Методические рекомендации по определению деформаций дна и размеров укреплений за дорожными водопропускными трубами (46185)

СССР МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора института

Г.Д. ХАСХАЧИХ

7 мая 1987

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДЕФОРМАЦИИ ДНА И РАЗМЕРОВ УКРЕПЛЕНИЙ ЗА ДОРОЖНЫМИ ВОДОПРОПУСКНЫМИ ТРУБАМИ

Одобрены Главтранспроектом

Москва 1987

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящих Методических рекомендациях излагаются методы определения деформаций дна и размеров укреплений на выходах из равнинных и косогорных дорожных водопропускных труб.

Методические рекомендации позволяют определить глубины и скорости потока на выходах из труб и на укреплениях, выбрать рациональные типы выходных русл, рассчитать максимальные глубины размыва в нижних бьефах, определить размеры укреплений и глубины заделки их концевых частей при различных гидрологических, гидравлических и грунтовых условиях.

Методические рекомендации разработаны в лаборатории мостовой гидравлики и гидрологии ЦНИИСа кандидатами техн. наук Г.Я. Волченковым, В.Ш. Цыпиным и инж. В.В. Беликовым при участии канд. техн. наук Ю.Л. Пейча (МИИТ) и инж. А.Ю. Семенова (Институт общей физики АН СССР).

Зав. отделением изысканий и проектирования железных дорог А.М. Козлов

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Расчеты выходных русл1 равнинных и косогорных водопропускных труб с жесткими (недеформируемыми) укреплениями включают:

определение глубин и скоростей на выходе из труб;

назначение типов выходных русл;

вычисление глубин, скоростей и ширины растекания потока на укреплении;

определение глубин размыва за укреплениями;

определение размеров укреплений и глубины заделки их концевых частей.

1 Под выходными руслами понимают комплекс устройств, находящихся за выходными оголовками труб (укрепление с концевыми частями, гасители, каменная наброска).

1.2. Гидравлические характеристики потока на выходах из труб любого поперечного сечения, уложенных с уклонами iт  0,5, находят на основе эмпирических соотношений, при iт > 0,5 их определяют, исходя из установления в выходном сечении трубы нормальной глубины h0.

1.3. Типы выходных русл назначают из числа приведенных в Методических рекомендациях по величине расходов воды в сооружении Q, скоростей на выходах из труб и крупности грунтов выходного лога.

1.4. Гидравлические характеристики потока на укреплениях за трубами в зависимости от требуемой точности расчетов и степени приближения принятых условий к реальным определяют:

а) на основе решения двумерных уравнений гидравлики по разработанной в ЦНИИСе программе для ЭВМ, обеспечивающей построение детального плана течения на укреплении, в том числе при различных уклонах трубы и лога, переменной шероховатости, сложной форме поперечного сечения и планового очертания выходного лога, переменных расходах воды, наличии подтопления нижнего бьефа и т.п.;

б) с помощью эмпирических зависимостей, основанных на результатах физического и математического моделирования и позволяющих получить глубины, скорости и ширины растекания потока на укреплении для принятых (наиболее характерных) условий, оговоренных ниже.

1.5. При гидравлическом расчете укреплений по эмпирическим зависимостям принят наиболее распространенный случай свободного протекания воды, при котором глубина потока в выходном логе (в бытовых условиях) не оказывает существенного влияния на течение на укреплении. Расчет нижних бьефов дорожных водопропускных труб при несвободном протекании может производиться на основе математической модели либо по Руководству [1, гл. VI].

1.6. При гидравлическом расчете укреплений по эмпирическим зависимостям их вид различен при различных уклонах выходного лога iл, что объясняется отличиями в характере растекания потока: при iл ?? 0,02 наблюдаются течения с водоворотными зонами, которые сужают («поджимают») транзитную струю; при iл > 0,02 истечение из трубы происходит в так называемое «сухое» русло, а водоворотные зоны отсутствуют. Эти типы растекания называют соответственно затопленными и незатопленными. При расчете на основе математической модели вид растекания получается автоматически.

1.7. При уклонах трубы iт  0,02 и выходного лога iл  0,02 гидравлические характеристики потока в нижних бьефах дорожных водопропускных труб могут также определяться по зависимостям, изложенным в [1, гл. VI].

1.8. Деформации дна в нижних бьефах труб определяют по эмпирическим зависимостям для гидравлически однородных грунтов выходного лога. Расчеты при неоднородных грунтах выполняются по методике [1, гл. VI].

1.9. Размеры укрепления и глубину заделки его концевой части определяют, исходя из ширины растекания потока и величины воронки размыва.

1.10. Расчеты выходных русл с укреплениями из каменной наброски1 выполняют по методике, изложенной в [2].

1 Все физические величины в Методических рекомендациях представлены в Международной системе единиц СИ. Если употребляются рекомендуемые СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Единицы физических величин» дольные от указанных единиц (например, крупность частиц грунта в мм) или допускаемые к применению единицы, не входящие в СИ, то они записываются непосредственно после значения физической величины.

1.11. Расчеты нижних бьефов труб на железных дорогах выполняют на два расхода [3]: расчетный и наибольший, а труб на автомобильных дорогах - только на расчетный. При этом допускаемые скорости для укреплений при прохождении наибольшего расхода повышаются на 35 % глубины размыва, при пропуске расчетного расхода для обеспечения запаса увеличиваются на 20 %.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА

Глубины и скорости на выходе из труб

2.1. Режим протекания потока в трубах при определении гидравлических характеристик на выходах из них устанавливают согласно [1, гл. IV].

2.2. Глубины потока hвых на выходе из дорожных технически гладких (негофрированных) водопропускных труб различных поперечных сечений при безнапорном и полунапорном режимах протекания и параметрах расхода ПQ, меньших или равных граничным значениям ПQ(гр), определяют из выражения

hвых/hк = Акf(iт),                                                               (1)

где hк - критическая глубина в трубе (см. п. 2.7).

Функцию уклона f(iт) находят по формуле

                              (2)

а коэффициент Ак и граничные значения параметра расхода для разных типов труб - по табл. 1.

Таблица 1

2.3. Параметр расхода ПQ определяют по формулам:

для круглых, овоидальных и труб с подобными им поперечными сечениями, очерченными кривыми линиями

                              (3)

для прямоугольных

                                                            (4)

где b, hт - соответственно ширина и высота прямоугольной трубы;

dэ - эквивалентный диаметр трубы

                                                 (5)

Здесь ωсоор - площадь поперечного сечения трубы (для круглых труб dэ равен диаметру трубы).

2.4. При параметрах расхода ПQ > ПQ(гр) глубины на выходе из труб определяют через относительные глубины потока по формуле

hвых/hт = Атf(iт)ПQs                                                            (6)

Величина коэффициентов Ат, показателей степени s и диапазон возможного изменения параметров расходов в зависимости от типа труб и режимов протекания приведены в табл. 2.

Таблица 2

2.5. При напорном режиме глубины на выходе из технически гладких труб принимают равными

                            (7)

2.6. Глубины на выходе из гофрированных труб с коэффициентом шероховатости ηг = 0,025 ÷ 0,03 определяют по формулам [4]:

при ПQ £ 0,8

                              (8)

при 0,8 < ПQ  1,35

                                                        (9)

при ПQ > 1,35 принимают

                                                                (10)

При параметрах расхода ПQ  0,8 глубины на выходе из гофрированных труб можно также определить по формулам для круглых труб.

2.7. Критические глубины в трубах hк определяют по формулам:

при ПQ ?? 0,8

                               (11)

при 0,8 < ПQ  1,2

                                                          (12)

для овоидальных труб

при ПQ ?? 0,8

                                                            (13)

при 0,8 < ПQ  1,2

                                                          (14)

для прямоугольных труб

                                                          (15)

Здесь α - коэффициент кинетической энергии, значение которого для труб α = 1,1, при этом

                                                         (16)

где q = Q/b - удельный расход в трубе.

2.8. Для упрощения и ускорения расчетов глубин на выходе и критических глубин рекомендуется пользоваться графиками, приведенными в рекомендуемом приложении 1.

2.9. При уклонах труб iт ?? 0,1 допустимо принимать глубины на выходе из труб равными нормальным глубинам. Графики определения нормальных глубин в технически гладких трубах даны в рекомендуемом приложении 2.

Рис. 1. График для определения нормальных глубин h0 в круглых трубах при ступенчатой укладке звеньев

2.10. Для труб с повышенной шероховатостью создаваемой за счет ступенчатой укладки звеньев, при средних уклонах iт > 0,04 глубины на выходе принимают равными нормальным глубинам и вычисляют по [1, гл. Х] либо по графикам, приведенным ниже.

Для круглых труб пользуются графиком (рис. 1), где по оси абсцисс отложен параметр . Приведенную повышенную шероховатость Ппав(пр) определяют по графику рис. 2, а (где ∆ - высота ступеней), а при h/D < 0,225 она корректируется путем умножения на коэффициент Кh, который находится по графику рис. 2, б.

Для прямоугольных труб пользуются графиком рис. 3, где по оси абсцисс отложен параметр  (l - длина ступеней).

2.11. Скорости на выходе из труб определяют по формуле

                             (17)

где ωвых - площадь живого сечения потока на выходе из трубы.

Для прямоугольных труб

                                                         (18)

для круглых и овоидальных труб относительную величину ωвых/Dэ2 определяют соответственно табл. 3.

Таблица 3