64

Лабораторная работа № 4 Определение диаметра и разработка конструкции водопропускной круглой трубы

Цель работы: Изучить гидравлический расчет водопропускных труб, приобрести навыки выбора конструкции трубы и типа укрепления русла, установления минимально допустимой рабочей отметки насыпи у трубы.

Оборудование: микрокалькулятор.

Определение диаметра и разработка конструкции водопропускной круглой трубы

Основным параметром искусственных сооружений является отверстие. Трубы по форме отверстия бывают: круглые, прямоугольные, сводчатые, овоидальные, в зависимости от применяемых материалов: железобетонные и металлические, по количеству труб в одном сооружении: одно-, двух-, трех- и четырехочковые; по конструкции: фундаментные и бесфундаментные. Наиболее распространены прямоугольные и круглые железобетонные трубы. Овоидальные трубы, собираемые из металлических гофрированных элементов, используются для организации скотопрогонов и пешеходных тоннелей. Круглая железобетонная труба показана на рис. 4.1 (разрез по продольной оси трубы). Отверстие прямоугольной трубы – наибольшая ширина внутреннего поперечного сечения потока, для круглых труб – внутренний диаметр .

Конструкции труб должны отвечать требованиям СНиП 2.05.03-84*.

1 – насыпь; 2 – дорожная одежда;

3 – звено тела трубы (железобетонное кольцо); 4 – оголовок; 5 – фундамент;

6 – укрепление русла

Рис. 4.1 Круглая железобетонная труба (разрез по продольной оси)

Железобетонные водопропускные круглые трубы на дорогах собирают из элементов заводского изготовления: круглых (нормальных) и конических звеньев, диаметры круглых звеньев (м): 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0. Для сопряжения с откосами земляного полотна и создания условий для нормального протекания воды с верховой стороны трубы устанавливают входные, а с низовой – выходные оголовки. При диаметре труб 0,5; 0,75 и 1,0 м применяют портальные, а при диаметре 1,25 м и выше предусматривают раструбные, воротниковые или обтекаемые оголовки. Обтекаемые оголовки обеспечивают лучшие условия входа потока в трубу, однако они более трудоемки при изготовлении. Круглые трубы устраивают с нормальным звеном на входе и выходе при диаметре труб до 1,25 м включительно и с коническим звеном на входе и выходе при диаметрах труб 1 м и более.

Отверстия трубы обычно назначают не менее 1 м при ее длине без оголовковдо 20 м, а при большей длине не менее 1,25 м. Допускается применение труб отверстием 0,75 м при их длине до 15 м и 0,5 м при длине до 10 м.

Если для пропуска расчетного расхода воды одного отверстия трубы мало, проектируют двух-, трех и четырехочковые трубы, при этом расчетный расход уменьшается соответственно в 2, 3 или 4 раза и по нему определяют гидравлические характеристики труб. Более 4 очков у круглых труб назначать невыгодно. При проектировании дороги необходимо стремиться к выбору однотипного сечения труб.

Пропускную способность труб (м³/с) рассчитывают с учетом режима протекания в них воды.

Различают три режима протекания воды в трубах:

– безнапорный, когда подпор меньше высоты входного отверстия трубына входе или превышает его не более чем на 20 % (), на всем протяжении трубы поток воды имеет свободную поверхность;

– полунапорный, образующийся при обычных оголовках (портальных и раструбных), когда подпор превышает высоту трубы при входена 20 % и более (), на входе работает полное сечение трубы, а на всем остальном протяжении поток имеет свободную поверхность;

– напорный, который устраивается при использовании специальных обтекаемых оголовков конической формы, при подтоплении верха трубы на входе 40 % и более () и уклоне трубыне превышающем уклон трения(), труба работает полным сечением без отрыва потока от потолка трубы на своем протяжении и только на выходе поток может отрываться от потолка трубы.

Величина подпора рассчитывается в зависимости от принятой скорости протекания воды в сооружении(м/с) по формуле

, (4.1)

где – ускорение свободного падения, м/с².

Не рекомендуется применять напорные тубы с отверстиями, превышающими 1,5 м из-за большой разрушительной силы выходящего потока воды. Вообще следует отдавать предпочтение трубам, работающим в безнапорном режиме.

Необходимое отверстие трубы подбирается таким образом, чтобы пропускная способность трубы была бы не менее расчетного расхода, то есть. Окончательно конструкция трубы принимается на основе технико-экономического сравнения выбранных вариантов. Если аккумуляция стока не учитывается, то требуется установить пропускную способность нескольких конструкций труби сравнить ее с расчетным расходом, а потом сравнить между собой варианты, для которых.

Пропускная способность труб рассчитывается по формулам:

а) при безнапорном и полунапорном режимах

; (4.2)

б) при напорном режиме

, (4.3)

где – коэффициент скорости, зависящий от конструкции оголовка, для обтекаемых оголовков 0,95, для всех остальных 0,85;

– площадь сжатого сечения потока в трубе, м²;

– глубина потока в сжатом сечении, м;

– площадь поперечного сечения трубы, м²;

– высота сечения трубы, м;

– длина трубы, м.

Для круглых труб:

;. (4.4)

При безнапорном режиме:

;. (4.5)

При полунапорном режиме:

;. (4.6)

Уклон трения равен

, (4.7)

где – коэффициент шероховатости, равный для бетона 0,017;

– гидравлический радиус трубы, равный отношению площади сечения трубык смоченному периметру, м;

– расходная характеристика целиком заполненной трубы.

Для круглых труб:

;. (4.8)

При диаметре круглых труб 1,25 м и менее , прим.

При выборе конструкции трубы можно пользоваться таблицами гидравлических характеристик типовых круглых труб, по которым устанавливаются значения ,, скорости потока в трубев зависимости от диаметра трубы и режима протекания воды.

Если расход ливневых вод превышает расход талых вод(), то отверстие трубы следует определить с учетом аккумуляции воды перед сооружением. В этом случае удобно применить графоаналитический метод. На графике (см. рис. 4.2) по оси абсцисс откладывают значения пропускной способности, а по оси ординат. Зависимостьотв пределах отношенияот 1 до 3 (допустимый диапазон аккумуляции) выражается отрезком, концы которого имеют следующие координаты:

при;при. (4.9)

где – сбросной расход, м³/с.

Рис. 4.2 Выбор отверстия трубы графоаналитическим методом

На графике рис. 4.2 строятся кривые зависимости для чего рассчитываются значения пропускной способностив зависимости отили устанавливаются по таблицам гидравлических характеристик типовых круглых труб при принятых диаметрах труби вычисляются значенияи, где– количество очков. Точки пересечения кривыхс отрезком дают значения подпораи пропускной способноститруб при принятых диаметрах. Конструкцию трубы выбирают по технико-экономическому сравнению вариантов и ее отверстие проверяют на возможность пропуска расхода талых вод.