Определение отверстия круглой железобетонной водопропускной трубы

В разделе 1 курсового проекта рассматриваются вопросы проектирования круглых водопропускных труб. В настоящее время широко применяют железобетонные трубы типа ТВ отверстием 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6 и 2,0 м. В последнее время начали применять металлические (гофрированные) трубы с отверстием 1,8…3,8 м.

Водопропускные трубы на автомобильных дорогах проектируют на безнапорный режим прохождения воды в трубе. Для определения отверстия трубы пользуются таблицами пропускной способности труб или рассчитывают отверстие трубы по формулам.

В таблице 1.4 приведены расчетный расход Q, критическая глубина h_кр, критический уклон J_кр, глубина воды перед трубой Н, скорость на выходе V_вых для одноочковых оголовочных круглых железобетонных труб отверстием 1,0; 1,2; 1,4 и 1,6м. В случае многоочковых оголовочных труб пропускная способность трубы увеличивается пропорционально количеству очков. Например, одноочковая оголовочная труба отверстием 1,20м при глубине воды перед трубой 1,50м пропускает расход 2,50м³/с. Двухочковая оголовочная труба отверстием 1,20м при той же глубине воды 1,50м пропускает 2х2,50м³/с. Остальные показатели (h_кр, J_кр, V_вых) одинаковы как для одноочковой трубы.

В случае безоголовочных труб пропускная способность их снижается. При пользовании таблицей 1.4 следует вводить понижающий коэффициент 0,83. Так, безоголовочная труба отверстием 1,20м при глубине воды 1,50м пропускает расход 0,83х2,50=2,08м³/с.

Таблица 1.4 пропускной способности составлена для незатопленного истечения воды из трубы. Поэтому при пользовании таблицей 1.4 следует проверять критерий такого истечения:

(1.4.1)

где h_б, h_кр – бытовая и критическая глубина.

Величина отверстия трубы зависит от значения расчетного расхода при паводках от ливня летом и от таяния снега весною.

Если расход ливневых вод окажется больше расхода от снеготаяния, то величину сбросного расхода во время ливня устанавливают с учетом аккумуляции ливневых вод. В курсовом проекте в учебных целях для случая, когда расход от снеготаяния больше расхода от ливня условно меняют эти расходы местами, рассчитывают аккумуляцию стока ливневых вод.

Аккумуляция ливневых вод перед дорогой происходит вследствие уменьшения живого сечения водотока насыпью автомобильной дороги. Живое сечение водопропускной трубы меньше живого сечения нестесненного потока. Перед дорогой образуется пруд объемом:

, м³ (1.4.2)

где m₁ и m₂ – крутизна склонов водосбора;

J_с – уклон лога у сооружения, в долях единицы.

Сбросной расход, проходящий через водопропускное сооружение при уровне Н, определяют по формуле:

, м³/с (1.4.3)

где Q_л – максимальный расчетный расход без учета аккумуляции, м³/с;

W – общий объем стока за паводок [3]:

, м³ (1.4.4)

где F – площадь водосбора, км ² ;

h₁ – слой стока при паводке по [3]:

, мм (1.4.5)

Для определения отверстия трубы на пропуск паводка от ливня необходимо сначала построить график зависимости сбросного расхода от глубины пруда аккумуляции, пользуясь формулой (1.4.3).

Для этого задаются различными значениями глубины пруда перед трубой, вычисляют по (1.4.2) объем пруда W_пр и по (1.4.3) сбросной расход. Строят зависимость сбросного расхода от глубины пруда (кривая 1 на рис. 1.4.1).

При расчете по формуле (1.4.3) может быть получено отрицательное значение Q_с при объеме пруда, превышающем значение объема стока. Это значение Q_с не принимать для дальнейших расчетов.

Далее используют таблицу 1.4 пропускной способности круглых труб.

Таблица 1.4

d трубы, м	Q, м3/с	hкр, м	hсж, м	Jкр	H, м	Vвых
i£ Iкр	i> Iкр
1,00	0,50	0,40	0,36	0,001	0,64	1,4	1,7
1,00	0,57	0,52	0,004	0,94	2,4	2,9
1,40	0,68	0,62	0,004	1,15	2,7	3,3
1,70	0,75	0,68	0,006	1,27	2,7	3,3
1,20	1,00	0,55	0,50	0,004	0,87	2,3	2,8
1,50	0,66	0,60	0,005	1,10	2,7	3,2
2,00	0,77	0,70	0,005	1,29	2,9	3,5
2,50	0,87	0,79	0,006	1,50	3,2	3,8
2,60	0,89	0,81	0,006	1,52	3,9	--
1,40	2,50	0,86	0,78	0,006	1,35	2,8	3,4
2,80	0,91	0,83	0,006	1,46	3,0	3,6
3,00	0,95	0,86	0,006	1,54	3,1	3,7
3,50	1,03	0,94	0,007	1,67	3,2	3,9
3,80	1,06	0,96	0,007	1,78	3,4	4,1
1,60	2,50	0,80	0,73	0,004	1,31	2,9	3,5
3,00	0,87	0,79	0,004	1,47	3,1	3,8
3,50	0,94	0,86	0,004	1,55	3,1	3,8
4,00	1,02	0,92	0,005	1,70	3,3	4,0
4,50	1,08	0,98	0,005	1,82	3,5	4,2
5,00	1,14	1,04	0,005	1,94	3,6	4,3
5,30	1,18	1,07	0,006	2,04	3,7	4,4
Примечания к таблице 1.4: 1) d – отверстие одноочковой трубы; 2) Q – расход; Н – глубина воды перед трубой; i – уклон трубы; 3) hкр, Jкр – критические глубина и уклон; 4) Vвых – скорость движения воды на выходе из трубы.

Назначают конкурентоспособные варианты труб. По данным таблицы 1.4 строят графики пропускной способности труб с различными отверстиями (кривые 2 и 3 на рис. 1.4)

Рисунок 1.4.1 Графическое определение расчетного расхода с учетом аккумуляции: 1 – зависимость Q_с=f(Н); 2, 3 – зависимости пропускной способности труб от подпора Н

На графике (рис. 1.4) наносят данные всех одно-, двух- и трехочковых труб отверстием d, максимальная пропускная способность которых находится выше кривой 1, а минимальная ниже кривой 1. На пересечении кривых 1 и 2 получают величину сбросного расхода Q_с для данного отверстия.

По [4] допускается снижать сбросной расход за счет аккумуляции не более чем в три раза. Если вариант конкурентоспособной трубы не выполняет это условие, то его отбрасывают. Из всех вариантов труб принимают для дальнейшего рассмотрения вариант с меньшей стоимостью. Для него по графику 1.4 получают сбросной расход Q_с при паводке от ливня.

На малом водотоке весной имеет место паводок от таяния снега, для которого расчетный расход воды Q_сн. Если окажется, что сбросной расход от ливня Q_с меньше расчетного расхода от таяния снега Q_сн, то отверстие водопропускной трубы следует назначать исходя из пропуска талых вод с расчетным расходом Q_сн. Тогда сбросным расходом для водопропускной трубы будет Q _с=Q_сн

По сбросному расходу, пользуясь таблицей пропускной способности труб определяют критический уклон J_кр, критическую глубину h_кр, глубину воды перед трубой и скорость на выходе V_вых, приняв продольный уклон трубы i равным уклону лога у сооружения , т.е. i=J_c. Для сбросного расхода Q_с по графику Q_c=f(h) (рис.1.3.2) определяют бытовую глубину h_б и проверяют режимы истечения по условию (1.4.1). Необходимо, чтобы истечение из трубы было свободным (h_б£1,3h_кр), для которого составлена таблица пропускной способности труб.

Пример 1.4.1

Исходные данные. Сечение водотока имеет форму двух плоскостей с заложением откосов 1:150 и 1:100. Уклон лога у сооружения 10‰. Площадь водосбора 6 км². Максимальный расход от ливня 6 м³/с, от таяния снега – 4 м³/с.

Требуется вычислить сбросной расход с учетом аккумуляции ливневых вод.

Назначаем глубину воды 1,0 м и по (1.4.2) вычисляем объем пруда:

.

По (1.4.4) с учетом (1.4.5) вычисляем общий объем стока за паводок:

.

Сбросной расход по (1.4.3):

.

Принимаем глубину 1,25 м и вычисляем W_пр=8139 м³, Q_с=3,12 м³/с. Назначаем глубину 1,50 м и вычисляем W_пр=14063 м³, Q_с=0,96 м³/с. При глубине воды 1,75 м получаем Q_с=-1,99 м³/с, т.е. Q_с отрицательно. Необходимо уменьшить глубину воды. При Н=1,58 м получим Q_с=0,18 м³/с.

По полученным данным строим график зависимости сбросного расхода от глубины (кривая 1, рис. 1.4.2). На этот график наносим зависимость пропускной способности труб от глубины воды Н перед трубой, пользуясь таблицей 1.4.

Рассмотрим одноочковые безоголовочные трубы. Данные по величинам пропускных расходов при глубине воды Н, приведенные в таблице 1.4, умножаем на 0,83.

Труба отверстием 1,0 м при Н=1,27м пропускает расход 1,7*0,83=1,41м³/с и 0,83 м³/с при Н=0,94. Нанесем эти точки на график (кривая 2 на рис. 1.4.2). Кривая 2 не пересекается с кривой 1. Следовательно, одноочковая труба отверстием 1,0 не подходит.

Рисунок 1.4.2 Определение сбросного расхода при аккумуляции: 1 – зависимость сбросного расхода от глубины воды (пример 1.4.1); 2, 3, 4, 5 – пропускная способность труб отверстием 1,0; 1,2; 1,4 и 1,6

Одноочковая труба с отверстием 1,2 м при глубине Н=1,50м пропускает максимальный расход 0,83*2,50=2,07 м³/с, при Н=1,10 м расход 1,25 м³/с. Нанесем эти точки на рисунок 1.4.2 (кривая 3). Кривая 3 пересекается с кривой 1 в точке со сбросным расходом 1,75м³. Если примем этот сбросной расход, то уменьшение расхода за счет аккумуляции ливневых вод составляет 6,0/1,75>3, что недопустимо.

Одноочковая труба с отверстием 1,4 м, при Н=1,54 м пропускает 0,83*3,0=2,49м³/с, при Н=1,35 м она пропускает 2,07 м³/с. Наносим эти точки на график (кривая 4, рисунок 1.4.2). Кривая 4 пересекается с кривой 1 при сбросном расходе 1,90 м³/с. Уменьшение расхода за счет аккумуляции больше чем в 3 раза, что недопустимо.

Одноочковая труба с отверстием 1,6 м при Н=1,31 м пропускает расход 2,07 м³/с, при Н=1,55 м расход 2,90 м³/с. По этим данным построим кривую 5 (рисунок 1.4.2). Она пересекается с кривой 1 при сбросном расходе 2,20м³/с. Уменьшение расхода за счет аккумуляции 6,0/2,2=2,72. Следовательно можно с учетом аккумуляции ливневых вод летом можно принять отверстие трубы 1,6 м и сбросной расход 2,20м³/с при глубине воды Н=1,34 м.

Весною при таянии снега расчетный расход 4,0 м³/с, что больше 2,2 м³/с. В качестве сбросного расхода воды примем Q_с=4,0 м³/с. Этот расход пропускает одноочковая труба отверстием 1,6 м при Н=1,89 м (таблица 1.4).

Двухочковые трубы не рассматриваем, так как стоимость их больше одноочковых.