Определение гидравлических характеристик потока

Расчёт отводящего канала с определением нормальной и критической глубин, критического уклона и средней скорости производится так же, как и в подводящем канале (см. разд. 3.1).

Исходные данные для расчёта необходимо взять из табл. 2. Нормальная глубина зависит от уклона дна . Для определения можно воспользоваться графиком , построенном в п. 3.1.1 (рис. 5), предварительно вычислив расходную характеристику , соответствующую нормальной глубине :

. (25)

Критическая глубина не зависит от уклона дна, поэтому сохранится неизменной на протяжении всего трапецеидального русла: . Соответственно не изменится и критический уклон: .

Сравнивая нормальную и критическую глубины, значение полученного критического уклона с заданным необходимо сделать вывод о состоянии потока. Исходные данные подобраны таким образом, что при верно выполненном расчёте в отводящем канале установится спокойное состояние потока.

Выясняя условие сопряжения бьефов быстротока и отводящего канала, приходим к следующему выводу: при смене уклонов на возникает гидравлический прыжок.

3.3.2. Расчёт гидравлического прыжка

Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической в спокойное состояние с глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком [16, 19].

Гидравлический прыжок появляется всегда, когда свободная поверхность жидкости пересекает линию критических глубин K–K с образованием поверхностного вальца. Сам валец представляет собой водоворотную область, которая характеризуется весьма беспорядочным движением. Верхняя поверхность вальца получается неровной, волнообразной. Валец обычно насыщен пузырьками воздуха и потому малопрозрачен.

Расчёт гидравлического прыжка сводится к определению его характеристик: – первой сопряжённой глубины, – второй сопряжённой глубины, – длины гидравлического прыжка (рис 2.11).

Рис. 12. Схема гидравлического прыжка

Существует несколько методов определения характеристик гидравлического прыжка [11, 16-19]. В данной курсовой работе студентам предлагается выполнить расчёт в следующей последовательности:

1. Определить сжатую глубину методом последовательного приближения:

, (26)

где – удельный расход, вычисляемый по формуле

; (27)

– коэффициент скорости, j = 0,9; – удельная энергия сечения, с которой поток приходит в отводящий канал.

В курсовой работе , т.е. удельной энергии сечения на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:

, (28)

где – глубина на конце быстротока, определенная по кривой свободной поверхности при длине и принятая в п.2.3.5; – скорость на конце быстротока, определяемая по формуле

. (29)

Метод последовательных приближений для определения сжатой глубины выполняется в следующем порядке:

а) в первом приближении не учитывается в знаменателе. Тогда

; (30)

б) во втором приближении учитывается в знаменателе и согласно формуле (26):

;

в) если расхождение между величинами и составляет больше 5 %, то расчёт продолжаем; если расхождение составляет меньше 5 %, то принимаем за сжатую глубину последнее числовое значение .

2. Рекомендуется [11, 17] за первую сопряжённую глубину принять глубину равную сжатой:

. (31)

3. Определить вторую сопряжённую глубину по формуле:

. (32)

4. Сделать вывод о типе гидравлического прыжка:

если – гидравлический прыжок отогнанный;

если – гидравлический прыжок затоплен (подпёртый).

В случае отогнанного гидравлического прыжка для погашения энергии, с которой поток приходит с быстротока, необходимо в выходной части установить гаситель энергии.

Специальные устройства, сооружаемые с целью погашения энергии гидравлического прыжка, называются гасителями энергии.

В данной курсовой работе в качестве гасителя энергии рекомендуется водобойный колодец, в котором гашение энергии осуществляется за счёт перевода бурного потока в спокойный, путём затопления гидравлического прыжка.

3.3.3. Расчёт водобойного колодца

Расчёт гасителя энергии за быстротоком сводится к определению глубины d и длины водобойного колодца (рис. 13).

Рис. 13 Схема водобойного колодца

Глубина колодца определяется методом подбора [11, 17,18].

1. В первом приближении глубина колодца определяется по формуле:

, (33)

где ₁ – коэффициент запаса ( ); – выше определенная глубина (32), сопряжённая с глубиной , – нормальная глубина в канале за быстротоком, она не зависит от глубины колодца и остаётся неизменной во втором и третьем приближении ( ).

При этом удельная энергия сечения изменится на величину d₁:

. (34)

Тогда первая и вторая сопряжённые глубины изменят своё значение и будут определяться как:

; (35)

. (36)

2. Во втором приближении глубина водобойного колодца определяется с учётом глубины в следующей последовательности:

а) определяем новое значение глубины колодца:

, (37)

где s₂ = (1,2÷1,3) во втором и последующих приближениях.

б) определяем величину удельной энергии сечения с учётом увеличения потенциальной энергии (глубины колодца d₂):

; (38)

в) вычисляем соответствующее значение первой сопряжённой глубины:

; (39)

г) вычисляем соответствующее значение второй сопряжённой глубины:

; (40)

3. Сравниваем полученные значения глубины колодца:

– если и отличаются менее чем на 5 %, то за глубину колодца принимают последнее вычисленное значение, т.е. d = d₂;

– если и отличаются более чем на 5 %, то расчёт продолжаем.

4. В третьем приближении глубина водобойного колодца определяется с учётом глубины с вычислением соответствующих величин , используя формулы (34, 35, 36).

. (41)

И так далее.

Расчёт выполнять до тех пор, пока расхождение между последующими значениями глубин колодца не будет превышать 5 %.

В общем случае длина водобойного колодца (рис. 13) определяется, как сумма дальности отлёта струи и длины подпёртого прыжка :

. (42)

Существуют разные рекомендации по определению этих длин. Воспользуемся следующими [17, 20]:

; (43)

, (44)

где – длина гидравлического совершённого прыжка, определяемая по рекомендации Н.Н. Павловского:

(45)

Выполнив вспомогательные расчёты, определимся с длиной водобойного колодца.

Пример расчёта комплекса водоотводных сооружений приведён в приложении 7.

4. УКРЕПЛЕНИЕ РУСЕЛ ВОДООТВОДНЫХ
СООРУЖЕНИЙ

При изменении уклонов, на входном и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях требуется устройство укрепления русла. Размеры и тип крепления назначают на основании гидравлических расчётов исходя из условия свободного растекания потока на плоском дне.

Исходными данными для определения размеров укрепления служат глубина и скорость потока на данных участках, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон русла.

Размер укрепляемого участка русла принимают с учётом типа укрепления. Границы укрепляемого участка назначают на основании эпюры растекания потока. Тип укрепления русел выбирают на основании технико-экономических показателей [11, 17].

Существует три типа укрепления русел:

1) сборными бетонными и железобетонными плитами;

2) монолитным бетоном;

3) мощением, наброской камнем, габионами.

Наряду с традиционными типами укрепления выходных русел может быть использована дешёвая, легкая и технологичная мягкая конструкция, позволяющая на 20÷40 % уменьшить глубину размыва по сравнению с типовым бетонным укреплением и представляющая собой полотнище синтетического материала, уложенного на предварительно спланированный грунт.

В данной курсовой работе перед студентами не ставится задача определения типа крепления и его размеров. Достаточно выяснить необходимость укрепления русла на входной части быстротока, используя расчётные зависимости подразделов 3.1.6 и 3.2.

5. ЭКОЛОГИЯ ДОРОЖНЫХ ВОДООТВОДНЫХ
СООРУЖЕНИЙ

Строительство и последующая эксплуатация дорог оказывают многофакторное влияние на прилегающую к ним территорию, как с нагорной стороны, так и ниже трассы дороги. При строительстве дороги в полосе отвода, а часто и вне её, нарушается естественный рельеф местности, меняется состав и состояние верхнего слоя почвы, разрушается растительный покров, существенно меняются условия формирования и характеристики поверхностного стока, водный режим территории.

Размыв почвы и подстилающих пород, образование оврагов представляют угрозу как земельному фонду, так и устойчивости дорожных сооружений и их элементов. Насыщение водных потоков твёрдыми частицами при размыве и перенос последних создают предпосылки противоположного процесса – заиления.

В нижнем бьефе дорожных водопропускных сооружений наиболее массовым процессом является размыв и оврагообразование. Этот процесс может распространяться на значительные расстояния от дороги вплоть до нескольких километров. Первопричина отмеченного негативного явления – концентрация стока, перевод его из склонового в русловой. Для сопрягающих сооружений характерны переливы, особенно на сочленениях водоотводных систем и резких их поворотах, что так же приводит к крупномасштабным размывам, появлению оврагов.

Водная эрозия почвы вызывается движением воды по поверхности земли. В естественных условиях возникает нормальная, геологическая эрозия – смыв поверхностных слоёв при образовании стока талых, ливневых и смешанных вод.

Ускоренная эрозия возникает как результат хозяйственной деятельности человека без учёта особенностей естественного процесса эрозии. Как показывают многочисленные примеры, строительство дорог – одно из основных направлений производственного воздействия человека на природу, инициирующее ускоренную эрозию.

Самые негативные последствия имеет концентрация поверхностного стока системами дорожного водоотвода. Распределённый обычно по ширине в сотни метров склоновый сток переводится этими сооружениями в сосредоточенные потоки, удельный расход которых обычно на порядок превышает естественный на склоне. Это вызывает аналогичное увеличение скорости течения, далеко превышающее допускаемые. Поэтому размывы и образования оврагов за дорожными сооружениями носят массовый характер.

На всех этапах от изысканий и проектирования до эксплуатации водопроводящих сооружений необходимо принятие соответствующих мер по защите окружающей среды. В первую очередь следует предусмотреть предотвращение или уменьшение наиболее массовых последствий от строительства дорожных сооружений: размывов за ними и оврагообразования, заиления, затопления и заболачивания.

За водоотводными сооружениями необходимо укрепление отводящих русел до подошвы склона и устройство водобойных сооружений в конце крепления с обеспечением расширения потока. При большом удалении трассы от подошвы склона крепление отводящего русла, обычно в виде бетонного лотка, может вызвать значительные затраты, а его отсутствие – появление размыва и развитие оврага. Прогноз обязательно должен учитывать концентрацию и перераспределение стока дорожными сооружениями.

При решении конкретных задач экологии дорожного строительства в том или ином районе необходим учёт всего комплекса региональных особенностей.