Дорожные водопроводящие сооружения. Гидравлический расчет

Малые каналы дорожного и аэродромного водоотвода целесообразно проектировать с  гидравлически наивыгоднейшим сечением.

Для трапецеидального канала гидравлически наивыгоднейшего  сечения относительная ширина β_гн=b/h определяется по формуле

                                             (2.16)

 

 

 

При заданной площади живого сечения ω и уклона i₀ расход Q₀ , средняя скорость течения V, гидравлический радиус R будут наибольшими, а смоченный периметр χ— наименьшим. Гидравлический радиус трапецеидального канала при этом равен R_гн=h/2, т.е. равен половине глубине канала.

Графоаналитический способ для определения гидравлически наивыгоднейшего сечения, т.е.  h_гн и  b_гн .

Таблица 2.3

h
h1	0,9	0,55	1,71	0,45	33,02	1,69
h2	1,0	0,61	2,11	0,50	34,87	2,33
h3	1,1	0,67	2,55	0,55	34,65	2,94

Q₀ = 2,9 м³/с

h_гн =1,09 м (по рис. 3)

                                                 (2.17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3

 

 

2.1.5. Определение  скорости течения в канале

 

Средняя скорость по живому сечению в канале, м/с, υ определяется из формулы

                                                        (2.18)

где ω — площадь живого сечения, в котором необходимо определить скорость.

Как правило, скорость необходимо знать, чтобы выяснить, является она размывающей или  нет.

 

Вывод: дополнительного укрепления не требуется, так как при m=1,5 – грунт песчано-гравелистый, допускаемая скорость которого , при n=0,025 – габионовая кладка, допускаемая скорость которого

 

2.2. Быстроток

 

При значительных расходах воды, больших уклонах и  наличии в воде твёрдых включений  при благоприятных геологических  условиях, обеспечивающих устойчивое положение круто наклоненного лотка, наиболее целесообразны быстротоки.

Быстротоком называют искусственное сооружение (русло) с уклоном больше критического ( i₀> i_k).

Гидравлический  расчёт быстротока сводится к расчёту  входной части, лотка быстротока (водоската) и выходного участка.

Уклон для  входного участка принимают равным уклону дна подводящего канала. Глубина  в конце входной части (на изломе) h_изл принимается равной критической h_к.

При высоких  скоростях течения на быстротоке поток захватывает пузырьки воздуха, и в результате этого образуется водно-воздушная смесь. Это явление (аэрации) приводит к увеличению глубин, что необходимо учитывать в расчётах. Коэффициент шероховатости стенок и дна канала для аэрированного  потока n_а приближённо определяется по формуле

                                                    (2.19)

где а — коэффициент аэрации, зависит от значения уклона быстротока i₀ :

 

Таблица 2.4

а	1,33	1,33-2,00	2,00-3,33
i0	0,1-0,2	0,2-0,4	0,4-0,6

 

2.2.1. Определение критической  глубины

 

Для прямоугольного сечения (m=0) h_к можно определить по формуле

                                                  (2.20)

где q — удельный расход , м²/с,

                                                         (2.21)

где b — ширина лотка быстротока, принятая равной ширине понизу в подводящем канале.

 

2.2.2. Определение  критического уклона

 

 

2.2.3. Определение  нормальной глубины

 

м³/с

          Таблица  2.5

Расчётные формулы	Ед.изм.	Назначаемые и определяемые величины
		h1	h2	h3
h	м	0,2	0,40	0,60
	м2	0,2	0,40	0,60
	м	1,40	1,80	2,20
	м	0,14	0,22	0,27
	м0,5/с	34,83	36,92	37,73
	м3/с	2,61	7,19	12,46

(по рис. 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4

 

Вывод: на быстротоке нормальная глубина меньше критической глубины < , заданный уклон сооружения больше критического уклона > , следовательно, состояние потока бурное.

 

2.2.4. Расчёт кривой свободной  поверхности на быстротоке

 

Метод В.И. Чарномского расчёта кривой свободной поверхности на водоскате быстротока.

1) h_n - последняя глубина на быстротоке принимается на 5% больше нормальной глубины, т.е. Промежуточные глубины рекомендуется задавать с интервалом 0,1 м;

2) т.к. Лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m=0;

3) т.к. Лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m=0;

4)

5) где R_n  и R_n+1 — гидравлические радиусы, соответствующие соседним глубинам;

6) где n_a — коэффициент шероховатости с учётом аэрации потока;

7) где С_n  и С_n+1 — коэффициенты Шези, соответствующие соседним глубинам;

8) где Q₀ — заданный расход воды, поступающий из подводящего канала;

9) де υ_n  и υ_n+1 — соседние скорости в соседних сечениях;

10)

11) где Э — удельная энергия соответствующих сечений;

12) где Э_n  и Э_n+1 — удельные энергии соседних сечений, причём в последующем сечении для данного типа кривой спада удельная энергия сечения больше, чем в предыдущем;

13)

14) l₁=0, т.к. Расчёт кривой свободной поверхности начинается с точки излома дна; последующие числовые значения длин l₂,l₃,... определяются путём наращивания, а именно: l₂=l₁+Δl₁,  l₃=l₂+Δl₂ и т.д.

Таблица 2.6

1		2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
	0,98	0,98	2,96	0,33		42,17		2,96			1,47			0
					0,325		42,04		3,09	0,017		0,01	0,097
	0,90	0,90	2,80	0,32		41,91		3,22			1,48			0,097
					0,315		41,78		3,43	0,021		0,06	0,61
	0,80	0,80	2,60	0,31		41,64		3,63			1,54			0,707
					0,30		41,37		3,89	0,030		0,12	1,33
	0,70	0,70	2,40	0,29		41,09		4,14			1,66			2,037
					0,28		40,80		4,49	0,043		0,25	3,25
	0,60	0,60	2,20	0,27		40,51		4,83			1,91			5,29
					0,255		40,04		5,50	0,074		0,69	15,00
	0,47	0,47	1,94	0,24		39,56		6,17			2,60			20,29

 

2.2.5. Построение кривой свободной  поверхности на водоскате быстротока

 

Кривая  свободной поверхности строится в виде графика с вертикальной осью глубин и горизонтальной осью длин.

На графике  обязательно указываются линии  критических К-К и нормальных N-N глубин. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

 

2.3. Отводящий канал

Для защиты от размыва низового откоса земляного  полотна дороги и выходной части  водопропускного сооружения часто  устраивают водоотводные искусственные  русла, по своей конструкции, мало отличающиеся от подходных русел. Вода, выходящая  из отверстия сооружения, часто обладает ещё большей энергией, т.е. Повышенной против его естественного состояния  разрушительной силой. Если не предусмотреть  специальных мер, отводные русла  на выходе из сооружения сильно размываются, что иногда приводит к авариям  сооружений.

Мерами  против размывов водоотводных русел, т.е. Способами гашения энергии водного  потока, являются: непрерывное рассеивание  энергии потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии  потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.

Известно  много различных способов гашения  энергии потока. Наиболее распространенные из них:

1. усиленное перемешивание (этот принцип используется при устройстве повышенной шероховатости поперечных расщепляющих балок, зубчатых порогов);
2. соударение свободных струй в атмосфере;
3. рассеивание энергии в вальцах гидравлического прыжка;
4. сосредоточенное гашение энергии в замкнутом блоке – напорные гасители;
5. отброс струи от сооружения с одновременным их расщеплением и аэрацией (этот принцип реализуется в рассеивающих трамплинах);
6. силовое воздействие на поток в направлении, противоположном течению, путем установки различных препятствий: порогов, шашек, пирсов и т.п.

 

 

 

2.3.1. Определение гидравлических  характеристик потока

 

Определение нормальной глубины 

м³/с

(по рис. 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6

Определение критической глубины 

=

Определение критического уклона

=

 

Вывод: в отводящем канале нормальная глубина больше критической глубины > , заданный уклон сооружения меньше критического уклона < ; состояние потока спокойное.

При смене  уклонов  на возникает гидравлический прыжок.

 

2.3.2. Расчёт гидравлического прыжка

 

Явление скачкообразного перехода бурного  потока с глубиной меньше критической  в спокойное состояние с  глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком.

Расчёт  гидравлического прыжка сводится к  определению его характеристик: - первой сопряжённой глубины, - второй сопряжённой глубины, - длины гидравлического прыжка.

1. Определить сжатую глубину методом последовательного приближения:

                                                (2.23)

где q — удельный расход;

                                                           (2.24)

φ — коэффициент скорости, φ=0,9; - энергия, с которой поток приходит в отводящий канал, , т.е. Энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:

                                                 (2.25)

где - глубина на конце быстротока, определённая по кривой свободной поверхности при длине l, указанной в исходных данных; - скорость на конце быстротока, определяемая по формуле:

                                                    (2.26)

а) в первом приближении не учитывается  в знаменателе. Тогда

                                                (2.27)

м²/с

м/с

б) во втором приближении учитывается  в знаменателе:

в) в третьем  приближении учитывается  в знаменателе:

2. Рекомендуется за первую сопряжённую глубину принять глубину равную сжатой:

                                                       (2.28)

3. Определить вторую сопряжённую глубину по формуле:

                                        (2.29)

4. Вывод: =< - гидравлический прыжок затоплен (подпёртый).

1,0<1,01м.

Установление  гасителя энергии не требуется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7

 

3. УКРЕПЛЕНИЕ РУСЕЛ

 

При изменении уклонов, на входном  и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев  превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях требуется  устройство укрепления русла. Размеры  и тип укрепления назначают на основании гидравлических расчетов исходя из условия свободного растекания потока на плоском дне. Исходными  данными для определения размеров укрепления служат глубина и скорость потока на данных участках, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон  русла.