Гидравлический расчет косогорных сооружений

Для предупреждения размыва мостов и труб на косогорах, а также и склонов косогоров текущей водой устраивают подводящие и отводящие русла (рис. 15.23) в виде быстротоков, перепадов с водобойными колодцами, консольных водосбросов и т.д.

Рис. 15.23. Косогорные сооружения у малого моста:
1 - естественное русло; 2 - перепады с водобойными колодцами; 3 - мост; 4 - быстроток; 5 - водобойный колодец; 6 - уступ

Искусственные русла проектируют в соответствии с местными условиями, имея в виду следующие характеристики отдельных типов косогорных сооружений:

быстротоки (рис. 15.24, а) применяют на любых уклонах, больше критических. В связи с большой скоростью протекания воды в местах сопряжения быстротока с другими сооружениями необходимо предусматривать устройства гасителей энергии, а сам быстроток укреплять в соответствии со скоростью потока;

Рис. 15.24. Основные типы косогорных сооружений:
а - быстроток; б - перепады с водобойными колодцами; в - консольный водосброс

перепады с водобойными колодцами (рис. 15.24, б) применяют главным образом на значительных уклонах (перепады без водобойных колодцев практически не устраивают, так как они могут быть размещены только на небольших уклонах);

консольные водосбросы (рис. 15.24, в), лотки большого уклона, приподнятые на опорах над поверхностью, применяют для пропуска воды над дорогой в том случае, когда устройство водопропускного сооружения под дорожной насыпью оказывается менее целесообразным.

Рис. 15.25. Расчетная схема быстротока:
1 - входной оголовок; 2 - кривая спада

Расчет быстротока (рис. 15.25). Быстротоком называют искусственное открытое русло с уклоном дна больше критического, направляющее быстротекущий поток воды из верхнего участка водовода в нижний. Ширина дна лотка быстротока может быть равной или меньше ширины дна подводящего русла. В последнем случае перед переломом рельефа местности необходимо устраивать переходной участок с учетом особенностей расчета сужающихся бурных потоков. Последовательность гидравлического расчета быстротока следующая:

1. Определяют ширину быстротока по заданным значениям скорости течения воды v_o, уклона I и коэффициента шероховатости п:

где

n - коэффициент шероховатости быстротока, назначаемый с учетом аэрации, зависящей от уклона и материала стенок быстротока;

h₀ - глубина воды в быстротоке, м;

v₀ - допускаемая скорость течения на быстротоке, м/с.

Данная формула выведена при предположении, что гидравлический радиус мало отличается от глубины потока.

2. Определяют глубину воды в конце быстротока:

3. Определяют глубину воды на входе в быстроток из канала с уклоном I < I_кр, которая равна критической:

(15.20)

4. Выясняют условия затопления струи на выходе из быстротока в русло с уклоном меньше критического. Для этого вычисляют вторую сопряженную глубину прыжка:

Если глубина h_б в русле за быстротоком больше, чем глубина за прыжком h", то прыжок затоплен, и скорость за быстротоком определяется глубиной потокаh_б. Если же эта глубина меньше, чем глубина h" (то есть h_б < h"), то в целях сокращения участка высоких скоростей в русле за быстротоком следует устроить водобойный уступ (колодец), глубина которого

d = 1,1h" - h_б.

Необходимую длину водобойного колодца (от конца быстротока до конца водобойного уступа) рассчитывают по формуле подпертого прыжка:

l_кол = 3(h" - h₀).

Расчет перепада с водобойным колодцем. Перепадом называют сооружение, сопрягающее два участка водовода, расположенных на разных уровнях. Он может быть одноступенчатым или многоступенчатым. В практике дорожного строительства, как правило, применяют перепады только колодезного типа.

Перепад с водобойным колодцем состоит из следующих элементов (рис. 15.26): входа 1, стенки падения 2, водобоя 3 и выхода-уступа 4, если перепад одиночный, или водобойной стенки, если перепад один из цепи перепадов с колодцами.

Рис. 15.26. Одиночный колодец (уступ):
1 - вход; 2 - стенка падения; 3 - водобой; 4 - выход-уступ

Схема гидравлического расчета перепада с водобойным колодцем следующая (рис. 15.27).

Рис. 15.27. Расчетная схема многоступенчатого перепада

1. Назначают ширину водобойного колодца b, исходя из нормы расхода 0,5-1,0 м³/с на 1 м ширины колодца. Чаще всего ширину колодца делают одинаковой с отверстием водопропускного сооружения. Высоту перепада р назначают путем деления общего падения уровня на участке расположения перепадов на число перепадов, назначаемое сначала ориентировочно.

2. Определяют глубину воды на входе, равную критической, по формуле (15.20).

3. Определяют глубину в сжатом сечении падающей струи. Для этого подсчитывают энергию сечения на входе, задаваясь ориентировочно глубиной колодца d:

Т₀ = 1,5h_кр + p + d.

4. Определяют относительную энергию:

5. По графику (рис. 15.28) определяют относительную глубину после прыжка в сжатом сечении, задавая коэффициент скорости j:

Рис. 15.28. График для расчета перепадов

вычисляют глубину после прыжка

Порядок пользования графиком показан стрелками на рис. 15.28.

6. Определяют глубину воды перед водобойной стенкой

H = H + d = 1,7h_кр + d.

7. Проверяют достаточность заданной глубины колодца. Необходимо, чтобы

(15.21)

Если это равенство не удовлетворяется, то глубину колодца, заданную ориентировочно, изменяют и расчет повторяют снова, пока условие (15.21) не будет выполнено.

8. После расчета глубины колодца определяют минимально допустимую длину колодца

l_кол = l_пол + l_пр, где

Здесь v_кр - скорость в сечении на входе, м/с;

у - высота падения струи;

y = p + d + 0,5h_кр;

- глубина после прыжка в сжатом сечении;

- глубина в сжатом сечении в колодце, определяемая по графику на рис. 15.28, по которому аналогично величине определяется величина и глубина воды в сжатом сечении

9. Длина водобойной стенки (толщина водосливного порога)

l_ст = 3h_кр.

10. Проверяют вписывание перепада в профиль местности, для чего определяют уклон перепада:

Этот уклон должен быть не меньше того, которым характеризуется косогор. Если же уклон косогора I_м меньше уклона перепада, то длину каждого колодца увеличивают, что только улучшает условия затопления струи. Длина колодца, соответствующая заданному уклону местности,

Расчет консольного перепада. Консольный перепад это лоток с большим уклоном, применяемый на опорах над поверхностью земли (рис. 15.29), в конце которого устраивают струенаправляющий носок с обратным или нулевым уклоном. Такого типа сооружения применяют для сброса воды через полотно дороги и в овраги на весьма крутых косогорах.

Рис. 15.29. Схема к расчету консольного водосброса

Обратный уклон струенаправляющего носка принимают

i_н £ 0,25 (подъем b £ 15°), а длину носка l_н = 1-2 м.

Гидравлический расчет консольного перепада заключается в определении глубины в конце быстротока h, дальности полета струи l_пад и размеров воронки размыва в месте падения струи.

1. Глубину в конце носка применяют равной глубине быстротока (методика определения глубины h такая же, как у быстротока). Как правило, эту глубину определяют по известной формуле гидравлики для неравномерного движения воды, рассматривая два смежных сечения с глубиной h₁ и h₂ и длиной l между ними:

i₀l/h₀ = h₂/h₀ - h₁/h₀ - (1 - j_cp)[j(h₂/h₀ - jh₁/h₀)], где

i₀ - уклон дна рассматриваемого участка русла, ‰;

С_ср - средний коэффициент Шези;

В_ср - средняя ширина потока по верху, м;

c_ср - средний смоченный периметр.

2. Дальность падения струи без учета аэрации и сопротивлений воздуха определяют по приближенной формуле:

где

v - скорость потока в конечном сечении струенаправляющего носка, м/с;

j - коэффициент скорости;

Р - высота перепада, м.

При горизонтальном носке, т.е. при b = 0°

Фактическая дальность полета струи оказывается на 10-20 % меньше, чем определенная по формулам свободного падения.

3. Снос струи боковым ветром для параболического поперечного сечения определяют по формуле:

где

v_в - скорость ветра, м/с;

Р - высота перепада, м;

Q - расход перепада, м³/с.

Учет сноса струи особенно необходим, если за перепадом устраивают водобойные сооружения.

4. Глубину воронки размыва h_вp рекомендуют определять по формуле:

где

h_нб - бытовая глубина нижнего бьефа, м;

s = 1,05-1,1 - коэффициент затопления прыжка;

- сопряженная глубина с глубиной сжатого сечения, определяемая при расчете водобойных колодцев, м.

Глубину в сжатом сечении на дне воронки размыва определяют, исходя из удельной энергии:

Е_о = Р + h + h_вp + an²/2g.

Задаваясь глубиной h_вp находят сопряженные глубины и при вычисленном значении h_c проверяют правильность заданного значения h_вp.

Размеры воронки размыва в плане определяют приближенно, полагая ее форму конусоидальной с уклонами откосов 1:1.

Для учета свойств грунта, от которых зависят размеры воронки размыва, глубину воронки корректируют по формуле:

h_риспр = eh_вp, где

e - коэффициент, учитывающий свойства грунта (для плотного лёсса e = 2, для гравелисто-песчаных грунтов e = 1,5-2,5).

По исследованиям Патрашева глубину воронки размыва рекомендуют определять

h_вp = 3,9q^1/2(z₀/d_з)^1/4 - h_нб, где

q - расход на единицу ширины конечного сечения носка консоли;

z₀ = P + h - h_нб + an²/2g;

d_з - диаметр частицы грунта, мельче которой в данном грунте содержится 90 % по массе.

Для консольных перепадов рекомендуют также следующую формулу:

где

d_рас = d_з /a; a = 0,2 мм.

Движение грунтовых вод

Находящаяся в грунте вода может рассматриваться с различных точек

зрения. По Кезди формы проявления воды в грунте

подразделяются на поровую, находящуюся в химическом соединении с веществами грунта, адсорбированную и структурную. Ниже дается деление

грунтовой воды в зависимости от ее проявления:

свободная вода, находящаяся в свободном или напряженном

состоянии, которая, заполняя поры между частицами грунта, соединяет их

между собой, движение которой может происходить лишь под

действием гравитационных сил и вызывается обычно действием новерхностньк

вод;

фильтрационная вода, которая под действием вызванного

строительными условиями перепада давления двигается по порам грунта до

сооруженного котлована и образуетач из свободной воды, находящейся в

грунте;

вода, находящаяся в водопроницаемых слоях грунта средней

мощности или на их границе и выступающая из них;

вода в трещинах (зашемлекная) находится в полостях прочных

грунтов к движется по трещинам между ними;

источники представляют собой ограниченные по месту их проявления

выходы грунтовых вод;

капиллярная вода, которая под действием сил поверхностного

натяжения в грунте поднимается на отметки вьпие уровня грунтовых вод;

при этом разделяются зоны замкнутого и открытого капиллярного

подъема, при этом открытая капиллярная вода находится в состоянии

соединения с грунтовой водой и в отличие от замкнутой содержит в

cебе некоторое количество воздуха;

просачивающаяся вода проникает в грунт с поверхности и через

частично наполненные воздухом поры грунта опускается вниз при этом

движение происходит под действием гравитационных сил и

капиллярности;

захваченная грунтом вода образуется вследствие налищя

поверхностного натяжешм на зернах грунта; при этом вода, находящаяся в углах

между смежными частицами грунта, обозначается как поровая вода в

углах между частицами грунта; если в отдельных местах норы грунта

полностью заполнены водой без соединения ее со свободной водой, то

такую воду относят к связанной воде;

адсорбированная вода - это крепко соединенная с частицами грунта

вода. Движение воды в грунте может происходит, но единственному

направпению под действием имеющегося перепада давления по

замкнутым между собой ходам, образующимся между порами грунта. При этом

каналы по длине меняют форму и площадь поперечного сечения. Это

движение подчиняется определенным законам, в связи с чем необходимо

учитывать достаточно большие элементы потока при его движении в

разнородном грунте.

Давление потока. Движение грунтового или фильтрационного потока

между двумя находящимися в рыхлом грунте слоями возможно лишь

Б том случае, если между ними существует разница потенциалов.

Перепад потенциалов на определенном но длине участке и в определенном

направлении определяется по приведенным в разд. 7.2.1 уравнениям и

называется гидравлическим потенциалом

Потеря энергии фильтрационной воды на пути фильтрации

как массовая сила переносится на грунтовый скелет. Эта массовая сила

определяется как давление потока и обозначается р. Давление потока,

которое образуется и действует на грунтовый скелет отдельной

струйкой, имеющей площадь поперечного сечения dF = 1 может быть

определено по уравнению Бернулли

Скорость движения грунтового потока воды. При изучении движения

грунтовой воды обычно во всех случаях предполагается, что это

движение происходит в ламинарном режиме. Для подтверждения

справедливости этого положения были проведены многочисленные опыты, при

этом исследователей интересовала только верхняя граница, лежащая

между ламинарным и турбулентным движением. Точно установлено,

что принятое положение зависит как от физико-механических, так и

физико-химических свойств грунта, а также от величин гидравлического

градиента. Приведенные в литературе граничкые условия обычно

определяются критическим значением числа Рейнольдса RI и зависят от

действующего размера частиц зерна d и граничного значения градиента i.

Для кошованов больших размеров, рассчитанных на длительный

срок службы, при необходимости значительного понижения уровня

грунтовых вод требуется повышенная точность в определении

коэффициента филырафии - проведение опытного водопонижения

Эти откачки воды из котлованов или грунтов позволяют определить

более точные значения коэффициентов фильтрации для конкретных

условии. Для этой цели создаются один или несколько опытных

колодцев, в которых проводятся измерения колебаний грунтовых вод

Более подробные технические данные по способам откачки и определению

значении коэффициентов фильтрации приводятся в работах

Рекомендации по устройству водозаборных и наблюдательных

колодцев более подробно рассмотрены в разд. 9.2.2. Наблюдательный

колодец не должен быть расположен дальше 5 м от колодца, в котором

производится водоудаление. Это расстояние может быть больше в случае

расположения колодца в крупных грунтах и при большой толщине слоя»

из которого производится водоудаление. Расстояния между

наблюдательными колодцами принимаются равными от 1,5 до 2,5 их глубины.

В гетерогенных строительных грунтах водопроницаемость отдельньгх

слрев может сильно меняться, при этом также сильно будет изменяться

количество поступающей воды по отдельным слоям