Расчёт гидравлического прыжка

Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической в спокойное состояние с глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком [16, 19].

Гидравлический прыжок появляется всегда, когда свободная поверхность жидкости пересекает линию критических глубин K–K с образованием поверхностного вальца. Сам валец представляет собой водоворотную область, которая характеризуется весьма беспорядочным движением. Верхняя поверхность вальца получается неровной, волнообразной. Валец обычно насыщен пузырьками воздуха и потому малопрозрачен.

Расчёт гидравлического прыжка сводится к определению его характеристик: – первой сопряжённой глубины, – второй сопряжённой глубины, – длины гидравлического прыжка (рис 12).

Рис. 12. Схема гидравлического прыжка

Существует несколько методов определения характеристик гидравлического прыжка [11, 16, 17, 18, 19]. В данной курсовой работе студентам предлагается выполнить расчёт в следующей последовательности:

1. Определить сжатую глубину методом последовательного приближения:

, (26)

где – удельный расход, вычисляемый по формуле

; (27)

– коэффициент скорости, j = 0,9; – удельная энергия сечения, с которой поток приходит в отводящий канал.

В курсовой работе , т.е. удельной энергии сечения на конце быстротока, которую можно определить из уравнения

, (28)

где – глубина на конце быстротока, определенная по кривой свободной поверхности при длине и принятая в подразд. 2.3.5; – скорость на конце быстротока, определяемая по формуле

. (29)

Метод последовательных приближений для определения сжатой глубины выполняется в следующем порядке:

а) в первом приближении не учитывается в знаменателе. Тогда

; (30)

б) во втором приближении учитывается в знаменателе и согласно формуле (26):

;

в) если расхождение между величинами и составляет больше 5 %, то расчёт продолжаем; если расхождение составляет меньше 5 %, то принимаем за сжатую глубину последнее числовое значение .

2. Рекомендуется [11, 17] за первую сопряжённую глубину принять глубину, равную сжатой:

. (31)

3. Определить вторую сопряжённую глубину по формуле

. (32)

4. Сделать вывод о типе гидравлического прыжка:

если – гидравлический прыжок отогнанный;

если – гидравлический прыжок затопленный (подпёртый).

В случае отогнанного гидравлического прыжка для погашения энергии, с которой поток приходит с быстротока, необходимо в выходной части установить гаситель энергии.

Специальные устройства, сооружаемые с целью погашения энергии гидравлического прыжка, называются гасителями энергии.

В данной курсовой работе в качестве гасителя энергии рекомендуется водобойный колодец, в котором гашение энергии осуществляется за счёт перевода бурного потока в спокойный, путём затопления гидравлического прыжка.

Расчёт водобойного колодца

Расчёт гасителя энергии за быстротоком сводится к определению глубины d и длины водобойного колодца (рис. 13).

Рис. 13. Схема водобойного колодца

Глубина колодца определяется методом подбора [11, 17,18].

1. В первом приближении глубина колодца находится по формуле

, (33)

где ₁ – коэффициент запаса ( ); – вышеопределенная глубина (32), сопряжённая с глубиной , – нормальная глубина в канале за быстротоком, она не зависит от глубины колодца и остаётся неизменной во втором и третьем приближении ( ).

При этом удельная энергия сечения изменится на величину d₁:

. (34)

Тогда первая и вторая сопряжённые глубины изменят своё значение и будут определяться как

; (35)

. (36)

2. Во втором приближении глубина водобойного колодца определяется с учётом глубины в следующей последовательности:

а) определяем новое значение глубины колодца:

, (37)

где s₂ = (1,2 – 1,3) во втором и последующих приближениях;

б) определяем величину удельной энергии сечения с учётом увеличения потенциальной энергии (глубины колодца d₂):

; (38)

в) вычисляем соответствующее значение первой сопряжённой глубины:

; (39)

г) вычисляем соответствующее значение второй сопряжённой глубины:

. (40)

3. Сравниваем полученные значения глубины колодца:

– если и отличаются менее чем на 5 %, то за глубину колодца принимают последнее вычисленное значение, т.е. d = d₂;

– если и отличаются более чем на 5 %, то расчёт продолжаем.

4. В третьем приближении глубина водобойного колодца определяется с учётом глубины с вычислением соответствующих величин , используя формулы (34), (35), (36).

. (41)

И так далее.

Расчёт выполнять до тех пор, пока расхождение между последующими значениями глубин колодца не будет превышать 5 %.

В общем случае длина водобойного колодца (рис. 13) определяется, как сумма дальности отлёта струи и длины подпёртого прыжка :

. (42)

Существуют разные рекомендации по определению этих длин. Воспользуемся следующими [17, 20]:

; (43)

, (44)

где – длина гидравлического совершённого прыжка, определяемая по рекомендации Н.Н. Павловского:

(45)

Выполнив вспомогательные расчёты, определимся с длиной водобойного колодца.

Пример расчёта комплекса водоотводных сооружений приведён в прил. 7.

4. УКРЕПЛЕНИЕ РУСЕЛ ВОДООТВОДНЫХ
СООРУЖЕНИЙ

При изменении уклонов, на входном и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях требуется устройство укрепления русла. Размеры и тип крепления назначают на основании гидравлических расчётов исходя из условия свободного растекания потока на плоском дне.

Исходными данными для определения размеров укрепления служат глубина и скорость потока на данных участках, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон русла.

Размер укрепляемого участка русла принимают с учётом типа укрепления. Границы укрепляемого участка назначают на основании эпюры растекания потока. Тип укрепления русел выбирают на основании технико-экономических показателей [11, 17].

Существует три типа укрепления русел:

1) сборными бетонными и железобетонными плитами;

2) монолитным бетоном;

3) мощением, наброской камнем, габионами.

Наряду с традиционными типами укрепления выходных русел может быть использована дешёвая, легкая и технологичная мягкая конструкция, позволяющая на 20 – 40 % уменьшить глубину размыва по сравнению с типовым бетонным укреплением и представляющая собой полотнище синтетического материала, уложенного на предварительно спланированный грунт.

В данной курсовой работе перед студентами не ставится задача определения типа крепления и его размеров. Достаточно выяснить необходимость укрепления русла на входной части быстротока, используя расчётные зависимости подразд. 3.1.6 и 3.2.

5. ЭКОЛОГИЯ ДОРОЖНЫХ ВОДООТВОДНЫХ
СООРУЖЕНИЙ

Строительство и последующая эксплуатация дорог оказывают многофакторное влияние на прилегающую к ним территорию как с нагорной стороны, так и ниже трассы дороги. При строительстве дороги в полосе отвода, а часто и вне её нарушается естественный рельеф местности, меняются состав и состояние верхнего слоя почвы, разрушается растительный покров, существенно меняются условия формирования и характеристики поверхностного стока, водный режим территории.

Размыв почвы и подстилающих пород, образование оврагов представляют угрозу как земельному фонду, так и устойчивости дорожных сооружений и их элементов. Насыщение водных потоков твёрдыми частицами при размыве и перенос последних создают предпосылки противоположного процесса – заиления.

В нижнем бьефе дорожных водопропускных сооружений наиболее массовым процессом являются размыв и оврагообразование. Этот процесс может распространяться на значительные расстояния от дороги вплоть до нескольких километров. Первопричина отмеченного негативного явления – концентрация стока, перевод его из склонового в русловой. Для сопрягающих сооружений характерны переливы, особенно на сочленениях водоотводных систем и резких их поворотах, что также приводит к крупномасштабным размывам, появлению оврагов.

Водная эрозия почвы вызывается движением воды по поверхности земли. В естественных условиях возникает нормальная, геологическая эрозия – смыв поверхностных слоёв при образовании стока талых, ливневых и смешанных вод.

Ускоренная эрозия появляется как результат хозяйственной деятельности человека без учёта особенностей естественного процесса эрозии. Как показывают многочисленные примеры, строительство дорог – одно из основных направлений производственного воздействия человека на природу, инициирующее ускоренную эрозию.

Самые негативные последствия имеет концентрация поверхностного стока системами дорожного водоотвода. Распределённый обычно по ширине в сотни метров склоновый сток переводится этими сооружениями в сосредоточенные потоки, удельный расход которых обычно на порядок превышает естественный на склоне. Это вызывает аналогичное увеличение скорости течения, далеко превышающее допускаемые. Поэтому размывы и образования оврагов за дорожными сооружениями носят массовый характер.

На всех этапах от изысканий и проектирования до эксплуатации водопроводящих сооружений необходимо принятие соответствующих мер по защите окружающей среды. В первую очередь следует предусмотреть предотвращение или уменьшение наиболее массовых последствий от строительства дорожных сооружений: размывов за ними и оврагообразования, заиления, затопления и заболачивания.

За водоотводными сооружениями необходимо укрепление отводящих русел до подошвы склона и устройство водобойных сооружений в конце крепления с обеспечением расширения потока. При большом удалении трассы от подошвы склона крепление отводящего русла, обычно в виде бетонного лотка, может вызвать значительные затраты, а его отсутствие – появление размыва и развитие оврага. Прогноз обязательно должен учитывать концентрацию и перераспределение стока дорожными сооружениями.

При решении конкретных задач экологии дорожного строительства в том или ином районе необходим учёт всего комплекса региональных особенностей.

Библиографический список

1. СП 78.13330.2012 Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 3.06.03-85 [Электрон. ресурс]. – Введен 2013-07-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

2. СНиП 3.06.03-85 Автомобильные дороги [Электрон. ресурс]. – Введен 1986-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

3. СП 34.13330.2012 Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85* [Электрон. ресурс]. – Введен 2013-07-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

4. СНиП 2.05.02-85* Автомобильные дороги [Электрон. ресурс]. – Введен 1987-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

5. СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* [Электрон. ресурс]. – Введен 2011-05-20 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

6. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы [Электрон. ресурс]. – Введен 1986-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

7. СП 33-101-2003 Определение основных расчётных гидрологических характеристик [Электрон. ресурс]. – Введен 2003-12-26 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

8. ВСН 63-76 Инструкция по расчёту стоков с малых бассейнов [Электрон. ресурс]. – Введен 1976-12-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

9. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* [Электрон. ресурс]. – Введен 2013-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

10. СНиП 23-01-99* Строительная климатология [Электрон. ресурс]. – Введен 2000-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

11. Руководство по гидравлическим расчётам малых искусственных сооружений и русел. – 3-е изд., перераб. и доп: утв. "ГИПРОТРАНСТЭИ" МПС : введ. в действие с 01.01.1967. – М. : Транспорт, 1967. – Режим доступа : http://sniphelp.ru/constructing/005.003/Rukovodstvo_52565/. – Загл. с экрана (дата обращения с ресурса : 22.10.2014).

12. ГОСТ 2.104-2006 Единая система конструкторской документации. Основные надписи [Электрон. ресурс]. – Введен 2006-09-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

13. ГОСТ 2.106-96 ЕСКД. Текстовые документы (с Изменением № 1) [Электрон. ресурс]. – Введен 1997-07-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

14. ГОСТ 2.302-68 ЕСКД Масштабы [Электрон. ресурс]. – Введен 1971-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

15. ГОСТ 8.417-2002 ГСИ Единицы величин [Электрон. ресурс]. – Введен 2003-09-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания «Кодекс». – СПб., 2014.

16. Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкости) : учебник / Р.Р. Чугаев. – М. : Бастет, 2008. – 672 с.

17. Пособие по гидравлическим расчётам малых водопропускных сооружений / ред. Г.Я. Волченкова. – М. : Транспорт, 1992. – 408 с.

18. Справочник по гидравлическим расчётам : справочное издание / П.Г. Киселев, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко и др. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергия, 1972. – 312 c.

19. Константинов Н.М. Гидравлика, гидрология, гидрометрия : учеб. для вузов: в 2 ч. / Н.М. Константинов, Н. Петров, Л. Высоцкий. – М. : Высш. шк., 1987. Ч. 1: Общие законы. – 1987. – 304 c.

20. Горчин Н.К. Гидравлика в задачах / Н.К. Горчин, М.Д. Чертоусов. – Л.: КУБУЧ, 1927. – 675 c.

Приложение 1

Примеры оформления листов курсовой работы

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

Кафедра «Проектирование дорог»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дорожные водоотводные сооружения.

Гидравлический расчёт

Вариант основной – 3

Вариант уклона отводящего канала – 9

Выполнил: студент гр. АДб-11Д1

Макаров О.М.

Проверил: доцент Троян Т.П.

Омск – 2015

Рис. П.1.1. Пример оформления титульного листа курсовой работы

Рис. П.1.2. Шаблон рамки для документов с развёрнутым штампом

Рис. П.1.3. Шаблон рамки для документов с сокращённым штампом

Приложение 2

Значения коэффициента гидравлической шероховатости n