободного растекания бурного потока. Поток, выходящий из отверстия, попадает в отводящее русло, глубина в котором меньше, чем глубина на выходе из сооружения. Под действием силы тяжести происходит растекание потока в стороны (по направлению к берегам). В результате этого область растекания бурного потока, сопрягающаяся с бытовым потоком и водными массами нижнего бьефа посредством косых гидравлических прыжков, принимает в плане характерную форму «лепестка» (рис. 11.16в).

При увеличении бытовой глубины в нижнем бьефе размеры «лепестка» уменьшаются, пока не произойдет переход к сбойному течению, когда бытовая глубина сравняется с глубиной, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения пространственным прыжком.

Растекание бурного потока в узких нижних бьефах (при относительной ширине нижнего бьефа (B_русла<8b_соор) характеризуется рядом особенностей:

– поток, выходящий из сооружения, растекается в стороны. Так же как и в предыдущем случае, зона растекания сопрягается с водоворотными зонами посредством косых гидравлических прыжков. В местах набегания крайних струек потока на боковые стенки отводящего русла, т. е. в сечении полного растекания, происходит внезапное увеличение глубин и образование косых гидравлических прыжков. Эти косые гидравлические прыжки распространяются вниз по течению, если бытовой поток находится в бурном состоянии;

– если бытовой поток находится в спокойном состоянии, в отводящем русле наблюдается обычный прямой гидравлический прыжок. С увеличением бытовой глубины прямой гидравлический прыжок придвигается ближе к своему предельному положению в сечении полного растекания;

– если глубина нижнего бьефа больше глубины, при которой прямой гидравлический прыжок располагается в сечении полного растекания, происходит прорыв водных масс в водоворотные зоны и переход к сбойному течению (рис. 11.17).

Для предотвращения размывов выходных участков следует защищать лог на определенной длине. Защита от размыва заключается в правильном выборе типа и размеров укрепления, которые назначают или из условия отсутствия местного размыва, или из допущения размыва, безопасного для устойчивости, как укрепленного участка русла, так и самого сооружения.

Рис. 11.17. Схема свободного растекания в узком русле: 1 – линия растекания; 2 – водоворот;
3 – сечение полного растекания; 4 – косой гидравлический прыжок; 5 – прямой гидравлический прыжок; 6 – конец зоны растекания