Методические рекомендации по гидравлическому расчету металлических гофрированных труб

Здесь z_вх - коэффициент сопротивления на вход, принимаемый по табл. 3;

z_вых - коэффициент сопротивления на выход;

l - коэффициент гидравлических сопротивлений по длине, определяемый по формуле

l = ;                                                                 (13)

где R =  - гидравлический радиус при полном заполнении трубы.

Коэффициент шероховатости n_гофр. для труб с принятым в нашей стране гофром при отсутствии в трубе покрытия (гладкого лотка) составляет около 0,03, при наличии лотка, покрывающего 1/4 - 1/3 внутренней поверхности трубы, - 0,025.

В общем случае при гладком лотке, покрывающем любую часть поперечного сечения трубы, коэффициент шероховатости можно определять по формуле

n_гофр. = ,                                            (14)

где c и c_гофр. - части поперечного сечения трубы, покрытые соответственно гладким лотком и гофрированной поверхностью;

n и n_гофр. - коэффициенты шероховатости соответственно для гладкого лотка (n = 0,015) и гофрированной поверхности (n_гофр. = 0,03).

При распространенном в практике типе поперечного сечения гофрированной трубы с гладким лотком на 1/3 части периметра сечения коэффициент расхода m_н можно определить по графику (рис. 9).

При затоплении входа вместо h_нD в формулу (11) подставляют глубину воды в нижнем бьефе.

Рис. 9. График для определения коэффициента расхода m_н гофрированных труб с гладким лотком на 1/3 периметра поперечного сечения трубы

2.18. Подпертую глубину перед трубами при частично-напорном режиме определяют по формуле (11), принимая h_н по графику (рис. 10) в зависимости от параметра расхода. При этом в качестве расчетной длины трубы принимают

l¢_Т = l_T - l_o,                                                                 (15)

где l_o - расстояние от конца трубы до створа, где труба работает полным сечением; l_o определяют по параметру расхода П_Q =  с помощью графика (рис. 11).

Рис. 10. График зависимости h_н = f( )

2.19. Проверяют возможность сохранения частично-напорного режима.

В трубах с оголовками всех типов, кроме типа «капюшон», частично-напорный режим сохраняется при соблюдении условия Н ³ 1,4 D. В противном случае труба «разряжается», и в ней возникает полунапорный режим. При этом подпертую глубину определяют по формуле (10).

Рис. 11. График для определения l_o

Рис. 12. Зависимости Н = f (Q) для трубы D = 1,5 м при i_T = 0,01

В трубах и оголовках типа «капюшон» возможен переход частично-напорного режима в его особую форму. Для установления возможности сохранения частично-напорного режима в этом случае подпертую глубину Н сравнивают с Н¢, вычисляемой по формуле

Н¢ = (1 + 0,155 )D.                                         (16)

При Н > Н¢ частично-напорный режим сохраняется, и дальнейшего пересчета подпертой глубины Н, определяемой по формуле (11), не требуется.

При Н < Н¢ наблюдается особая форма частично-напорного режима, и в качаете искомой подпертой глубины принимают Н¢.

2.20. Для определения расчетной подпертой глубины перед трубами с оголовками всех типов, кроме типа «капюшон», сравнивают подпертую глубину Н с граничной Н_Г, определяемой по формуле (5). При Н > Н_Г в качестве расчетной глубины принимают Н, при Н < Н_Г - глубину Н_Г.

Для труб с оголовками типа «капюшон» сравнивают подпертую глубину, принятую в п. 2.19 для дальнейших расчетов, с подпертой глубиной Н², определяемой по формуле (16) при  = 0,645.

При Н > Н² в качестве расчетной глубины принимают Н, при Н < Н² - глубину Н².

2.21. Для безоголовочных труб с гладкими лотками, расположенными на 1/3 (или 1/4) периметра поперечного сечения сооружения, в целях упрощения вычислений рекомендуется пользоваться графиками, приведенными на рис. 12 и 13. На графиках зависимости Н = f(Q) при частично-напорном и напорном режимах соответствуют уклону i_Т = 0,01 %. При иных уклонах в значения Н для указанных режимов вводятся поправки по формуле

DН = l_Т(i_Т - 0,01).                                                                (17)

Подпертая глубина в этом случае равна

Н = Н_граф - DН,                                                                  (18)

где Н_граф - подпертая глубина, определяемая по графикам (см. рис. 12 и 13).

Зависимости Н = f(Q) даны па графиках для разных длин и отверстий труб. Они пересечены кривыми, соответствующими различным уклонам труб. Точки пересечения их соответствуют минимальным значениям расхода и подпертой глубины Н, при которых труба, уложенная с данным уклоном, работает в частично-напорном режиме. При меньших значениях Q и Н в трубе имеет место безнапорный или полунапорный режим протекания, при которых пропускная способность труб не зависит от их уклона.

На указанных графиках зависимости Н = f(Q) для полунапорного режима выше кривой i_Т = 0,01 (пояснения см. ниже) изображены пунктиром.

Рис. 13. Зависимости Н = f(Q) для трубы D = 2,0 м при i_Т = 0,01

Порядок пользования графиком следующий.

На графике, соответствующем принятому отверстию трубы, находят кривую Н = f(Q) для заданной длины трубы l_Т. На этой кривой по величине расхода находят подпертую глубину Н.

Интерполируя кривые, пересекающие зависимости Н = f(Q), находят уклон для кривой, проходящей через точку, соответствующую заданному расходу (подпертой глубине Н).

Сравнивая фактический уклон трубы с уклоном указанной кривой i_Г, устанавливают возможность возникновения частично-напорного (или напорного) режима в трубе.

При i_Т < i_Г в трубе возникает частично-напорный (напорный) режим, при i_Т > i_Г - полунапорный.

При частично-напорном (напорном) режиме в полученное по графику значение Н_граф вводят поправку DН согласно формуле (17).

Сравнивая установленное значение Н с 1,4D, определяют возможность существования частично-напорного режима.

При Н ³ 1,4D частично-напорный режим сохраняется, и полученное значение Н принимается к дальнейшему расчету. При Н < 1,4D возникает полунапорный режим, и Н определяют по зависимости Н = f(Q) для данного режима трубы заданной длины.

В качестве расчетной подпертой глубины перед трубами, работающими в частично-напорном режиме, принимают большее из значений Н и Н_Г.

Н_Г на графиках (см. рис. 12 и 13) определяют следующим образом:

находят точку пересечения зависимости Н = f(Q) для трубы заданной длины с линией заданного уклона (при отсутствии на графике линии соответствующего уклона ее положение определяют интерполяцией);

через полученную точку проводят линию, параллельную оси ординат, и доводят ее до пересечения с пунктирной линией для трубы заданной длины; ордината этой точки и будет искомой граничной глубиной Н_Г.

При полунапорном режиме подпертую глубину определяют непосредственно по зависимости Н = f(Q) для данного режима (на графиках она изображена пунктиром).

Глубины и скорости потока на выходе из труб 2.22. Глубины потока на выходе из гофрированных труб h_вых (в том числе и с гладкими лотками) при 0,01 £ i_Т £ 0,05 и параметрах расхода  < 1,35 определяют по следующим формулам (при i_Т, %):

при  £ 0,8

 = ( )^0,6;                                              (19)

при 0,8 <  < 1,35

 = ( )^0,52;                                             (20)

При  ³ 1,35 труба на выходе заполнена, и глубины в выходном сечении равны диаметру трубы, т.е. h_вых = D.

Для упрощения расчетов можно пользоваться графиком (рис. 14).

2.23. Скорости потока на выходе из труб V_вых определяют из выражения (при i_Т, %):

 = 1,45i_Г^0,04                                         (21)

или по графику (рис. 15).

При  > 1,35 скорости потока на выходе из труб определяют по формуле

V_вых = .                                                            (22)

Особенности расчета многоочковых и многоярусных труб 2.24. Пропускную способность гофрированных многоочковых и многоярусных труб при условии их раздвижки на величину не менее 0,25D определяют как сумму отдельно работающих одноочковых труб.

Рис. 14. График для определения глубин потока на выходе из труб при разных уклонах

Рис. 15. График для определения скоростей потока на выходе из труб при разных уклонах

2.25. Расчет многоочковых труб аналогичен расчету одноочковых, при этом расход каждой трубы принимают равным Q_п = , где n_Т - число труб.

2.26. Многоярусные трубы целесообразно устраивать без оголовка. Расчет многоярусных труб (рис. 16) начинают с определения подпертой глубины перед трубой в предположении, что весь расход проходит через трубы нижнего яруса. Для этого весь расход делят на число труб нижнего яруса и производят расчет отдельной трубы согласно рекомендациям для одноочковых труб, изложенным выше. Установив подпертую глубину перед трубой, ее сравнивают с расстоянием между лотками труб первого и второго ярусов. Если она меньше указанного расстояния, второй ярус не работает, и расчет на этом заканчивают, принимая в качестве искомой полученную подпертую глубину.

В противном случае расчет продолжают, для чего строят зависимости Н = f(Q) в такой последовательности.

1. Задают ряд расходов в трубах верхнего яруса и для каждого из них определяют подпертые глубины, пользуясь рекомендациями для одноочковых труб. При этом расход отдельной трубы определяют путем деления общего расхода на число труб n_Т.

2. Устанавливают подпертые уровни перед многоярусной трубой при пропуске каждого из заданных расходов путем прибавления к отметке лотка труб верхнего яруса соответствующих подпертых глубин.

3. Определяют подпертые глубины перед трубами всех нижерасположенных ярусов, вычитая из отметок подпертых уровней для каждого из заданных расходов, пропускаемых трубами верхнего яруса, отметки их лотков.

4. Устанавливают режимы протекания в трубах каждого из ярусов, определяя относительные подпертые глубины перед ними  при пропуске заданных расходов в трубах верхнего яруса и сравнивая их с относительными граничными напорами, которые вычисляются согласно рекомендациям для одноочковых труб.

При  <  в трубах данного яруса возникает полунапорный режим, при  >  - частично-напорный или напорный.

Рис. 16. Схема многоярусной трубы

5. Для полунапорного режима ( < ) определяют расходы, пропускаемые трубой соответствующего яруса по формуле (10).

При  ³  определяют расходы труб каждого яруса по формуле (11) при h_н = 0,75 и находят параметры расхода  (n_T - число труб в данном ярусе).

При  > 1,35 режим напорный и расход должен быть пересчитан по формуле (10) при h_н = 0,5.

При  < 1,35 по графику (см. рис. 10) определяют h_н и вновь вычисляют расход по формуле (7) с полученным значением h_н. Если он отличается от исходного не более чем на 3 %, расчет заканчивают, в противном случае расчет продолжают до указанной точности.