4.4. Расчет отверстий труб.

В зависимости от глубины подтопления Н и типа входного оголовка в трубах могут устанавливаться следующие режимы протекания:

безнапорный режим, если подпор Н меньше высоты трубы на входе либо превышает ее не более чем на 20%; на всем протяжении трубы водный поток имеет свободную поверхность (рис. 4.7, а);

полунапорный режим, который возникает при оголовках обычных типов (портальных, раструбных) в тех случаях, когда подпор Н превышает высоту трубы на входе более, чем на 20%; на входе труба работает полным сечением, а на всем остльном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. 4.7, б);

напорный режим, устанавливающийся при специальных входных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы на входе более, чем на 20%, (рис. 4.7, в); на большей части длины труба работает полным сечением и лишь у выхода поток может отрываться от потолка трубы.

Рис.4.7. Режимы работы труб:

а – безнапорный; б – полунапорный; в - напорный

Приближенные расчетные формулы пропускной способности труб соответствуют трем режимам протекания воды в трубах:

1. безнапорный режим (аналогия – водослив с широким порогом)

Q_р = φ_б w_c (4.11)

где -расход воды, проходящий в сооружении, м³ /сек;

h_c - глубина воды в сжатом сечении, м;

w_c-площадь сжатого сечения в трубе, вычисляемая при глубине h_c = 0,5Н, м²;

φ_б - коэффициент скорости, для всех оголовков,кроме обтекемого, φ = 0,83;

Н - подпор воды перед сооружением, м.

h_c =0,9 h_к , (4.12)

h_к =V² /g, (4.13)

где h_к – критическя глубина,

V – скорость воды в трубе.

Для круглых поперечных сечений площдь w_c может быть определена при помощи графика (рис. 4.8), где даны величины w_c /d² = f(h_c ,d) и R/d = f(h_c ,d).

Для прямоугольных поперечных сечений w_c =0,5 bH

Q_c =1,35 bH^3/2 (4.14)

2. полунапорный режим (аналогия – истечение из-под щита)

Q_c = φ_п ε w_т , (4.15)

где h_c - = 0,6 h_т ; h_т – высота вход в трубу.

При обычных значениях φ_п = 0,85 и ε=0,6

Q_c = 0,5 w_т , (4.16)

Полная площадь сечения входа w_т легко вычисляется для прямоугольного и круглого сечений.

Для того чтобы установился полунапорный или напорный режим, уклон трубы і должен находиться в определенном соотношении с уклоном трения і_w , при котором расход Q_c проходит, целиком заполняя поперечное сечение трубы, но без превышения атмосферного давления в верхней точке.

Полунапорный режим и атмосферное давление в сжатом сечении у входа устанавливаются при заполненном входе в трубу и уклоне трубы і > і_w (где і_w = Q_c²/К_о²). Расходная характеристика целиком заполненной трубы К_о = wC√R подсчитывается в зависимости от ее очертания, для круглых труб К_о = 24d^8/3 ;

1. напорный режим (аналогия – истечение из трубопровода)

________________________________________

Q_c = φ_н w_то √2q[(H-h_то) – l(і_w – і)], (4.17)

где w_то , h_то – площадь сечения и высота основного протяжения трубы;

φ_н – коэффициент скорости, для обтекемого оголовка φ_н =0,95; l, і – длина и уклон трубы; і_w – уклон трения.

Напорный режим и работа трубы полным сечением практически на всем протяжении при отсутствии подтопления выхода гарантируются при і < і_w. При этом, глубина воды перед напорной трубой составляет

Q_c²

H = h_то + ----------------- + l(і_w – і) (4.18)

2g φ_н² w²_то

Диаметр трубы для принятой скорости воды в трубе

_________________

d = √4Q_р /πV. (4.19)

На основе расчетных формул пропускной способности труб при разных режимах протекания воды составлены расчетные таблицы и графики пропускной способности типовых круглых (табл.4.11) и прямоугольных (табл.4.12) труб.

Табл. 4.11

Тип оголовка	Диаметр отверстия, м	Расход, м^3/с	Глубина воды перед трубой, м	Скорость на выходе из трубы, м/с	Тип оголовка	Диаметр отверстия, м	Расход, м^3/с	Глубина воды перед трубой, м	Скорость на выходе из трубы, м/с
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Безнапорный режим					Полунапорный режим
Портальный	0,75	0,6	0,62	1,7	Раструбный с нормальным входным звеном	1,0	1,7	1,27	3,6
		0,74	0,90	2,3			2,3	1,89	4,9
Раструбный с нормальным входным звеном	1,0	1,0	0,94	2,4			2,8	2,54	6,0
		1,4	1,15	2,7		1,25	3,0	1,59	4,1
		1,7	1,27	2,7			3,5	2,0	4,8
Раструбный с коническим входным звеном	1,0	1,0	0,84	2,4			4,0	2,38	5,5
		1,7	1,08	2,7			4,4	2,73	6,0
		2,0	1,31	3,3		1,5	4,7	1,91	4,4
		2,2	1,39	3,4			5,2	2,21	4,9
	1,25	1,0	0,77	2,2			5,6	2,42	5,3
		1,5	0,95	2,5			6,0	2,64	5,7
		2,0	1,13	2,7			6,36	2,85	6,0
		2,5	1,29	3,0	Напорный режим
		3,0	1,46	3,3	Раструбный с коническим входным звеном	1,0	3,0	1,66	4,2
		3,5	1,61	3,5			3,5	2,02	5,0
	1,5	2,5	1,19	2,9		1,25	5,0	1,96	4,5
		3,0	1,32	3,0			6,0	2,45	5,4
		3,5	1,45	3,2		1,5	7,0	2,24	4,4
		4,3	1,63	3,5			8,0	2,4	5,0
		5,0	1,81	3,7			8,5	2,58	6,3
		6,0	2,08	4,1		2,0	13,5	2,86	4,9
	2,0	3,5	1,26	2,9			14,5	3,01	5,1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Раструбный с коническим входным звеном	2,0	4,0	1,36	3,0		2,0	16,0	3,11	5,7
		5,0	1,55	3,3			16,5	3,22	5,9
		6,0	1,73	3,5
		7,0	1,9	3,7
		8,0	2,06	3,9
		9,0	2,22	4,1
		10,0	2,38	4,3
		11,0	2,54	4,5
		12,5	2,78	4,8

Табл. 4.12

Отверстие трубы	Режимы
	безнапорный								полунапорный
	Qр, м^3/с	Qн , м^3/с	H, м	hвх , м	hк , м	hсж , м	iк	Vвых , м/с	Qн , м^3/с	H, м	Vвых , м/с
1,5х2,0	6,75	-	1,97	1,66	1,31	1,11	0,007	4,1	8,25	2,30	4,3
	-	7,5	2,12	-	1,41	1,19	0,007	4,2	13,5	3,99	7,1
2,0х2,0	9,00	-	1,97	1,66	1,31	1,11	0,007	4,1	11,0	2,30	4,3
	-	10,0	2,12	-	1,41	1,19	0,007	4,2	16,5	2,3	4,3
3,0х2,0	13,50	-	1,97	1,66	1,31	1,11	0,007	4,1	18,0	3,99	7,1
	-	15,	2,12	-	1,41	1,19	0,007	4,2	27,0	3,99	7,1
2,0х3,0	17,00	-	3,01	2,5	2,01	1,70	0,008	5,0	21,0	3,47	5,5
	-	19,0	3,27	-	2,17	1,82	0,008	5,2	23,6	3,99	6,2
3,0х3,0	25,5	-	3,01	2,5	2,01	1,7	0,008	5,0	31,5	3,47	5,5
	-	28,5	3,27	-	2,17	1,82	0,008	5,2	35,4	3,99	6,2
4,0х3,0	34,0	-	3,01	2,5	2,01	1,7	0,008	5,0	42,0	3,47	5,5
	-	38,0	3,27	-	2,17	1,82	0,008	5,2	47,2	3,99	6,2
5,0х3,0	42,5	-	3,01	2,5	2,01	1,70	0,008	5,0	52,5	3,47	5,5
	-	48,0	3,27	-	2,17	1,82	0,008	5,2	59,0	3,99	6,2
6,3х3,0	51,0	-	3,01	2,5	2,01	1,7	0,008	5,0	63,0	3,47	5,5
	-	57,0	3,27	-	2,17	1,82	0,008	5,2	70,8	3,99	6,2

При выполнении курсового проекта отверстия труб рекомендуется подбирать по табл.4.11 - 4.12, а для одной из труб, по принятой скорости течения воды в трубе, выполнить проверочный расчет.

По результатам расчета составляют ведомость искусственных сооружений (табл. 4.13).

Табл.4.13

Ведомость искусственных сооружений

№	ПК +	F, км^2	Qл, м^3/с	Qс, м^3/с	Qт, м^3/с	Qр,м^3/с	Отверстие	H, м	Vвых м/с	Ннас м	Lтр м
Вариант № 1
Вариант № 2