Гидравлический расчет трубы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расход ливневых вод

Расход ливневых вод определяется по формуле

Qл = 16,7 Kt ачас F бц=16,7*0,73*0,75*6*0,5*0,386 =10,59 м/сек

где Qл - максимальный расход ливневых вод, м3/с;

арасч - расчетная интенсивность ливня 0,55 мм/мин;

F - площадь водосбора, 6 км2 ;

б - коэффициент потерь стока, зависящий от вида фунта на поверхности водосбора, принимаемый по [1, 3, 5, 8], б = 0,1 - 0,2 для песков, а = 0,5 - 0,8 для суглинков (принимаем 0,5);

ц- коэффициент редукции, учитывающий неполноту водоотдачи при больших площадях и вычисляемый по формуле

ц=1/ 10F=1/10*4,5=0,386

где ц = 1 для F= 0,1 км2; ц = 0,272 для F= 30 км2; ц = 0,244 для F= 50 км2.

Установлено, что впитыванием воды в грунт при расчетах расхода вод можно пренебречь, б = 1, так как капли сильного ливня "забивают" грунт и впитывание практически отсутствует.

а расч = Kt ачас=0,73*0,75=0,55

где ачас - средняя интенсивность ливня часовой продолжительности. Дожди с интенсивностью более 0,5 мм/мин принято относить к ливням.

Эти ливни хорошо изучены по данным гидрометрических наблюдений. Союздорпроек- том разработана карта ливневого районирования России, по которой [1, 3, 5, 8] или рис. П1 устанавливают номер ливневого района. По табл. П l определяют интенсивность ливня часовой продолжительности в зависимости от вероятности превышения р.

Ежегодные колебания расходов и уровней воды подчиняются закону больших чисел, поэтому используют теорию вероятностей.

Вероятность превышения р определяется по формуле

p = m/(n+ 1) 100%,

где m - порядковый номер члена ряда в убывающем порядке; n - общее число членов ряда.

Вероятность превышения расчетного паводка для МИС принимается равной, %: р = 1 для I категории дорог, р = 2 для II, III категорий дорог, р = 3 - IV, V категорий дорог; для средних и больших мостов: р = 1 для I, II, III категорий дорог, р = 2 - IV, V категорий дорог.

Принимаем р=2%

Способ определения расчетной интенсивности ливня основан на принципе "предельных интенсивностей разработанном МАДИ, и на использовании гидрометрических характеристик, установленных Союздорпроектом. За расчетную, самую опасную продолжительность ливня t принимают время добегания воды, выпавшей в начале ливня, от наиболее удаленной точки бассейна до дороги или МИС:

t = Lл/?,t=2/0,02=100

где v - скорость добегания воды, км/мин; ? = 0,2 inl 4 для задернованных поверхностей.

Kt = (60 / t )2/3 = (60 ? / Lл)2/3 = 5,5 iл1/6 / Lл2/3 ,

где Kt - коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к расчетной, принимается по табл. П2 в зависимости от длины Ln и среднего уклона главного лога iл

При продолжительности ливня менее 5 мин коэффициент К, достигает максимального значения Кt= 5,24, этому соответствует полный сток Qnс.

Объем ливневого стока определяется по формуле

Wл = F hл = 60 000 ачас бц F/ Kt =60000*0,75*0,5*0,386*4,5/0,73=39082,5/0,73=45979м3

где Wл - объем ливневого стока, м3 ; hл - толщина слоя ливневого стока, определяемая по формуле

hл = Kt ачас бц t = Kt ачас бц Lл / ?)=0,73*0,75*0,5*0,386*2/0,02=0,211/0,02=10,56.

2. Расход талых вод

Согласно СНиП 2.01.14-83 [1] на водосборах площадью менее 20 тыс. км2 для трапецеидального гидрографа (см. рис. 2, б), когда максимальный расход наблюдается длительное время, т.е. более суток, расход талых вод определяют по формуле

Qt = к hт Кр Fд1д2д3/(F+ 1)n, 5 (5)

где Qt - максимальный расход талых вод, м3/с; к - коэффициент дружности половодья [1, 5, 8], к = 0,01 для лесных районов, к = 0,02 для лесостепи, к = 0,03 для степей, к = 0,06 для пустыни, к - 0,001 - 0,004 для рек; hт - средняя толщина слоя стока талых вод, принимаемая по карте (рис. 112), мм;

Кр - коэффициент перехода к расчетной толщине слоя стока с вероятностью р рис. ПЗ в зависимости от коэффициента вариации Cv (рис. П4); д1д2д3 - коэффициенты, учитывающие потери стока при наличии леса или заболоченности на поверхности водосборного бассейна, совместное влияние болот и лесов; n - показатель степени, принимаемый равным 0,17 для северных регионов, 0,25 для средней полосы России, 0,35 для южных районов, 0,15 для гор.

д1 = 1-k1 lg(l+Fл/F),

д 2=1- k 2 lg (1+0,1 Fб/F),

д 3 = 1 - 0,6 lg (1 + 0,1 Fб / F+ 0,05 Fл / F),

где Fл F б - площадь лесов и болот на поверхности водосборного бассейна соответственно; k1, k2-коэффициенты, k1 = 0,2 - 0,3 для южной зоны, k1 = 0,4 - 0,5 для средней полосы России; k1= 0,7 для Сибири; k2 = 0,6 для верховых болот, k2 -- 0,7 - 0,9 для низовых болот.

Коэффициент вариации Cv слоя стока половодий определяется по карте [1, 5, 8]. Затем по номограмме в зависимости от вероятности превышения р находят Кр, где для средней полосы России - 2Cv, для северных регионов - 3Cv, для гор - 4Cv.

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МИС

3.1 Расчет пропускной способности труб

ливневый вода труба талый

Режимы протекания воды в трубах зависят от напора воды перед трубой и типа оголовка трубы на входе (рис. 4). Различают следующие режимы протекания воды в трубах:

1.Безнапорный при оголовках с нормальным звеном (рис. 4, в). Труба работает на входе как водослив с широким порогом. Напор воды Н на входе меньше высоты трубы hT или превышает менее чем на 30 %. На всем протяжении трубы уровень воды не превышает 0,75 - 0,8 hт Поток воды имеет свободную поверхность соприкосновения с воздухом на всем протяжении сооружения. На входе в трубе в сжатом сечении возникает гидравлический прыжок, hc - глубина в сжатом сечении. Безнапорный - самый благоприятный режим, так как не дает размыва грунта русла на выходе. При проектировании МИС следует отдавать предпочтение данному режиму протекания воды в трубе.

2 Полунапорный при оголовках с нормальным звеном (рис. 4, в). Аналог - течение из-под щита. На входе труба затоплена и работает полным сечением. Напор воды Н превышает высоту трубы hт более чем на 30 %. Из-за прорыва воздуха через воронку на входе поток воды имеет свободную поверхность соприкосновения с воздухом на всем протяжении трубы. Явление исчезновения и появления воронки повторяется. Труба работает неустойчиво то в напорном, то в безнапорном режиме. Данный режим протекания воды в трубе применяют как исключение при условии принятия конструктивных мер по обеспечению устойчивости труб, земляного полотна против фильтрации воды.

Рис. 4.

Виды оголовков: а - портальный; б - раструбный, с открылками (откосными стенками) под углом 20 -45°; в-с нормальным звеном; г-с коническим звеном

3. Напорный при оголовках с коническим звеном обтекаемой формы (рис. 4, г). Аналог - течение воды в трубопроводе. На входе и па всем протяжении труба работает полным сечением. Напор Н превышает высоту трубы hт, более чем на 40 %, и по ток воды не имеет свободной поверхности соприкосновения с воздухом. У выхода из трубы поток воды может иметь свободную поверхность. Напорный режим может возникать периодически и при оголовках с нормальным звеном. Рекомендуется применять напорные трубы при пересечении глубоких логов с крутыми склонами и высокими насыпями.

Участок водотока до сооружения называется верхним бьефом, за сооружением - нижним. Энергия потока воды в верхнем бьефе больше, чем в нижнем. Сопряжение бьефов - это явление перехода из верхнего бьефа в нижний, сопровождающееся, как правило, гидравлическим прыжком.

Используя уравнение равномерного течения жидкости, можно рассчитать пропускную способность трубы Qс ,соответствующую трем режимам протекания воды в трубах:

а) безнапорный режим.

Qc = wc vc = wc ц1 2g(H-hc) = 0,85 wc gH,

Д h= ц v2/2 g; vc = ц 1 2g ((H-hc)

H =hc + 0,69 vc2 /g = 1,42 vc2/g~2 hc ;hc=0,73 vc2/g,

где Qc -расход воды, проходящей через трубу в сжатом сечении, м3/с;

wc - площадь живого сечения в трубе при глубине сжатого сечения

hc = (0,5 - 0,6) H;

vc - скорость воды в сжатом сечении;

ц- коэффициент скорости (сопротивления),

ц1 = 0,85 для оголовка с нормальным звеном,

ц2 = 0,95 для оголовка с коническим звеном;

H - глубина подпора воды перед трубой;

hc - глубина в сжатом сечении;

Дh - перепад высот.

б) полунапорный режим.

Qc = wc vc = wc ц1 2g(H-hc) = 0,5 wвх 2g(H -0,6hвх),

hc =0,6hвх,wc = 0,6 wBX,

где hвх, wBX - высота и площадь полного сечения на входе в трубу.

в) напорный режим.

Qc = wTvT = = wc ц2 2g(H-hT) = 0,95wT 2g(H- hT)

где hT, wT - высота и площадь сечения внутри трубы.

Данные расчета по приведенным выше формулам сведены в типовой проект на трубы водопропускные круглые железобетонные сборные для железных и автомобильных дорог [11], в табл. ПЗ, представлены в виде номограммы в справочной литературе [1, 5, 8] или рис. 5, который можно построить по данным табл. ПЗ.

Целесообразно применять трубы отверстием d = 0,5 м на съезде, d = 0,75 м длиной менее 15 м, d = 1,0 м длиной менее 20 м, так как при их большой длине и малом диаметре затруднены работы по ремонту и содержанию.

3.2 Расчет размера отверстия трубы с учетом аккумуляции вод

МИС почти всегда сильно стесняют поток воды и изменяют его бытовой режим. При пологих и равнинных условиях местности перед сооружением из-за подпора воды затапливаются значительные площади. В пруду - временном водоеме - накапливается большая часть паводковых вод, которая должна быть учтена при гидрологическом расчете. При определении размера отверстия сооружения в этом случае должен быть произведен учет аккумуляции: снижение расчетного расхода, а значит, и уменьшение размера необходимого отверстия МИС в связи с накоплением вод перед сооружением. Какая будет глубина воды перед сооружением (глубина пруда - временного водоема), пока неизвестно, так как она зависит от рельефа местности, размера отверстия сооружения.

Размещено на Allbest.ru