Страница 4: Методические рекомендации по определению деформаций дна и размеров укреплений за дорожными водопропускными трубами (46185)

где Вmin - минимальная ширина укрепления, соответствующая ширине воронки размыва в створе конца укрепления; К - коэффициент формы воронки размыва (см. рис. 4);

θ - коэффициент, θ = 3 при предохранительном откосе и θ = 3,6 - при концевой части в виде вертикальной стенки.

После назначения ширины укрепления производят окончательную ее корректировку. Форма укрепления в плане может быть прямоугольной или трапецеидальной, причем с прямоугольными или ступенчатыми границами.

4.7. В выходных руслах с каменной наброской камень укладывают по всей ширине укрепления в приготовленный котлован так, чтобы верх его находился не менее чем на 0,5 м ниже поверхности земли. При уклонах лога iл  0,02 и возможности образования промоины в выходном логе камень следует укладывать на 0,5 м ниже дна промоины у концевой части.

При назначении удельного объема камня в рисберме следует учесть, что за счет его варьирования можно существенно сократить глубину размыва.

4.8. Рациональные типы и размеры укреплений выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов выходных русл.

4.9. Примеры расчетов основных размеров выходных русл приведены в рекомендуемом приложении 7.

Приложение 1

Рекомендуемое

ГРАФИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИН НА ВЫХОДЕ ИЗ ТРУБ hвых И КРИТИЧЕСКИХ ГЛУБИН hк В ТРУБАХ

Рис. 1. График для определения глубин на выходе из труб:

а - круглых; б - прямоугольных, работающих при ПQ > 0,8 при полунапорном режиме; в - овоидальных; г - гофрированных с учетом их возможной «зарядки»

Рис. 2. График для определения критической глубины в трубах:

 - круглых;  - овоидальных

Приложение 2

Рекомендуемое

ГРАФИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ ГЛУБИН h0 В ТЕХНИЧЕСКИ ГЛАДКИХ ТРУБАХ

Рис. 1. Графики для определения нормальных глубин h0 и соответствующих им скоростей v0 в круглых трубах:

 - для ;  - для h0/D

1. Пояснения к пользованию графиком (см. рис. 1).

При коэффициенте шероховатости η, отличном от η = 0,015, относительные нормальные глубины в круглых трубах определяют при параметре расхода, приведенном к фактическому значению η

П'Q = ПQη/0,015.

2. Пример расчета. Дано D = 1 м; Q = 1,4 м3/с; iт = 0,15; η = 0,013.

Расчет:  

По графику находим h0/D = 0,26, h0 = 0,26 · 1,0 = 0,26 м и v0/(gDiт)1/2 = 6,0, v0 = 6,0(9,81 · 1,0 · 0,15)1/2 = 7,3 м/с.

Рис. 2. График для определения нормальных глубин в прямоугольных трубах

Пример расчета (см. рис. 2). Дано: b = 2,0 м, η = 0,015, Q = 12,6 м3/с; iт = 0,10

Расчет: ; b2,67 = 6,36;  и по нижней и левой части графика находим h0/b = 0,63 и h0 = 0,63 · 2 = 1,26 м.

Приложение 3

Рекомендуемое

ГРАФИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ НА ВЫХОДЕ ИЗ КРУГЛЫХ ТРУБ

Рис. 1. График для определения скоростей на выходе из круглых технически гладких труб

Рис. 2. График для определения скоростей на выходе vвых из гофрированных труб с учетом возможной их зарядки

Приложение 4

Справочное

РАЗНОСТНАЯ СЕТКА И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ВОДОПРОПУСКНОЙ ТРУБЫ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Рис. 1. Вариант неравномерной разностной сетки для расчета растекания потока в логе с прямолинейными боковыми стенками (в силу симметрии области течения относительно оси трубы сетка построена для половины области)

Рис. 2. Глубины и скорости потока при истечении его в лог шириной 1,8 м с плоским бетонным наклонным дном (iл = 0,05, nл = 0,014) из круглой трубы диаметром D = 0,1 м, скоростью и глубиной на выходе vвых = 1,78 м/с, hвых = 0,035 м, приведенной шириной выхода bвых = 0,064 м:

а - эпюры скоростей; б - эпюры глубин;  - расчет;  - эксперимент;  - границы растекания в эксперименте

Рис. 3. Глубины (а) и скорости (б) потока при истечении его в лог с уклоном дня iл = 0,001 (остальные параметры те же, что и на рис. 2):

 - векторы скорости; 7 ... 175 - их абсолютные значения;  - линия нулевых скоростей

Приложение 5

Рекомендуемое

ГРАФИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ РАСТЕКАНИЯ ПОТОКА Враст, ГЛУБИН h И СКОРОСТЕЙ v ПОТОКА НА УКРЕПЛЕНИИ ПРИ УКЛОНЕ ВЫХОДНОГО ЛОГА iл > 0,02

Ширину растекания потока находят по формуле (34)

где М, N и Км - параметры, определяемые соответственно по рис. 1, рис. 2 и таблице данного приложения;

Пш - коэффициент шероховатости дна;

0,015 - принятый в графике коэффициент шероховатости.

Значения поправочного коэффициента Км для определения ширины растекания на укреплении

Графики для определения глубины потока h и глубин по оси потока hось на укреплении даны на рис. 3 и 4, скоростей потока v - на рис. 5 настоящего приложения.

Рис. 1. График для определения параметра

Рис. 2. График для определения параметра N

Рис. 3. График для определения глубины потока h на укреплении

Рис. 4. График для определения глубин по оси потока hось на укреплении

Рис. 5. График для определения скоростей потока v на укреплении

Приложение 6

Рекомендуемое

РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ РАЗМЫВА С УЧЕТОМ ГИДРОГРАФА ПАВОДКА ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ

При формах гидрографа паводка, не поддающихся введенной в п. 3.9 схематизации (например, многопиковой) расчет ∆hmax непосредственно по формулам (40), (48), (51) - (53) может привести к заметным погрешностям. В этом случае применяется следующий алгоритм расчета:

1. Гидрограф заменяют ступенчатым, т.е. представляют в виде последовательности пар чисел {Qj, Тj}, j = 1, ... N, где Qj, Тj - соответственно расход на j-й ступени и ее продолжительность; N - число ступеней, выбираемое из условия обеспечения необходимой точности расчетов (обычно N ?? 10).

2. Задают начальную глубину размыва ∆hmax(0) (обычно ∆hmax(0) = 0) и полагают j = 0.

3. Увеличивают j на 1 (j = j + 1); если j > N - расчет завершен.

4. Рассчитывают ∆hпр(Qj) по формуле (48) при Q = Qj. Если ∆hпр(Qj) < ∆hmax(j - 1), полагают ∆hmax(j) = ∆hmax(j - 1) и переходят к п. 3 алгоритма.

5. Уравнение (40) с учетом (51), (52) и величины ∆hпр(Qj) разрешают относительно t при ∆hmax = ∆hmax(j - 1) и находят tj - время, за которое постоянный расход Qj размоет дно на глубину ∆hmax(j - 1) (т.е. на начало j-й ступени):

                     (1)

                               (2)

6. Полагают t = tj + Tj и по формулам (40), (48) (51), (52) при Q = Qj вычисляют глубину ∆hmax(j) на конец j-й ступени

                    (3)

после чего переходят к п. 3 алгоритма.

По описанному алгоритму в ЦНИИСе разработана и эксплуатируется программа для расчета ∆hmax при пропуске гидрографов типовой или произвольной формы при любых рекомендуемых типах выходных русл.

Приложение 7

Рекомендуемое

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА НИЖНЕГО БЬЕФА ТРУБ

Пример 1. (уклон лога iл ?? 0,02).

Исходные данные

Круглая железобетонная труба D = 1,5 м без конических звеньев с раструбным оголовком bp = 3,2 м расположена на автомобильной дороге. Уклон трубы iт = 0,05, уклон лога iл = 0,01. Расчетный расход в сооружении Qр = 4 м3/с. Объем стока Wр = 21 · 103 м3. Лог широкий в виде наклонной плоскости. Грунты лога - пески со средним диаметром частиц d = 1 мм. Требуется назначить тип выходного русла и определить размеры укреплений на выходе из трубы.

1. Назначаем тип выходного русла. Труба практически полностью загружена, так как согласно [1. табл. 1, 2], расход в указанной трубе при расчетном заполнении равен Qp = 4,7 м3/с, что близко к Qр = 4 м3/с; согласно указаний разд. 4 назначаем выходное русло типа 1к.

2. Определяем скорости на выходе из трубы vвых. Для этого по формуле (3) определяем параметр расхода  и по графику рис. 1 приложения 3 находим vвых/ = 1,4 и vвых = 1,4 = 5,37 м/с. Максимальные скорости на укреплении vукр(max) при iт > 0,02 согласно п. 2.17 принимают равными vукр(max) = vвых = 5,4 м/с.

3. Назначаем тип укрепления. По [1, табл. П-6] при vукр(max) = 5,4 м/с принимаем бетонное монолитное укрепление длиной L = 2D = 2 · 1,5 = 3 м (см. п. 4.3).

4. Определяем глубину размыва в принятом выходном русле в такой последовательности:

а) вычисляем предельную глубину размыва по формуле (48), для чего предварительно вычисляем Qк и δм (см. пояснения соответственно к формулам (27) и (48)):

Для принятого выходного русла 1к ψ = 1 и для него по табл. 4 находим r = 0,9 и S = 0,6.

Тогда имеем

б) определяем продолжительность паводка по формуле (53)

t = 0,5Wp/Q = 0,5 · 21 · 103/4,0 = 2570 с;

в) определяем эталонное время размыва по формуле (52) при Сp = 0 (несвязные грунты)

г) определяем долю предельной глубины размыва, осуществляемую за время прохождения паводка, по формуле (51)

д) определяем максимальную глубину размыва по формуле (40)

∆hmax = ∆hпрη = 3,10 · 0,71 = 2,2 м;

е) назначаем расчетное значение удельного объема камня в рисберме, исходя из условия , для чего находим величины  и  соответственно по формулам (43) и (44). В первом приближении крупность камня при этом принимаем равным dн = 0,1 м.

Принимаем  = 0,25 м3/м;

ж) уточняем принятую крупность камня в рисберме, исходя из формулы (42)

Следовательно, крупность камня dн = 0,1 м принята правильно;

з) определяем глубину размыва в принятом выходном русле по формуле (41)

т.е. тип выходного русла 1к назначен правильно.

5. Назначаем глубину заделки концевой части укрепления для типа 1к - глубину заложения предохранительного откоса. Согласно указаниям п. 4.4 принимаем глубину заложения концевой части укрепления равной

∆hукр = 1,2∆hmax(н) = 1,2 · 0,95 = 1,15 м.

6. Определяем ширину растекания потока. При iл  0,02 расчет выполняем по формуле (26). предварительно вычислив показатель степени S по формуле (27) и коэффициент К по графику (см. рис. 4).

При L/D = 2 и ∆hmax/D = 2,20/1,5 = 1,47        К = 0,73;

Результаты расчетов приведены в табличной форме.

7. Определяем ширину укрепления. Расчет выполняем в такой последовательности:

а) назначаем ширину укрепления на всей ее длине, кроме концевой части, по ширине растекания с запасом, равным по 1 м с каждой стороны укрепления В = Враст + 2,0 м;

б) находим ширину укрепления в конце его по формуле (67) при θ = 3,0 и ∆hкан = 0

Вmin = θ∆hmax/К = 3,0 · 2,20/0,73 = 9,3 > Враст(max) + 2,0 = 5,5 + 2,0 = 7,5 м;

в) принимаем окончательные размеры укрепления в плане, исходя из кратности их 0,5 м, приведенные на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция и размеры укреплений, полученные в результате расчета нижнего бьефа трубы при iл  0,02:

1 - граница растекания, 2 - контур воронки размыва

Пример 2. (уклон лога iл > 0,02).

Исходные данные

Прямоугольная типовая железобетонная труба отверстием bhт = 1,52,0 м с раструбным оголовком bp = 3,7 м расположена на железной дороге в средней полосе страны. Уклон трубы iт = 0,15. Труба запроектирована со ступенчатой укладкой звеньев, со ступенями высотой ∆ = 0,30 м и длиной l = 2,0 м.

Уклон и коэффициент шероховатости лога соответственно равны iл = 0,05, ηл = 0,045. Расчетный расход в сооружении Qр = 9,0 м3/с, наибольший Qmах = 11,5 м3/с. В результате гидравлического расчета установлено, что расчетный и наибольший расходы проходят при безнапорном режиме. Объем стока: при расчетном паводке Wp = 48,5 · 103 м3, при наибольшем Wmax = 60,0 · 103 м3. Лог широкий в виде наклонной плоскости, грунт лога - глины с расчетным сцеплением Ср = 0,5 · 105 Па.

Требуется назначить тип выходного русла и определить размеры укреплений на выходе из трубы.

Расчет

1. Назначаем тип выходного русла. Труба практически полностью загружена и имеет большой уклон. Согласно рекомендациям разд. 4 назначаем выходное русло типа 1к.

2. Определяем глубины и скорости на выходе из трубы при ступенчатой укладке звеньев и на укреплении в следующем порядке:

а) вычисляем параметр  (см. п. 2.10):

при Qp

при Qmax

б) по графику (см. рис. 3) находим:

при Qp hвых/b = 0,61 и hвых(p) = 0,61 · 1,5 = 0,92 м;

при Qmax hвых/b = 0,74 и hвых(max) = 0,74 · 1,5 = 1,11 м;

в) находим скорости на выходе из трубы по формуле (17):

при Qp vвых(p) = Qp/(bhвых(p)) = 9,0/(1,5 · 0,92) = 6,5 м/c;

при Qmax vвых(max) = 11,5/(1,5 · 1,11) = 6,9 м/c;

г) максимальные скорости на укреплении vукр(max) согласно п. 2.17 принимают vукр(max) = vвых.

Следовательно,

при Qp vукр(max)p = vвых(р) = 6,5 м/c;

при Qmax vукр(max)max = vвых(max) = 6,9 м/c.

Так как vукр(max)max/vукр(max)p = 1,06 < 1,35, а допускаемые скорости при прохождении наибольшего расхода можно повышать на 35 % (см. п. 1.13), то к расчету принимаем максимальную скорость при расчетном расходе vукр(max)p = 6,5 м/с.