Рассматриваемый Б. Д. Ричардсом прием учета редукции слоя дождя по площади бассейна повторяет предложение русского пнж. Дмитриева, опубликованное в киевском журнале «Инженер» за 1882 г.
|
|
|
Т а б л и ц а ХѴ-4 |
|
К л а сс в о д о о т во д |
Р а с ч е т н а я п о вто р я е м о ст ь |
Р ек о м ен д ац и и для п ро екти ро вани я |
||
н ы х у с т р о й с т в |
п а во д к а (л е т ) |
|||
|
||||
1 |
1 : 100 |
При опасности подмыва сооруже- |
||
2 |
1 : 40 |
ний гидростанций |
||
Дороги категорий А и В |
||||
3 |
1 |
: 25 |
|
|
4 |
Перелив |
1 :5 |
Дороги категории С |
|
5 |
не более 5 |
Дороги категории Д |
||
6дней в году
Внекоторых зарубежных странах отверстия транспортных во допропускных сооружений назначаются на пропуск нормативного паводка, ВП которого принимают в зависимости от категории до роги (второстепенные дороги и магистрали), типа сооружения (мост, труба) и гидравлического режима работы трубы. В США, например, разные штаты имеют свои нормативы, причем диапазон их достаточно велик — от 20—10% до 1 и даже 0,5%. В некоторых штатах допускается принимать ВП по «историческому паводку» (например, штаты Иллинойс, Индиана, Орегон, Техас) или по ин
дивидуальным обоснованиям (штаты Кентукки, Нью-Гемпшир, Нью-Йорк и др.). Малые сооружения на второстепенных дорогах проектируют на ВП в диапазоне преимущественно от 20— 10 до 3—4%, а на магистралях — на ВП — 3—2%. Характерными явля ются нормативы Австралии по ВП водопропускных сооружений, устраиваемых в горных условиях (табл. ХѴ-4).
§ 70. НАЗНАЧЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Отверстия малых водопропускных сооружений теоретически мо гут быть назначены любой величины при условии обеспечения до статочной высоты насыпи и соответствующих размеров укреплений. Возможность непосредственного установления отверстия ослож няется тем, что при наличии аккумуляции воды перед сооружени ем, происходящей в большинстве случаев при расчете ливневого стока, расход воды в сооружении (исходная величина в расчете) зависит также и от его отверстия. В этом случае приходится зада ваться вариантами отверстий сооружений и в процессе расчета устанавливать расходы в них и соответствующие подпертые уров ни, скорости и глубины размыва на выходах из сооружений. Такой метод целесообразно применять вне зависимости от наличия аккумуляции, дополнив его технико-экономическим сравнением для выбора наиболее рациональных вариантов.
При сравнении вариантов отверстий необходимо учесть прин ципы типизации сооружений, так как в ряде случаев бывает эко номически оправдано увеличить величину отверстий, сократив при этом число типоразмеров.
Исходными данными для расчетов, связанными с назначением отверстий малых водопропускных сооружений, являются расходы притока воды к сооружениям и соответствующие им гидрографы, определяемые согласно указаниям § 66. Расчет начинают с назна чения вариантов отверстий данного типа сооружений (мостов, труб, лотков и т. п.), причем типы сооружений подбирают согласно ре комендациям § 60.
При назначении вариантов отверстий используют данные о рас ходах, пропускаемых трубами, и соответствующих им подпертых уровнях, приведенные в типовых проектах труб.
Для мостов следует предварительно принимать погонные рас ходы 1—3 м3/сек на 1 пог. м отверстия моста.
Далее устанавливают расходы воды в сооружении и строят со ответствующие им гидрографы паводков заданной повторяемости (гидрографы сброса). Расходы воды непосредственно в сооружении меньше расходов, притекающих с бассейнов, вследствие аккумуля ции воды перед сооружениями. При аккумуляции уровень воды перед сооружением определяется не только притоком воды с бас сейна, но и пропускной способностью отверстия. Если приток воды превышает пропускную способность сооружения, то избыточное количество воды способствует возрастанию уровня и объема воды ів водоеме, образующемся перед сооружением. В результате накоп ления воды перед сооружением гидрограф притока преобразуется :в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению наибольшего расхода в сооружении по сравнению с наи большим расходом притока с бассейна. Объем накопившейся воды перед сооружением зависит от объема стока, гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа водоема.
В настоящее время распространен упрощенный способ расчета расходов воды в сооружениях при наличии аккумуляции, основан ный на использовании формулы Д. И. Кочерина [53].
После определения стока выполняют гидравлические расчеты водопропускных сооружений, в результате которых устанавлива ют подпертый уровень перед сооружением, скорости и глубины во ды в сооружении и за ним, а также размывы за укреплениями. На железных дорогах устанавливают также заполнение трубы при расчетном расходе, как это рекомендуется Техническими условия ми (СН 200-62).
Гидравлические расчеты для разных типов водопропускных сооружений отличаются некоторой спецификой, так как в каждом типе сооружений расчет зависит от гидравлических особенностей
их работы.
Водопропускные трубы в зависимости от уклона, с которым они укладываются, делятся на равнинные и косогорные. Равнинные трубы имеют уклоны, существенно не превышающие критические.
В практике принято к равнинным относить трубы, укладываемые с уклонами fT^0,02.
Косогорные трубы имеют уклоны іт>0,02. Для этих труб, как правило, требуются специальные меры по вводу потока в соору жение и гашению энергии за ним (или внутри его).
Гидравлический расчет труб зависит от режима протекания по тока в пределах входного оголовка и трубы. Излагаемая ниже методика гидравлических расчетов труб разработана в ЦНИИСе [87, 88].
Различают следующие режимы работы труб:
безнапорный, при котором по всей длине сооружения поток не касается верхней точки трубы;
полунапорный — входное сечение трубы затоплено, а на осталь ном протяжении свободное протекание;
напорный — входное сечение заполнено и на большей своей час ти труба работает полным сечением.
Для установления режима работы трубы необходимо предва рительно установить, короткой или длинной в гидравлическом от ношении является труба и не оказывает ли влияние на протекание потока глубина воды в выходном русле.
На пропускную способность коротких труб длина не оказывает влияния, а у длинных с увеличением длины пропускная способность снижается.
С некоторым приближением можно считать, что при 0^ / т<Дк трубы будут короткими, если гт^ 2 0 Л т, где Лт— высота трубы. При іт^ік трубы любой длины считаются короткими.
В зависимости от глубины воды в нижнем бьефе трубы могут быть затопленными с нижнего бьефа или незатопленными. Трубу следует считать как незатопленную, если глубина в нижнем бьефе /інб удовлетворяет условиям:
h u б ^ 1 , 2 / Î K и Л н б 1 , 1 й т »
где Лк — критическая глубина водві а трубе, способы определения которой для различных поперечных сечений излагаются в кур сах гидравлики и справочной литературе.
При отсутствии в нижнем бьефе подтопления, вызванного ка кими-либо сооружениями (например, насыпью второго пути при раздельном земляном полотне) или уровнями воды в реке (при долинных ходах) и уклонах лога на выходе гл 73=0,01, трубы счита ются как неподтопленные.
Если подтопление, вызванное внешними причинами, отсутству ет, а уклоны лога на выходе іл<0,01, то в качестве глубины в ниж нем бьефе принимают бытовую глубину в логу, определяемую мор фометрически, подбором.
Короткие неподтопленные со стороны нижнего бьефа трубы встречаются наиболее часто.
Гидравлические расчеты этих труб выполняются в следующей последовательности.
|
|
Рис. ХѴ-13. |
График для |
|||||
|
|
определения |
глубины во |
|||||
|
|
ды |
на- |
входе |
в прямо |
|||
|
|
|
угольные трубы: |
|
||||
|
|
1 — т р у б а |
б е з о го л о в к а |
с |
||||
|
|
к о н ц а м и , |
ср е за н н ы м и |
в |
||||
|
|
п л о ск о сти |
о т к о са |
н асы п и : |
||||
|
|
2 — о го л о вк и |
|
р а с т р у б н ы е ; |
||||
|
|
а — К Г ; 3 — то ж е , а = 2 0 ° ; 4 — |
||||||
|
|
то |
ж е , а = 3 0 — 45°; |
5 — |
о го л о в |
|||
|
|
|
ки |
п о р та л ьн ы е |
|
|
||
о |
о,і о,і 0,3 ял 0,5 |
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
птъ¥$Щ |
|
|
|
|
|
|
Расчет начинают с установления режима протекания, для чего находят глубины в лимитирующих сечениях трубы: на входе в тру бу, а при наличии повышенных звеньев, кроме того, на входе в нор мальные звенья. Если эти глубины окажутся меньше высоты трубы в данных сечениях, то режим течения будет безнапорным, в про тивном случае для труб со всеми типами оголовков, кроме обтекае мых, полунаиорный, а для труб с коническими звеньями, оголовка
ми, с обтекаемыми открылками |
или горизонтальными |
козырька |
||
ми — напорный. |
|
|
|
|
Глубину воды на входе в трубу определяют по графикам в за |
||||
висимости |
от типа оголовков |
и |
безразмерных |
параметров |
Q |
Q |
|
для прямоугольных и круг- |
|
---- ---------- и |
-------------.соответственно |
|||
/іт }/g3f>2/iT |
D2 ~)/gD |
|
|
|
лых труб, где D — диаметр трубы, Ь — высота и отверстие прямо
угольной трубы.
При наличии повышенного звена под высотой трубы понимают высоту этого звена (йТ(вх) и D BX) .
Рис. ХѴ-14. График для определения глубины во ды на входе в круглые трубы:
/ — т р у б а б е з о го л о в к а ; 2 —
во р о тн и к о вы й о го л о в о к ; 3 —
п о р та л ь н ы й |
о го л о в о к ; |
4 — |
||
р а с т р у б н ы й , |
а =*10° и |
сс = 4 5 °; |
||
5 — р а с т р у б н ы й |
а = 2 0 ° ; б — |
|||
р а с т р у б н ы й а = 2 0 ° с |
к о н и ч е |
|||
ски м |
звен о м |
|
|
|
Графики (рис. ХѴ-13 и 14) построены для уклонов 1т«/к- При tT = 0 значения /гвх следует увеличивать на 0,05 /гт.
Для прямоугольных труб с повышенными звеньями, имеющими обычно длину /пз^2/гвх, дополнительно проверяют заполнение на
входе в нормальное звено. Глубину воды в этом сечении |
опреде |
||
ляют по формуле |
|
|
|
Авх(нз) = /гвх - (Авх - Ас) ]/1 - |
( |
2ЛвЛ ~ -— У . |
(ХѴ-28) |
' |
' |
^ЛвХ ' |
|
где Лс — глубина в сжатом сечении трубы, зависящая от типа ого ловка:
|
|
А |
|
|
н |
Портальный с конусами.................................... |
0,48 |
|
Коридорный........................................................... |
0,54 |
|
Воротниковый........................................................ |
0,45 |
|
Раструбный |
(ссог=Ю °)...................................... |
0,49 |
» |
(а ог= 2 0 °)....................................... |
0,57 |
» |
(а Ог=30°—4 5 ° ) ............................. |
0,55 |
Н — подпертая глубина воды перед трубой, определяемая по формуле (ХѴ-29).
Для круглых труб с коническими звеньями проверки глубины воды на входе в нормальные звенья, как показали эксперименты, не требуется. По большей из двух относительных глубин на входе
А ВХ(пз) \ |
/ А Вх (ш ) |
\ |
звенья опреде- |
в повышенное ( —J— -I и нормальное |
\— г ~ ^ / |
|
|
fix |
|
|
|
ляют режим протекания воды в трубе (при весьма малых уклонах *т~0 для установления режима протекания потока в трубе необхо димо рассчитать свободную поверхность по уравнению неравномер ного движения).
Для труб на железных дорогах, рассчитываемых на два рас хода (расчетный и наибольший), регламентируется также наиболь шее заполнение трубы при пропуске расчетного расхода.
Описанная выше проверка может быть использована и для этой цели.
Подпертую глубину воды перед трубой при безнапорном режи ме определяют по формуле
(ХѴ-29)
' tnbKУ2g '
где т — коэффициент расхода при безнапорном режиме работы
и
трубы (см. табл. ХѴ-9);Ок = — — средняя ширина потока в Лк
трубе при критической глубине; для круглых труб Ьк опреде ляется по графику (рис. ХѴ-15). для прямоугольных ЬК= Ь .