Расчет гофрированных водопропускных труб

(документ-шаблон РГВТ)

И с х о д н ы е д а н н ы е:

Труба металлическая гофрированная;

Тип оголовка – без оголовка с вертикальным срезом;

Высота насыпи H_нас : = 2.5 + 0.02·N H_нас = 3.3 м

Показатель крутизны откоса

Уклон лотка трубы соответствует уклону лога

(0.02)

Гладкий лоток расположен на 1/3 периметра поперечного сечения трубы

Расчетный расход воды Q_р := 2 + 0.01·N Q_р = 2.4 м³/с

Максимальный расход воды Q_макс := 1.3·Q_р Q_макс = 3.12 м³/с

Ускорение свободного падения g := 9.81 м/с²

Коэффициент шероховатости (0.015)

Сток снеговой – аккумуляция не учитывается

Требуется подобрать отверстие трубы, определить подпертую глубину, глубину на входе, глубину и скорость воды на выходе, тип и размеры укрепления русла на выходе из трубы.

Р е ш е н и е

1. Определяем длину трубы

𝓁_т :=b_нас+H_нас· m_отк· 2 𝓁_т=17.5 м

2. Находим отверстие трубы D

Согласно инструкции ВСН 176 – 78 гофрированные трубы должны пропускать расчетные и наибольшие расходы при безнапорном режиме и иметь при этом заполнение на входе:

при пропуске расчетного расхода П_Q(р) - h_вх/D ≤ 0.75;

при пропуске наибольшего расхода П_Q(макс) - h_вх/D ≤ 0.90,

где h_вх - глубина потока на входе в трубу; D – диаметр трубы.

2.1. Определяем параметры расхода П_Q для гофрированных труб в зависимости от типа оголовка.

Таблица 4

Параметры расхода П_Q для гофрированных труб

По табл. 4 находим

2.2. Определяем диаметр трубы

D_р = 1.583 м

D_макс = 1.565 м

Типовые значения диаметров гофрированных водопропускных труб: 1.0; 1.5; 2.0; 3.0. Полученное по формулам значение диаметра округляем до ближайшего большего типового

3. Устанавливаем, будет ли труба длинной или короткой в гидравлическом отношении, сравнив значения уклона трубы с критическим уклоном.

Находим величину критического уклона i_к:

i_к = 0.016

i_к = 0.017

Для дальнейшего расчета принимаем наибольшее значение

Если i_к ≤ i_т, труба считается короткой в гидравлическом отношении. Условие выполняется, так как 0.017 < 0.03.

Следовательно, проверка по критерию относительной длины трубы не требуется. В противном случае проводится сравнение: если 𝓁_т/D < 20 – труба считается короткой, при невыполнении условия – длинной.

4. Определяем подпертую глубину перед трубой из формулы для безнапорного режима

Значения расчетных коэффициентов приведены в табл.5.

Таблица 5

Значения расчетных коэффициентов

Уточняем параметры расходов:

4.1. Находим среднюю ширину потока в сечении с критической глубиной b_к

b_к.р := D· (-189.76· + 559.51· – 639.09 · ) …

+ D· (356.1· – 100.42· + 13.629 · П_Q(р) + 0.0661)

b_к.р = 1.527 м

b_к.макс := D· (-189.76· + 559.51· – 639.09· ) …

+ D· (356.1· – 100.42· + 13.629 ·П_Q(макс) + 0.0661)

b_к.макс = 1.542 м.

4.2 Определяем подпертую глубину H

По табл.5 находим коэффициент расхода m: = 0.33

5. Находим возвышение бровки полотна над подпертым уровнем ∆_бп

∆_бп.р: = H_нас – H_р ∆_бп.р = 2.25 м

∆_{бп.макс}: = H_нас – H_макс ∆_{бп.макс} = 2.058 м

Так как ∆_бп > 1.0 м - требования технических условий выдержаны.

6. Вычисляем скорость потока на выходе из гофрированной трубы с учетом ее возможной зарядки

V_вых.р:= V_вых(i_т,D,П_Q(р)) V_вых.р:= 4.303 м/с

V_{вых.макс}:= V_вых(i_т,D,П_Q(макс)) V_{вых.макс}:= 4.463 м/с

Принимаем наибольшее значение

7. Находим глубину потока на выходе из гофрированной трубы с учетом ее возможной зарядки

h_вых.р:= h_вых(i_т,D,П_Q(р)) h_вых.р:= 0.435 м

h_{вых.макс}:= h_вых(i_т,D,П_Q(макс)) h_{вых.макс}:= 0.53 м

8. Расчет нижнего бьефа дорожной трубы. Определение глубины размыва и назначение типа укрепления [4]

При расчете размыва за водопропускным сооружением предварительно назначают тип укрепления отводящего русла. На рис. 5 представлены семь типов укреплений.

На рис. 6 представлены укрепления (тип 8 и 9), разработанные в МИИТе. В них используются активные средства гашения энергии потока (гасители в виде шашек и растекатели, устанавливаемые на рисберме укрепления), что значительно уменьшает размывы в нижнем бьефе и полностью исключает боковые подмывы насыпи.

Назначение типа укрепления производится по величинам скоростей на выходе из дорожных труб по табл.3, в которой приводятся значения максимальных допускаемых (неразмывающих) средних скоростей течения воды для укрепленных русел в м/с.

В соответствии со значениями глубины и скорости на выходе из трубы принимаем материал укрепления № 4, табл. 3.

Однако, окончательное решение по назначению типа укрепления и глубины заложения предохранительного откоса или вертикального уступа возможно после определения максимальной глубины размыва, которую рассчитывают двумя способами.

Первый способ

где h_вых - глубина потока на выходе из трубы;

L_макс - расстояние от сооружения до створа с максимальным размывом;

L_рисб - длина рисбермы;

k - коэффициент, учитывающий ширину укрепления.

В соответствии с [4]:

k = 0.3

где укрепления типов 7, 8, 9 – рекомендуемые типы укреплений МИИТ. Тип 7 – укрепление без гасителей и растекателей потока состоит из короткой рисбермы (1), рис. 6, водобойного ковша (2), у которого один откос (предохранительный) является неразмываемым, а три других сложены естественным грунтом. Все откосы имеют крутизну 1:1.5. В водобойном ковше рекомендуется применять каменную наброску (5) со средним диаметром d_ср = 0.2 – 0.3 м. Тип 8 – сочетание 7 типа укрепления и двух рядов растекателей. Тип 9 – сочетание типа 8 с двумя рядами гасителей. В 8 и 9 типы укреплений входят гасители (3) и растекатели (4) потока. Длина растекателей равна длине рисбермы укрепления, а размеры гасителей приведены на рис.6. Укрепления типов 7, 8, 9 рекомендованы для водопропускных труб (прямоугольных и круглых), поэтому для круглых труб размеры отдельных элементов укреплений выражены величинами, в которые входит диаметр. Что касается прямоугольных труб, то вместо диаметра необходимо подставлять величину отверстия трубы b.

Таким образом, в нашем случае

U = 5.5

h_р = 0.47 м

Второй способ

где A₀ – коэффициент, учитывающий число отверстий сооружения:

A₀₁ := 1.00 – для одноочковых труб;

A₀₂ := 1.05 – для двухочковых труб;

A₀₃ := 1.15 – для трехочковых труб;

μ := 2.5 – коэффициент увеличения расхода за счет водоворотных масс воды;

A := 0.5 – коэффициент, зависящий от кинематики потока в воронке размыва;

d – диаметр твердых частиц, мм;

b_ог – ширина водного потока при выходе из оголовка трубы, b_ог:= 1.8·D;

γ_тв:= 2.65·10⁴ Н/м³ – удельный вес твердого материала, составляющего дно;

γ:= 10⁴ Н/м³ - удельный вес воды.

При d:= 0.62 мм

Таким образом, глубина заложения предохранительного откоса должна быть не менее

Далее определяем основные размеры укрепления:

D = 2.0 м

Ширина потока на выходе из оголовка трубы

B₁ := 1.8 ·D B₁ := 3.6 м

Длина рисбермы вдоль течения L_рб:=1.5·D L_рб = 3м

В нижнем бьефе гофрированной трубы без оголовка с вертикальным срезом, как в нашем примере, происходит растекание потока. При угле растекания в α_р = 20⁰

sin 20⁰ := 0.342

Тогда ширина рисбермы B_рб:= 1.8·D + 2·L_рб·0.342 B_рб= 5.652

В том случае, если студенту будет задан иной тип оголовка трубы, необходимо внести соответствующие коррективы в расчет. В том числе, ширину рисбермы определять аналогично рассмотренному случаю, но со своим значением α_р, заданным преподавателем.

Длина водобойного ковша вдоль течения

L_к:= 2·1.5·(h_раз+0.5)·D L_к= 5.436

Ширина водобойного ковша B_к:= 7·D B_к = 14м