2. Проект выемки.
2.1. Проектирование нагорной канавы и ее укрепления
при заданных уклонах продольного профиля по оси канавы и расхода воды.
Нагорные канавы предназначены для перехвата поступающей из прилегающего водосборного бассейна поверхностной воды на подходе к выемке и последующего ее отвода к ближайшему водопропускному сооружению во избежание размыва откосов и балластной призмы.
При проектировании канав необходимо выполнять следующие условия:
- канава должна без переполнения пропускать весь расчетный расход воды. Чтобы канава не переполнялась, ее сечению придается запас по глубине не менее 0,20 метра;
- строительные расходы должны быть небольшими;
- эксплуатационные расходы (содержание и ремонт) должны быть минимальными;
Для выполнения этих условий необходимо, чтобы:
;
(2.1.1)
,
(2.1.2)
где:
и
- допускаемые скорости воды в канаве
соответственно по
условиям размыва и заиливания.
Значение
зависит от рода грунта (если канава без
крепления) или от типа крепления канавы,
а также от глубины воды в канаве.
[
]раз=0,9м/с
- для дернового покрытия, [
]разм=2
м/с - для мощения, [
]разм=5
м/с – для бетонных креплений.
Принимаются
значения
=0,25
м/с при илистых и
=0,05
м/с - при мелкопесчаных взвесях. С этой
точки зрения минимальные уклоны дна
канав
должны быть
imin
0,003,
а в затруднительных случаях imin
0,002.
Проектирование канав ведется по участкам при соблюдении всех требова-ний. При их выполнении для каждого участка расчетом подбирается такое сече-ние канавы и такой уклон дна, при которых фактический (заданный) расход воды Qф отличался бы от расчетного Qр не более, чем на 5%, т.е.
,
(2.1.3)
Если отличие больше, чем на 5% , то увеличиваем высоту нагорной канавы или меняем тип укрепления откосов.
Расчетный расход определяется по формуле:
,
(2.1.4)
где:
- площадь живого сечения канавы;
- скорость воды.
Площадь живого сечения определяется по формуле:
,
(2.1.5)
где: b - ширина канавы по дну;
m - показатель крутизны откоса;
h - глубина живого сечения.
Смоченный периметр определяется по формуле:
.
(2.1.6)
Гидравлический радиус определяется по формуле:
.
(2.1.7)
Коэффициент Шези определяется по формуле:
.
(2.1.8)
Показатель степени y в зависимости от значения гидравлического радиуса R определяется по формуле:
- при R
1 м,
(2.1.9)
- при R
> 1 м,
.
(2.1.10)
где n - коэффициент шероховатости дна и откосов канавы.
Численные значения
равны:
Средняя скорость потока при равномерном движении определяется как:
,
(2.1.11)
где: iдн – уклон дна канавы.
,
(2.1.12)
где:
-
уклон местности;
Н1 и Н2 – полная глубина канавы, соответственно сечения 1 и 2;
L – протяженность i-го участка.
Расчет канавы ведется по отдельным участкам в сечениях 1, 2 и 3.
Выбор укрепления откосов на участке 1 и определение размеров поперечного сечения канавы в сечении 1.
1-е приближение:
Принятое крепление откосов – одерновка (1/n = 30).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по дну
м,
тогда глубина воды в канаве согласно
требованиям будет составлять 0,4 м.
Следовательно, уклон дна канавы равен уклону местности, iдн = 5‰
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 0,69 < 0.9 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
58% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды значительно меньше заданного, то целее-сообразнее будет изменение крепления откосов канавы, нежели размеров его поперечного сечения.
2-е приближение:
Принятое крепление откосов – мощение камнем (1/n = 45).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по дну
м,
тогда глубина воды в канаве согласно
требованиям будет составлять 0,4 м.
Следовательно, уклон дна канавы равен уклону местности, iдн = 5‰
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 1,12 < 2,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
31% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды не значительно меньше заданного, то це-лесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы, нежели крепления его откосов.
3-е приближение:
Принятое крепление откосов – мощение камнем (1/n = 45).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по дну
м,
тогда глубина воды в канаве согласно
требованиям будет составлять 0,45 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 1,26 < 2,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
7,7% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды меньше заданного, то целесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы.
4-е приближение:
Принятое крепление откосов – мощение камнем (1/n = 45).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по дну
м,
тогда глубина воды в канаве согласно
требованиям будет составлять 0,46 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 1,29 < 2,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
2.6% < 5% - условие выполняется.
Так как проверка выполняется, то крепление откосов (мощение камнем) и размеры поперечного сечения (Н = 0,66 м, в = 0,6 м, h = 0,46 м) подобраны, верно.
Выбор укрепления откосов на участке 2 и определение размеров поперечного сечения канавы в сечении 2.
1-е приближение:
Принятое крепление откосов – мощение камнем (1/n = 45).
Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям - 0,4 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 1,43 < 2,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
55% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды значительно меньше заданного, то целее-сообразнее будет изменение крепления откосов канавы, нежели размеров его поперечного сечения.
2-е приближение:
Принятое крепление откосов – бетонное (1/n = 65).
Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям - 0,4 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 2,18 < 5,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
33% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды меньше заданного, то целесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы.
3-е приближение:
Принятое крепление откосов – бетонное (1/n = 65).
Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям - 0,46 м.
Следовательно, уклон дна канавы равен уклону местности, iдн = 9‰.
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 1,29 < 2,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
7,1% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды меньше заданного, то целесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы.
4-е приближение:
Принятое крепление откосов – бетонное (1/n = 65).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по дну
м,
глубина воды в канаве согласно требованиям
- 0,48 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 2,55 < 5,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
3,2% < 5% - условие выполняется.
Так как проверка выполняется, то крепление откосов (бетонное) и размеры поперечного сечения (Н = 0,68 м, в = 0,6 м, h = 0,48 м) подобраны, верно.
Выбор укрепления откосов на участке 3 и определение размеров поперечного сечения канавы в сечении 3.
1-е приближение:
Принятое крепление откосов – бетонное (1/n = 65).
Принимаем, что полная глубина канавы м, ширина канавы по дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям - 0,48 м.
Следовательно, уклон дна канавы равен уклону местности, iдн = 17‰.
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 3,45 < 5,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
18% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды меньше заданного, то целесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы.
2-е приближение:
Принятое крепление откосов – бетонное (1/n = 65).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по дну
м,
глубина воды в канаве согласно требованиям
- 0,5 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 3,6 < 5,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
7,2% > 5% - условие не выполняется.
Так как расчетный расход воды меньше заданного, то целесообразнее будет изменение размеров поперечного сечения канавы.
3-е приближение:
Принятое крепление откосов – бетонное (1/n = 65).
Принимаем, что
полная глубина канавы
м,
ширина канавы по
дну м, глубина воды в канаве согласно требованиям - 0,52 м.
Определение уклона дна канавы по формуле 2.1.12
Определение площади живого сечения канавы по формуле 2.1.5
м2.
Определение смоченного периметра по формуле 2.1.6
м.
Определение гидравлического радиуса по формуле 2.1.7
м.
Так как R<1, то показатель степени определяется по формуле 2.1.9
.
Определение коэффициента Шези по формуле 2.1.8
Определение средней скорости потока при равномерном движении по формуле 2.1.11
м/с.
Условие неразмываемости откосов канавы выполняется, так как средняя скорость потока не превышает допускаемые скорости воды в канаве по условию размыва , т.е. . 3,7 < 5,0 м/с.
Определение расчетного расхода по формуле 2.1.4
м3/с.
Проверка правильности выбора крепления откосов канавы, размеров по-
перечного сечения и уклона дна канавы осуществляется по формуле 2.1.3
,
0,8% < 5% - условие выполняется.
Так как проверка выполняется, то крепление откосов (бетонное) и размеры поперечного сечения (Н = 0,72 м, в = 0,6 м, h = 0,52 м) подобраны, верно.
Продольный профиль канавы см. прил.5.