Методические рекомендации по гидравлическому расчету металлических гофрированных труб


При несоблюдении этих условий крупность камня на поверхности откоса увеличивают (укладывается не менее трех слоев).

4.42. Назначают конструктивно обратный фильтр у подошвы откоса высотой 0,5 м и шириной понизу 1 м.

Последующий расчет является общим для случаев А и Б.

4.43. Назначает у подошвы откоса укрепление каменной наброски, размеры которого определяют в соответствии с Рекомендациями, изложенными в гл. 3, учитывая следующие особенности.

При определении глубины размыва по формуле (24) расход принимают равным расходу в сооружении Qсоор, длину укрепления - равной сумме длин откоса подсыпки, укрепления у ее подошвы и ширины бермы.

Ширину воронки размыва вычисляют по формуле

Bmin = Bmin + 2 hmax;                                                          (63)

где Bmin определяют по формуле (33), принимая длину укрепления равной сумме ширины бермы и длины укрепления у подошвы откоса.

Сравнивая Bmin с Враст, устанавливают ширину укрепления по большей из них величине.

Сброс потока в лотки, уложенные на откосе насыпи

4.44. Определяют глубину и скорость потока на выходе из трубы по графикам (см. рис. 14 и 15).

4.45. Назначают высоту стенок лотка (считая от дна по оси его):

Q = hвых + 0,35,                                                           (64)

где 0,35 - величина возвышения стенок лотка над уровнем воды в нем.

4.46. Определяют проекцию расстояния от выхода из трубы до сечения падения струй в лотке:

х = ,                                           (65)

где mот - коэффициент заложения низового откоса насыпи.

Разность отметок лотка в сечениях падения струй и выхода из трубы равна

S = .

4.47. Определяют полную энергию потока в сечении падения струй согласно «Руководству по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений»

То = hвых + .                                                       (66)

4.48. Находят подбором из приведенного ниже уравнения глубину потока в сечении падения струй, принимая ее равной сжатой глубине

То = hс + .                                                       (66)

где wс - площадь потока в сжатом сечении;

j - коэффициент скорости, определяемый по табл. 10.

Таблица 10

 =

0,15

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0,75

0,80

0,85

0,87

0,89

0,91

0,92

0,93

0,94

Для этого задаются относительной сжатой глубиной  и определяют площадь живого сечения потока в лотке кругового очертания по формуле, справедливой при 0,05    0,75:

?? = D2.                                                       (68)

4.49. Устанавливают глубину потока в конце лотка у подошвы откоса из уравнения неравномерного движения (метод В.И. Чарномского)

l = ,                                                (69)

где l - расстояние между сечениями со сжатой глубиной hс и у подошвы откоса hпд, имеющими соответственно площади живого сечения потока с и ??пд;

if =  - средний уклон трения между сечениями;

Кср = срСср,

ср, Сср, Rср - соответственно средние для участка площадь сечения потока, коэффициент Шези и гидравлический радиус; их можно определить как полусуммы соответствующих величин в рассматриваемых сечениях.

Коэффициент Шези для быстроточного режима (имеет место в лотке) определяют по формуле

С = .                                                               (70)

При n = 0,025 (для гофрированных элементов трубы с гладким лотком) С = 40.

Гидравлический радиус R определяют по формуле, справедливой при 0,05   ?? 0,50:

R = 0,5D.                                                  (71)

Расчет ведут следующим образом:

а) Задаются глубиной у подошвы откоса hпд и вычисляют относительную глубину . Для нее находят по формулам (68), (70) и (71) пд, С, Rпд.

Затем по значению  находят с, С, Rс.

б) Вычисляют ??ср =  и Rср = /

в) Вычисляют Кср = ср С и if =

г) По формуле (69) определяют расстояние l между сечениями с глубинами hc и hпд.

д) Сравнивают полученное расстояние l с расстоянием от сжатого сечения до подошвы откоса (считая по откосу) lс-пд, определяемым по формуле

lс-пд = (РS),                                                  (72)

где Р - разность отметок лотка в месте падения струй и у подошвы откоса.

е) Если l  lс-пд, то hпд изменяют до тех пор, пока l = lс-пд. Полученное при этом значение hпд будет искомым.

4.50. Вычисляют относительную глубину у подошвы откоса  и по ее значению площадь поперечного сечения потока в конце лотка (у подошвы откоса) по формуле (68).

Приближение при 0,05 ??  ?? 0,5 можно принять глубину потока в лотке у подошвы откоса равной нормальной глубине и определять ее по формуле

hпд = ho = 1,12.                                                (73)

Затем по  находят согласно формуле (68) площадь поперечного сечения потока к пд. Скорость на выходе из лотка в этом случае будет несколько завышенной.

4.51. Вычисляют скорость потока на выходе из лотка (у подошвы откоса)

Vпд = .                                                         (74)

4.52. Подбирают по скорости Vпд тип укрепления у подошвы откоса. Для этого находят тип укрепления, для которого соблюдается условие Vпд  Vдоп.

4.53. В соответствии с изложенными выше рекомендациями определяют глубину размыва и размеры укрепления в зависимости от принятых типов укреплений, учитывая следующие особенности.

1. В формуле (24) для определения предельной глубины принимают:

b = D;

bp = Dл, где Dл - диаметр круговых элементов лотка;

Dэ и Qк - находят по диаметру трубы;

L  3D - соответствует длине укрепления у подошвы откоса;

В формулу (24) вводят коэффициент Кнр, учитывающий неравномерность распределения удельных расходов в лотке, определяемый по формуле, справедливой при ПQ  0,6, mот ?? 1,5:

Кнр = ,                                                     (75)

где ПQ =  - параметр расхода в трубе диаметра D.

2. При применении ребра в конце укрепления длиной 4,6 D и сечением 0,1D  0,1D, расположенного симметрично относительно оси лотка, в выражение для определения предельной глубины размыва1 вводят коэффициент Крб, учитывающий пониженную кинетичность потока в конце лотка:

1 См. «Руководство по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений», стр. 18.

Крб = ,                                                           (76)

где Vвых(л) - скорость на выходе из лотка.

Формула (70) справедлива при условии

0,8    2,0.

Формула для определения предельной глубины размыва в выходных руслах с ребром приобретает вид

h¢пр(рб) = 0,6DэКрб.                                  (77)

При  ?? 1 принимают  = 1.

3. Максимальную глубину размыва определяют по формулам:

в выходных руслах без гасителя

h??max = 0,6hпрКнр;                                                          (78)

выходных руслах с ребром

h??max = 0,6hпр(рб)Крб;                                                       (79)

4. Ширину укрепления в конце его вычисляют по формуле (33), в которую подставляют ??hmax, т.е. коэффициенты Кнр и Крб не учитываются.

Приложение

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

Примеры назначения отверстий и определения пропускной способности круглых гофрированных труб

Пример 1. Гофрированная труба без оголовков (с вертикальным срезом) расположена на железной дороге. Высота насыпи Ннас = 3,5 м, ширина поверху bнас = 6,5 м, крутизна откосов 1:1,5. Уклон лотка трубы соответствует уклону лога и равен iТ = 0,03. Гладкий лоток расположен на 1/3 периметра поперечного сечения трубы.

Расходы притока с бассейна Qр = 2,4 м3/с Qmax = 4,0 м3/с.

Сток снеговой - аккумуляция не учитывается.

Требуется подобрать отверстие трубы и определить подпертые глубины, а также глубины и скорости на выходе из нее.

Решение. 1. Определяем длину трубы lT = 6,5 + 3  3,5 = 17 м.

2. Находим отверстие трубы.

Согласно «Инструкции по проектированию и строительству металлических гофрированных водопропускных труб» (ВСН 176-78) гофрированные трубы на железных дорогах должны пропускать расчетные и наибольшие расходы при безнапорном режиме и иметь при этом заполнение на входе при пропуске расчетного расхода р  0,75, при пропуске наибольшего расхода max ?? 0,9.

По графику рис. 5 настоящих Методических рекомендаций находим для трубы без оголовка с вертикальным срезом (кривая 2) параметры расхода, соответствующие указанным выше заполнениям:

при р = 0,75 ПQр =  = 0,265;

при max = 0,90 ПQmax =  = 0,347.

Зная параметры расхода, находим по заданным расходам минимальные диаметры трубы по формуле

При Qр = 2,4 м3/с Dр =  = 1,53.

При Qmax = 4,0 м3/с Dmax =  = 1,67 м.

Принимаем к расчету ближайшее большее типовое отверстие D = 2,0 м.

3. Устанавливаем, будет ли труба «длинной» или «короткой» в гидравлическом отношении.

Сравниваем уклон трубы iТ с критическим iк. Находим iк по графику (см. рис. 2) для трубы D = 2,0 м:

при Qр ПQр = 0,265 iк = 0,015 < iТ = 0,03;

при Qmax ПQmax = 0,347 iк = 0,016 < iТ = 0,03.

Следовательно; труба «короткая».

Проверка по критерию относительной длины трубы не требуется.

4. Определяем подпертые глубины перед трубой по формуле (8) для безнапорного режима

Н = ,

Предварительно находим коэффициент расхода для трубы без оголовка по табл. 1 (m = 0,33) и bк по табл. 2 настоящих Методических рекомендаций.

Для расчетного расхода Qр = 2,4 м3/с

ПQр =  = 0,135; bк(р) = 1,40 м, Нр =  = 1,11 м.

Для наибольшего расхода Qmax = 4,0 м3/с

ПQmax =  = 0,23; bк(max) = 1,56 м;

Hmax =  = 1,46 м.

5. Находим возвышение бровки полотна над подпертым уровнем ??БП

При высоте насыпи Ннас = 3,5 м

БП(р) = 3,5 - 1,11 = 2,39 м > 1,0;

??БП(max) = 3,5 - 1,46 = 2,04 м > 1,0 м.

Требования технических условий выдержаны.

6. Определяем глубины и скорости на выходе из трубы соответственно по графикам рис. 14 и 15 при iT = 0,03.

При Qp = 2,4 м3/с ПQp = 0,35;  = 0,21; hвых(р) = 0,212 = 0,42 м;  = 1,04; Vвых(р) = 1,04 = 4,6 м/с.

При Qmax = 4,0 м3/с ПQmax = 0,23;  = 0,335; hвых(max) = 0,3352 = 0,67 м;  = 1,14; Vвых(max) = 1,14 = 5,05 м/с.

Пример 2. Гофрированная труба расположена на автомобильной дороге. Гладкий лоток расположен на 1/3 периметра поперечного сечения трубы. Высота насыпи 4,0 м, ширина поверху bнас = 12 м, крутизна откосов 1:1,5, уклон лотка трубы iТ = 0,02. Расчетный расход притока с бассейна Qр = 8,0 м3/с, сток снеговой - аккумуляция не учитывается.

Требуется, подобрать отверстие трубы и определить подпертые глубины, а также глубины и скорости на выходе из нее.

Решение 1. Определяем длину трубы lТ = 12,3 ?? 4 = 24 м.

2. Задаемся минимально принятым в практике проектирования отверстием гофрированной трубы D = 1,5 м.

3. Устанавливаем, будет ли труба «длинной» или «короткой» в гидравлическом отношении.

а) Сравниваем уклон трубы iT с критическим iк. Предварительно определяем параметр расхода по номограмме (см. рис. 6). При Q = 8,0 м3/с он равен ПQ = 0,94.

По графику рис. 2 для D = 1,5 м и ПQ = 0,94 находим iк = 0,0475. Таким образом, iT = 0,02 < iк = 0,0475.

Требуется проверка по критерию относительной длины.

б) Производим проверку по критерию относительной длины:  = 16 < 20. Следовательно, труба «короткая».

4. Определяем подпертые глубины перед трубой согласно рекомендациям гл. 2.

а) Устанавливаем режим протекания потока. Для этого определяем вначале относительную глубину на входе в трубу  по графику (см. рис. 5). Для трубы без оголовка (кривая 2) при ПQ = 0,94 < 1,35 находим  > 1. Следовательно, в трубе возможны полунапорный или частично-напорный режимы.

Для установления режима протекания в этом случае определяем подпертую глубину перед трубой Н при полунапорном режиме по формуле (10) для «коротких» труб

Н = .

Предварительно находим коэффициент расхода п и коэффициент сжатия п в определяющем сечении при полунапорном режиме по табл. 3: mп = 0,56 и п = 0,63.

Нр =  + 0,63??1,5 = 4,28 м.

Следовательно, относительная подпертая глубина  =  = 2,85.

Затем находим относительную граничную подпертую глубину потока  по формуле (5)

 = К ()1.

Для этого определяем коэффициент Кd по графику (см. рис. 8) при ?? = 0,67:

К?? = 1,26.

Далее находим относительную граничную подпертую глубину для труб без гладких лотков по графику (см. рис. 7) в зависимости от относительной длины трубы  = 16 и ее уклона iт = 0,02

()1 = 1,48.

Откуда  = 1,261,48 = 1,86.

Сравнивая относительную подпертую глубину  с , устанавливаем режим протекания  = 2,85 >  = 1,86. Режим частично-напорный, так как ПQ = 0,94 < 1,35.

б) Находим подпертую глубину при частично-напорном режиме из формулы (11).

Так как  = 16 < 20, то изменять длину не требуется и в расчет вводится полная длина ее lT.

Расчет начинаем с определения по графику (см. рис. 9) при lT = 24 и ??н = 0,60 и по графику (см. рис. 10) при ПQ = 0,94 н = 0,75.

Подпертая глубина

Н =  =  - 0,02??24 + 0,75??1,5 = 2,92 - 0,48 + 1,12 = 3,56 м.

5. Определяем возвышение бровки полотна над подпертым уровнем.

При высоте насыпи Ннас = 4,0 м БП = 4,0 - 3,56 = 0,44 < 0,5 м.

Требования Технических условий не выдерживаются.

Увеличиваем отверстие трубы до D = 2,0 м и повторяем расчеты, начиная с п. 3.

6. Устанавливаем, будет ли труба «длинной» или «короткой» в гидравлическом отношении.

а) Сравниваем уклон трубы iT с критическим iк.

Предварительно определяем параметр расхода по номограмме (см. рис. 6).

При Q = 8,0 м3/с имеем ПQ = 0,45.

По графику рис. 2 для Q = 2,0 м и ПQ = 0,45 находим iк = 0,0175.

Таким образом, iT = 0,02 > iк = 0,0175 - труба «короткая».

Проверка по критерию относительной длины не требуется.

7. Определяем подпертые глубины перед трубой согласно требованиям гл. 2.

Устанавливаем режим протекания потока.

Для этого определяем вначале относительную глубину на входе в трубу  по графику (см. рис. 5).

Для трубы без оголовка (кривая 2) при ПQ = 0,45 < 1,35 находим  > 1 - в трубе возможны полунапорный или частично-напорный режимы.