Расчет отверстия водопропускной трубы

Расчет отверстий труб ведут по известному в гидравлике уравнению неразрывности, используя при этом в качестве аналогов различные гидротехнические сооружения. В связи с невысокой точностью определения притока воды к сооружению при расчете отверстий можно ограничиться упрощенными расчетами.

Приведенные ниже приближенные расчетные формулы пропускной способности труб соответствуют трем режимам протекания воды и, соответственно, трем аналогам.

Аналогом трубы , работающей в безнапорном режиме является водослив с широким порогом, для которого пропускная способность определяется для сжатого сечения по формулам:

для круглых труб:

(8)

для прямоугольных труб:

(9)

где j — скоростной коэффициент, равный 0.85;

Н — подпор;

В — отверстие трубы;

w — площадь живого сечения при глубине, равной h .

В инженерных расчетах принимается:

, h_с = 0.5Н и h_с = 0.9h.

Это дает возможность сравнительно быстро определить требуемый диаметр или отверстие трубы методом подбора, используя формулы 8 или 9 и сравнивая Q_h и Q_c. Расчет можно считать законченным, если разница между ними составит менее 5%.

Аналогом трубы, работающей в полунапорном режиме является истечение из под щита, для которого пропускная способность определяется по формуле:

(10)

где: h_вх — глубина потока на входе в трубу, принимается равной ее диаметру.

В данной упрощенной формуле сделано следующие приближение:

h_с » 0.6h_вх

В остальном расчет аналогичен предыдущему.

Пропускную способность трубы, работающей в напорном режиме определяют как для насадки:

(11)

где h_т — диаметр или высота трубы.

Скоростной коэффициент для обтекаемых оголовков принимается равным 0.95.

Чтобы определить по приведенным выше формулам размер отверстия трубы, необходимый для пропуска расчетного расхода, следует, задавшись типовым размером отверстия трубы, найти ее пропускную способность (расход в сооружении Q_c) и сравнить с Q_p. Труба может быть принята, если Q_c больше или равно Q_р.

Вычисления нужно выполнить для 2-3 вариантов отверстия трубы, для их последующего сравнения. Если увеличение диаметра трубы нежелательно или невозможно (например, по условиям проектирования продольного профиля), то можно увеличить пропускную способность трубы меньшего диаметра укладывая рядом несколько труб (2-х или 3-х очковые трубы).

Считается, что укладка более 3-х очков не экономична, хотя на практике существуют и длительное время нормально работают многоочковые трубы. Например, 17-ти очковая труба на трассе Е-95 (Москва — Санкт-Петербург).

При подборе отверстия по таблицам, необходимо чтобы табличный расход был равен или незначительно превышал расчетный и при этом глубина воды перед трубой (подпор) была меньше глубины лога у сооружения.

Наиболее целесообразно, если позволяют условия проектирования, использовать графоаналитический прием для назначения отверстия трубы, разработанный профессором О. В. Андреевым, который дает возможность учесть накопление воды перед сооружением, т. е. неизбежное образование пруда перед насыпью дороги из-за стеснения водного потока. При этом можно решить сразу несколько задач: определить расход в сооружении, величину подпора, целесообразность назначения многоочковой трубы и др.

Учет накопления дает существенный экономический эффект, так как отверстие трубы может быть уменьшено по сравнению с отверстием, рассчитанным на пропуск всего расхода и при этом не потребуется увеличение высоты насыпи из-за подпора перед сооружением. Накопление воды перед сооружением можно не учитывать, если:

— расход водотока сравнительно небольшой, не требующий уменьшения отверстия трубы;

— перед сооружением нельзя создавать пруд (значительный уклон лога или узкий лог с крутыми склонами, ценные земли).

Необходимыми инструментами при использовании графоаналитического метода являются графики пропускной способности труб, построенные в системе координат: ось абсцисс — величина подпора в третьей степени – Н³ (приложения 19, 20).

Последовательность работы следующая:

а) вычислить величину Н³ из условия задержки всего объема воды насыпью, т. е. при Q_с=0 по формуле:

(12)

где: w — объем стока, м³ , см. формулу 5;

i_л — средний уклон лога, доли единицы;

m₁, m₂ — коэффициенты заложения откосов для правого и левого склонов водосборного бассейна.

б) на графике пропускной способности труб отметить и попарно соединить точки Н³ и Q_р .Результаты построений необходимо занести в таблицу гидравлических характеристик вариантов трубы.

Трубы, графики пропускной способности которых будут находиться левее точки пересечения двух прямых, принимать нельзя, т. к. расход в сооружении для них будет меньше 0.33Q_р , что запрещается нормами проектирования.

При необходимости запроектировать 2-х или 3-х очковую трубу, на графике по оси абсцисс нужно отметить точки не Q_р, а 0.5Q_р или 0.33Q_р , а величина Н³ остается во всех случаях той же.

3.3 Выбор варианта отверстия трубы

Выбор варианта отверстия трубы осуществляется на основе экономических и экологических критериев. Меньший диаметр трубы принимают в том случае, если в зоне затопления перед трубой отсутствуют ценные сельскохозяйственные угодья, которым может быть причинен ущерб, а скорость потока на выходе из трубы незначительно превышает неразмывающую и не потребуется строительство укрепления, размеры и стоимость которого превышают разумные пределы с точки зрения технологии и стоимости строительства.

В пояснительной записке должны быть четко обозначены критерии, по которым осуществлен выбор отверстия и приведены соответствующие аргументы.