Методические рекомендации по гидравлическому расчету металлических гофрированных труб


ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ ТРУБ

 

 

Москва 1979

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое распространение в практике транспортного строительства металлических гофрированных труб, обладающих существенно большей шероховатостью, чем технически гладкие, вызвало необходимость выполнения ряда расчетов, учитывающих особенности их гидравлической работы: возможность работы гофрированных труб с любыми типами оголовков в напорном или частично-напорном режимах, ограничение (по условиям прочности конструкции) предельного уклона укладки труб (iпр = 0,05), целесообразность применения многоярусных труб и др.

Настоящие Методические рекомендации предназначены для определения пропускной способности одноочковых и многоочковых: металлических гофрированных труб и расчета их нижних бьефов.

Методические рекомендации рассмотрены и одобрены Ленгипротрансмостом, Мосгипротрансом и Союздорпроектом и рекомендованы Главтранспроектом для использования в проектной практике при выполнении гидравлических расчетов металлических гофрированных водопропускных труб на железных и автомобильных дорогах.

Методические рекомендации разработаны на основе экспериментальных и теоретических исследований в лаборатории мостовой гидравлики и гидрологии отделения изысканий и проектирования железных дорог ЦНИИСа канд. техн. наук Г.Я. Водченковым при участии канд. техн. наук В.И. Алтунина (МГМИ) и инженеров Н.В. Невской (ЦНИИС) и А.А. Александрова (Мосгипротранс) под общим руководством канд. техн. наук В.В. Невского.

Зам. директора института Н.Б.                                      СОКОЛОВ

Руководитель отделения изысканий

и проектирования железных дорог                               А.М. КОЗЛОВ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Согласно настоящим Методическим рекомендациям рассчитываются металлические гофрированные трубы с наиболее распространенным в отечественной практике типом гофра 130 ´ 32 мм. С некоторым приближением могут выполняться также расчеты труб с другими типами гофров.

1.2. В работе даются рекомендации по выполнению гидравлических расчетов, характерных для гофрированных труб. Гидравлические расчеты, общие для всех типов водопропускных труб, в ней не приводятся, а излагается лишь последовательность таких расчетов и в необходимых случаях даются ссылки на источник, где можно найти отсутствующие в настоящих Методических рекомендациях виды расчетов.

1.3. Гофрированные трубы отличаются от «гладких» в гидравлическом отношении существенно большими критическими уклонами, величина которых при безнапорном режиме достигает 0,02 - 0,03. Для обеспечения максимальной водопропускной способности уклоны гофрированных труб должны быть не меньше указанных значений и в крайнем случае не меньше 0,01.

В каждом конкретном случае предварительно устанавливается критический уклон сооружения iк. Учитывая критический уклон сооружения и уклон местности, назначают уклон трубы с соблюдением условия

iТ ³ iк.                                                                            (1)

В случае несоблюдения условия (1) пропускная способность трубы понижается, причем при iТ  0,01 этим можно пренебречь, при iТ < 0,01 реальная пропускная способность сооружения должна устанавливаться в соответствии с «Руководством по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений» (М., Транспорт, 1974), а с некоторым приближением - настоящими Методическими рекомендациями.

1.4. Пропускная способность труб согласно данным Методическим рекомендациям определяется исходя из условий входа равнинного типа, при котором перед сооружением образуется емкость, характеризующаяся подпертой глубиной. При этом поток поступает в трубу в спокойном состоянии.

Вход указанного типа имеют все водопропускные трубы без подходных быстротоков, подводящих поток к сооружению в бурном состоянии.

Для труб, имеющих на входе быстротоки, проверяют возможность входа потока в трубу в бурном состоянии. Порядок расчета приводится в «Руководстве по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений».

Если в результате расчета окажется, что имеет место вход равнинного типа, то гидравлические расчеты производят согласно настоящим Методическим рекомендациям, как для равнинных труб. В противном случаи трубы по условиям входа являются косогорными и их гидравлические расчеты производят в соответствии с требованиями «Руководства по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений».

1.5. Настоящими Методическими рекомендациями предусматривается выполнение гидравлических расчетов в двух вариантах при наличии гладкого лотка и при его отсутствии.

1.6. Рекомендации даются для гофрированных труб без оголовков со срезом перпендикулярно оси трубы, с оголовком, срезанным параллельно откосу, с оголовком типа «капюшон» и раструбным с углом раструбности  = 20 (рис. 1).

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ТРУБ

«Длинные» и «короткие» трубы. Учет влияния нижнего бьефа

2.1. Трубы, на пропускную способность которых при безнапорном и полунапорном режимах оказывает влияние их длина, называют «длинными» в гидравлическом отношении. У «коротких» это влияние отсутствует.

2.2. «Короткими» считаются трубы, для которых соблюдается условие

iТ > iк.

Рис. 1. Типы оголовков труб:

а - труба без оголовка со срезом перпендикулярно оси трубы; б - то же со срезом параллельно откосу; в - оголовок типа «капюшон»; г - раструбный оголовок

2.3. Критический уклон для наиболее распространенных отверстий труб с гладкими лотками диаметром 1,5 или 2,0 м определяют по графику рис. 2 в функции параметра расхода

ПQ = ,

где Q - расход в сооружении;

D - диаметр трубы;

g - ускорение силы тяжести.

Для остальных отверстий критический уклон вычисляют по формуле

iк » iк(гр) ,                                                            (2)

где iк(гр) и Dгр - соответственно критический уклон и диаметр трубы, представленной на рис. 2. Это может быть D = 1,5 или 2,0 м.

Рис. 2. График для определения критического уклона iк для круглых гофрированных труб с гладкими лотками (nгв = 0 : 0,025):

1 - D = 1,5 м; 2 - D = 2,0 м

При iТ < iк с некоторым приближением «короткими» можно считать трубы при соблюдении критерия относительной длины

  20,

где lТ - длина трубы.

2.4. Приводимые ниже в настоящей главе зависимости для определения пропускной способности труб при безнапорном и полунапорном режимах относятся к «коротким» трубам.

2.5. Глубины на входе и подпертые глубины перед «длинными» трубами определяют по формулам, полученным из аналогичных зависимостей для гладких труб, приведенных в «Руководстве по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений», с введением в них корректива для учета повышенной шероховатости гофрированных труб:

 =  + 0,007 ( - 20);                                 (3, а)

 =  + 0,005 ( - 20);                                 (3, б)

где  и  - соответственно относительная глубина на входе и относительная подпертая глубина для «коротких» труб;

n = 0,015 и nгофр - коэффициенты шероховатости соответственно для гладких и гофрированных труб.

2.6. При значительной бытовой глубине водотока происходит затопление труб со стороны нижнего бьефа, что также снижает их пропускную способность.

С некоторым приближением можно считать, что критерии затопления труб со стороны нижнего бьефа, полученные для гладких труб, сохраняются и для гофрированных, т.е. незатопленными будут трубы при соблюдении условий

hнб ³ 1,25hк и hнб  1,1hТ,                                                             (4)

hнб - глубина в нижнем бьефе над нижней точкой дна трубы в выходном сечении;

hк - критическая глубина в трубе;

hТ - высота трубы.

Критическую глубину в круглых трубах определяют по графику (рис. 3).

Более точно учет затопления производится согласно «Руководству по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений».

Рис. 3. График для определения критической глубины в круглых трубах

Режимы протекания потока

2.7. Различают следующие режимы работы гофрированных труб:

безнапорный, когда входное сечение не затоплено и на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность (рис. 4, а);

полунапорный, когда входное сечение трубы затоплено, т.е. на входе труба работает полным сечением, а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (см. рис. 4, б);

частично-напорный режим, когда входное сечение трубы затоплено и на какой-то части, примыкающей к входу, труба работает полным сечением (см. рис. 4, в);

напорный режим, когда труба на всем своем протяжении работает полным сечением (см. рис. 4, г),

2.8. Безнапорный режим протекания в трубах сохраняется до полного затопления входного сечения, что характеризуется условием

 < 1,

где hвх - глубина на входе в трубу;

D - диаметр входного сечения, считая по впадинам гофра (наименьший диаметр).

Рис. 4. Режимы протекания потока в трубе:

а - безнапорный; б - полунапорный; в - частично-напорный; г - напорный;

hвх, hвых, hс - соответственно глубины на входе в трубу, на выхода из нее и сжатая

2.9. Возможность существования безнапорного ражими и заполнение трубы на входе в «короткие» трубы определяют по графику (рис. 5), на котором приведена зависимость относительной глубины потока на входе в трубу  от параметра расхода, ПQ = . Этот же график позволяет по заданному заполнению установить соответствующую ему величину расхода.

Рис. 5. График для определения глубины потока на входе в трубу при различных типах оголовков:

1 - оголовок типа «капюшон»; 2 - труба без оголовка с вертикальным срезом; 3 - раструбный оголовок ( = 200); 4 - оголовок со срезом параллельно откосу насыпи

Рис. 6. Номограмма для определения безразмерного параметра расхода для круглых труб

ПQ =

Параметр расхода может быть определен по номограмме (рис. 6).

2.10. При   1 и   1,35 в трубе возникает напорный режим протекания потока.

2.11. При   1 и  < 1,35 в трубе с оголовками всех видов возможен полунапорный или частично-напорный режим. В этом случае режим протекания определяют в такой последовательности:

1. Вычисляют подпертую глубину перед трубой Н при полунапорном режиме (см. п. 2.16).

2. Находят относительную граничную подпертую глубину потока , соответствующую верхней границе полунапорного режима (началу возникновения частично-напорного режима), по формуле

 = К(),                                                          (5)

где ()?? - относительная граничная подпертая глубина для труб без гладких лотков, определяемая по графику (рис. 7) в зависимости от относительной длины трубы  и ее уклона iТ;

К - коэффициент увеличения относительной граничной подпертой глубины в трубах с гладкими лотками, который вычисляется по формуле

К?? = ,                                                        (6)

Здесь ?? - доля, занимаемая гофрированной поверхностью в поперечном сечении трубы (вся поверхность за вычетом части ее, занимаемой гладким лотком, отнесенная ко всей поверхности);

m - показатель степени.

При 0,01  iТ  0,05

m = 5.                                                               (7)

Рис. 7. График для определения относительной граничной подпертой глубины  для гофрированной трубы без гладкого лотка при разных ее уклонах

Коэффициент К можно также определить по графику (рис. 8).

3. Сравнивают относительную подпертую глубину  с относительной граничной подпертой глубиной  и устанавливают режимы протекания потока:

при  <  полунапорный;

при  ³  частично-напорный.

Рис. 8. График для определения коэффициента Кd

2.12. В трубах с оголовками типа «капюшон» при   1 и  < 0,645 возникает полунапорный режим, при  > 1 и   0,645 - частично-напорный.

2.13. После установления режима протекания выполняют расчеты пропускной способности труб, в результате которых устанавливают:

а) по расходу в сооружении - заполнение на входе; подпертую глубину перед трубой, по которой назначают возвышение бровки полотна; скорость на выходе для назначения типа укрепления;

б) по заданной подпертой глубине - расход в сооружении.

Безнапорные и полунапорные трубы

2.14. Подпертую глубину перед безнапорными трубами определяют по формуле

Н = ,                                                         (8)

где m - коэффициент расхода, определяемый по табл. 1 в зависимости от типа входного оголовка;

bк - средняя ширина потока при критической глубине, определяемая по табл. 2.

Таблица 1

Тип оголовка

Коэффициент расхода m

Без оголовка (вертикальный срез)

0,33

Срезанный параллельно откосу

033

«Капюшон»

033

Раструбный ( = 20°)

0,365

2.15. При несовершенном сжатии потока на входе в трубу (ширина по подпертому уровню высоких вод ПУВВ перед входом в трубу менее шести ее отверстий) коэффициент расхода определяют по формуле

m = mтабл. + ,                                           (9)

где mтабл. - значение коэффициента, расхода по табл. 1;

?? - площадь поперечного сечения потока в подводящем русле;

п - площадь поперечного сечения трубы до отметки подпертого уровня.

2.16. Подпертую глубину перед гофрированными трубами при полунапорном режиме определяют по формуле

Н = ,                                                  (10)

где соор. - площадь поперечного сечения трубы;

п и п - соответственно коэффициент расхода и коэффициент сжатия в определяющем сечении при полунапорном режиме, вычисляемые по табл. 3.