где Q - максимальный расчетный расход, м3/с или л/с; V - средняя скорость течения воды в трубе, м/с; ω - площадь живого сечения трубы, м2 (принимается напорный режим, когда труба заполнена целиком); R - гидравлический радиус потока: R = ω/χ, χ - смоченная поверхность (длина смоченной поверхности); J - продольный уклон коллектора на расчетном участке (гидравлический уклон - он может отличаться от геометрического); C - коэффициент в формуле Шези. Его можно принять по формуле Н.Н. Павловского:
где y = 2,5 - 0,13 = 0,75 ( - 0,10); n - коэффициент гидравлической шероховатости внутренних стенок трубы. Внутренняя поверхность труб быстро покрывается слоем отложений, которые нивелируют гидравлическую шероховатость стенок. Поэтому в расчетах при значениях гидравлического радиуса до 0,4 и n в пределах от 0,012 ... 0,014 можно пользоваться частным случаем формулы Н.Н. Павловского - формулой Маннинга:
Выражения для определения скорости и расхода потока можно несколько преобразовать и ввести понятия скоростной и расходной характеристики потока:
где W - скоростная характеристика; K - расходная характеристика потока. Значения этих характеристик подсчитываются по уже известным формулам.
Гидравлический расчет водосточных коллекторов производится обычно в табличной форме.
Коллекторы прямоугольного поперечного сечения рассчитываются по методике для круглых труб. Расчет водосточной сети производится, как правило, при самотечном режиме протекания воды. Но можно выполнять расчет и для напорного режима. Примером такого расчета является проверка гидравлического уклона коллектора и возможности (вероятности) затопления улицы.
10. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОСТОЧНОЙ СЕТИ
10.1. Расчет прочности труб
Целью расчета является определение глубины заложения трубы или подбор сечения стенки, обеспечивающего необходимую прочность трубы. При расчете по методу предельных состояний расчетным является условие
Mрасч < Mпр,
где Mрасч - расчетный изгибающий момент в сечении стенки трубы;
Mпр - предельный изгибающий момент в сечении стенки трубы.
Величина расчетного момента определяется от общей (постоянной и временной) нагрузки, действующей на трубу. Постоянная нагрузка включает вес грунта над трубой и собственный вес трубы, временная возникает от действия колесной нагрузки (при передаче её через грунт). Постоянная нагрузка определяется следующим образом. Трубы водосточной сети в подавляющем большинстве случаев укладываются открытым способом в траншею с последующей засыпкой её грунтом. Так как за стенками траншеи грунт имеет ненарушенную структуру, то на трубу действует только «засыпной» грунт, нагрузку от которого можно определить из выражения
где γ - массовая плотность грунта (табл. 6).
Таблица 6
Значения коэффициента γ
|
Наименование грунта |
γ, т/м3 |
|
Песчаный и супесчаный малой влажности |
1,6 |
|
Песчаный и супесчаный водонасыщенный |
2,0 |
|
Суглинок малой влажности |
1,7 |
|
Суглинок пластичный |
|
H - высота засыпки над верхом трубы, м (рис. 13); Вт - расчетная ширина траншеи на уровне верха трубы: принимается с учетом переходной ширины Впер = (1,8 - 2,2)Dнар; если действительная ширина траншеи больше Bпер, то принимается Bт = Bпер, если меньше, то принимается Bт = B · Dнар - наружный диаметр трубы; Kт - коэффициент вертикальной нагрузки от грунта в траншее. Определяется по формуле
где e - основание натуральных логарифмов (= 2,718); А - коэффициент, зависящий от внутреннего трения в грунте. Он принимается: для сухих песчаных грунтов = 0,166, для водонасыщенных песчаных грунтов = 0,162, для водонасыщенных глинистых грунтов = 0,122.
Рис. 13. Схема к определению постоянной нагрузки на коллектор
Постоянная нагрузка от веса трубы невелика и не имеет решающего значения. При расчете тонкостенных труб ею можно пренебречь. Для бетонных и железобетонных труб, обладающих значительной собственной массой, нагрузку от веса трубы заменяют весом равномерно распределенного эквивалентного слоя засыпки (G). Значение нагрузки от веса трубы определяют по формуле
G = 0,80G0 = 0,802 · π · rср · δ · γ,
где G0 - собственный вес трубы; rср = (Dвн + δ)/2 - средний радиус трубы; Dвн - внутренний диаметр трубы, м; δ - толщина стенок трубы, м; γ - плотность материала трубы.
Временная нагрузка на трубу принимается равной нагрузке на заднее спаренное колесо расчетного автомобиля, приложенной на поверхности земли. Для учета условий передачи нагрузки от колес через грунт засыпки при определении временной нагрузки используют формулы теории упругости (принимая нагрузку от колес в виде сосредоточенной силы).
Расчетная величина сосредоточенной силы, приложенной на поверхности грунта,
Р = Kд · Р0,
где Р0 - статическая нагрузка; Kд - коэффициент динамичности.
|
H, м |
0,75 |
1,00 |
1,50 |
2,0 |
3,0 |
|
Kд |
1,20 |
1,15 |
1,0 |
0,9 |
0,8 |
Расчетные значения вертикальных напряжений по глубине определяют по формуле Буссинеска:
где H - расстояние от поверхности грунта (глубина расположения) до точки, в которой определяется напряжение; P - расчетная нагрузка; K - коэффициент.
где r - горизонтальная проекция расстояния от точки, в которой определяется вертикальное напряжение, до точки приложения силы.
Временную статическую нагрузку на звено трубы P0 определяют, вычисляя объем эпюры вертикальных напряжений по площади горизонтальной проекции трубы. Объем эпюры давлений на трубу определяют, разбивая её на простейшие тела: параллелепипеды, цилиндры, пирамиды (рис. 14).
Полная расчетная нагрузка на звено трубы равна сумме постоянной и временной нагрузок, приходящихся на звено трубы длиной 1 м:
Pрасч = P + Q + G.
В зависимости от расчетной нагрузки определяют расчетный изгибающий момент в стенках трубы:
а) для хрупких труб (бетонных, керамических, асбоцементных)
б) для железобетонных труб при безнапорном режиме работы
где rср - средний радиус трубы; N - коэффициент опирания трубы: при укладке трубы на бетонное или железобетонное основание N = 2,50; на плоское дно - 1,12; когда дну траншеи придается вогнутая форма с углом охвата трубы 90° - 1,50.
Предельный изгибающий момент в стенках трубы при их работе на изгиб равен:
а) для бетонных труб
б) для железобетонных труб Mпр = m · ma · Ra · Fa · (h0 - x/3).
Рис. 14. Вертикальная нагрузка на трубу коллектора
При этом положение нейтральной оси определяется из условия
ma · Ra · Fa =
где Rр - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению, Kб - коэффициент однородности бетона; b = L - длина рассчитываемого звена трубы; h = δ - толщина стенки трубы; m - коэффициент условий работы стенки трубы, m = 1; ma -коэффициент условий работы арматуры (принимается в зависимости от вида арматуры); Ru - расчетное сопротивление бетона сжатию при изгибе; x - высота сжатой зоны; h0 - полезная высота сечения стенки трубы.
Асбоцементные и керамические трубы по прочности подбирают путем сопоставления величины разрушающей нагрузки с усилением, возникающим от действия постоянной и временной нагрузок:
где K - коэффициент запаса (для керамических и асбоцементных труб K = 2,0); Pp - разрушающая нагрузка, принимаемая по ГОСТ; N - коэффициент опирания трубы.
10.2. Основания под водосточные трубы
Рассчитывают для бетонных и железобетонных труб, обычно для звена длиной 1 м. Целью расчета является подбор сечения основания, которое гарантировало бы основание от разрушения. Расчет бетонных и железобетонных оснований на прочность производится по методу предельных состояний и сводится к удовлетворению условия (А). Расчетный момент определяют как для бесконечной или полубесконечной балки, лежащей на упругом основании. Расчетной нагрузкой является временная нагрузка от колес автомобилей.
10.3. Расчет прочности смотровых и дождеприемных колодцев
Цель расчета - подбор сечения крышки, стенок и днища колодцев, гарантирующих их от разрушения. Для упрощения расчет крышки колодца производится как для балки на двух опорах или как для плиты, опертой по контуру. В качестве расчетной нагрузки рассматривают давление от колеса, приходящееся на расчетный элемент.
Стенки колодцев рассчитывают как плиты, опертые на стенки, на воздействие нагрузки от автомобилей.
11. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПРУДЫ
При большой протяженности главных коллекторов водосточной сети и значительных размерах бассейна стока сечения коллекторов достигают таких размеров, что значительно усложняется их строительство и одновременно резко возрастает их стоимость. В целях уменьшения размеров поперечного сечения крупных коллекторов целесообразно осуществлять регулирование поверхностного стока. Одним из средств регулирования является использование в качестве регулирующей емкости прудов. Пруды могут быть естественные (природные) или искусственные. Одновременно эти пруды, как правило, играют и декоративную роль.
Идея регулирующих прудов заключается в устройстве обводного коллектора, принимающего часть расхода воды. Другая часть расхода сбрасывается в пруд, который является регулирующей емкостью, задерживающей воду на некоторое время (рис. 15). Для поступления воды в пруд из коллектора устраивается камера с водосливом - водовыпуск из коллектора. Для сброса воды из пруда устраивается водосборное сооружение - водосброс. Для обеспечения возможности полного опорожнения пруда в эксплуатационных целях (например, для очистки и т.п.) устраиваются донные выпуски.
Рис. 15. Регулирующий пруд и обводной коллектор
Расположение, форма и размеры пруда - существующего или искусственного - обычно устанавливаются архитектурно-планировочным решением территории города. Очень часто планировочные условия определяют или сильно влияют на емкость пруда и его регулирующую способность. Тем не менее во всех случаях должны быть учтены требования водосточной сети города. Может быть запроектирован не один пруд, а каскад прудов в направлении падения рельефа.
Проектирование регулирующих прудов включает:
1. Определение емкости и габаритов (размеров пруда).
2. Установление нормального и максимального горизонтов.
3. Определение расхода обводного коллектора и расчет регулирующей емкости пруда.
4. Определение расчетного расхода коллектора ниже пруда.
Уравнение баланса стока с учетом регулирующего влияния пруда имеет следующий вид:
W = Wпр + Wобв, м3,
где W - полный объем стока, Wпр - объем воды, задерживаемый прудом, Wобв - объем воды, пропускаемый по обводному коллектору.
Размеры пруда и его емкость в основном определяются планировочными требованиями, а они устанавливаются на основе решений, принятых при разработке генплана или проекта детальной планировки. В зависимости от этих параметров выполняется гидрологический расчет регулирующего пруда.
Типовой гидрограф дождя обычно изображают в виде, показанном на рис. 16. Он показывает объем стока, расчетный расход, объем воды, сбрасываемой в пруд, пропускаемый через обводной коллектор. Используется гидрограф и для определения ряда коэффициентов, применяемых в расчете.
Рис. 16. Гидрограф стока
Полный объем стока определяют по формуле
W = 60 · Qр · tр, м3,
где Qр - незарегулированный расход (т.е. расход, поступающий к месту расположения пруда выше расположенной части бассейна стока), м3; tр - расчетное время стекания воды с бассейна до пруда мин; W - объем стока воды за период дождя или паводка.
Регулирующие пруды рассчитываются на дождевой сток, так как интенсивность дождя обычно значительно выше интенсивности снеготаяния и поэтому расход дождевого стока превышает расход талых вод.
Регулирующая емкость пруда, т.е. объем воды, задерживаемый прудом, может быть определен по формуле
где Qр - расчетный расход в месте водовыпуска из коллектора в пруд; tр - расчетное время стока воды со всего бассейна до места водовыпуска воды в пруд; K - коэффициент, зависящий от коэффициента регулирования α.
Объем воды, задерживаемой прудом, может быть определен и иначе. По условиям рельефа, в зависимости от архитектурно-планировочных требований, может задаваться отметка нормального (т.е. обычного в период между дождями) уровня воды и максимального. Разность этих отметок позволяет подсчитать объем воды, который может быть удержан прудом.
Соотношение полного объема стока и объема воды, задерживаемого прудом, позволяет подсчитать значение коэффициента регулирования:
где n - показатель степени, обычно принимается равным 2/3. Величину коэффициента α не следует принимать менее 0,15.
Величина коэффициента K принимается в зависимости от коэффициента регулирования по табл. 7.
Таблица 7
Значения коэффициента
|
α |
K |
α |
K |
|
0,9 |
0,02 |
0,3 |
0,59 |
|
0,7 |
0,13 |
0,2 |
0,85 |
|
0,5 |
0,30 |
0,1 |
1,15 |
Зарегулированный расход, т.е. расход, пропускаемый по обводному коллектору, определяется с учетом коэффициента регулирования:
Qобв = α · Qр.
Расчет коллектора ниже регулирующего пруда производится из условия пропуска расхода, определяемого из выражения
Q = α · Qр + Qн + Qосвоб,
где α · Qр - расход, пропускаемый по обводному коллектору без сброса воды в пруд; Qн - расчетный расход с площади, расположенной ниже пруда (этот расход определяется без учета времени притока воды с площади выше пруда); Qосвоб - средний расход при освобождении пруда (определяется как для водослива).
