Из года в год расширяется строительство автомобильных дорог в различных регионах нашей страны, отличающихся климатическими, рельефными и гидрологическими особенностями. Современная автомобильная дорога представляет собой сложное инженерное сооружение, предназначенное для интенсивного движения транспортных средств с большими скоростями при обеспечении безопасности движения. Для этого при проектировании автомобильных дорог большое внимание уделяют вопросам обеспечения устойчивости земляного полотна, необходимым условием которого является организация водоотводных и водопропускных сооружений.
Цель работы — получение навыков по гидравлическим расчетам.
1. Исходные данные
Вариант № 3/9
- расход, м 3 /с =4,3
- ширина канала по низу, м = 2,2
- уклон подводящего канала =0,001
- уклон быстротока =0,15
- уклон отводящего канала =0,0036
- длина быстротока, м =10
- высота перепада, м =2,5
- коэффициент заложения откоса канала =3,0
- коэффициент шероховатости стенок канала =0,0250
быстроток, перепад и гаситель энергии — прямоугольной формы
материал стенок — бетон (n = 0,014)
длина каналов не ограничена
2. Гидравлический расчет водопроводящих сооружений
2.1 Подводящий канал
Устройство подводящего канала необходимо для принятия вод, стекающих по склонам к логу, и подведения к трубе, мосту или быстротоку. Искусственные подходные русла должны обеспечивать пропуск всего расхода без их переполнения.
Расчет подводящего канала сводится к определению нормальной и критической глубины, критического уклона, анализа состояния потока, определению средней скорости и обоснованию укрепления русла. Кроме этого производиться расчет гидравлически наивыгоднейшего профиля канала. Все величины определяются двумя методами, для проверки правильности. [1].
2.1.1 Определение нормальной глубины
Нормальная глубина — это такая глубина, которая при заданном расходе установилась бы в русле, если в этом русле движение было бы равномерным.
Основная расчетная формула — формула Шези: [1].
, (2.1)
где -площадь живого сечения, м 2 ;
C — коэффициент Шези, м 0,5 /с;
Расчет технологической карты механизации процесса приготовления ...
... с помещением для плющения зерна, что повышает эффективность применения механизации и уменьшения потерь. 1.3 Выбор и расчет способа приготовления и раздачи кормов, машин и оборудования Технология приготовления кормов зависит от ... периодов, (tл =155 дней, tз = 210 дней). К — коэффициент, учитывающий потери кормов во время хранения и транспортировки, К = 1.01 — концкорма; К = 1 .03 -ККП; ...
- R — гидравлический радиус, м;
- уклон канала.
Для трапецеидального сечения (рис. 1):
, (2.2)
где h — глубина канала, м.
Рис. 1. Поперечное сечение подводящего канала
Категория грунта (=3,0) — мелкозернистые песчаные грунты. Характеристика поверхности (=0,0250) — габионовая кладка.
Таблица 1. Определение расходных характеристик
|
Расчетные формулы |
Ед. изм. |
Назначаемые и определяемые величины |
|||||
|
м |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1 |
||
|
м 2 |
2,4 |
3,01 |
3,68 |
3,92 |
5,2 |
||
|
м |
5,99 |
6,62 |
7,26 |
7,89 |
8,52 |
||
|
м |
0,40 |
0,45 |
0,51 |
0,5 |
0,61 |
||
|
м 0,5 /с |
32,1 |
33,10 |
34,10 |
33,94 |
35,58 |
||
|
м 3 /с |
48,7 |
66,83 |
89,62 |
94,07 |
114,5 |
||
Приближенно по Н.Н. Павловскому:
- при R < 1,0 (2.3)
Гидравлический радиус в общем случае определяется по формуле
, (2.4)
где — смоченный периметр, м, и для трапецеидального русла может быть определен:
(2.5)
Расходная характеристика (модуль расхода):
, м 3 /с. (2.6)
Графоаналитический метод определения нормальной глубины:
м 3 /с (расходная характеристика, соответствующая нормальной глубине)
График
По графику определяем, что
В качестве второго метода определения нормальной глубины используем метод проф. Б.А. Бахметева:[2].
1) задаем две произвольно выбранные глубины h 1 = 0,9 м, h2 = 1,0 м и вычисляем для этих глубин К1 и К2 . Из таблицы 1 К1 = 94,07 м3 /с, К2 = 114,5 м3 /с.
2) из соотношения:
- (2.7)
находим гидравлический показатель русла:
- (2.8)
Если предположить, что h 2 =h0 , a K2 = K0 , то можно написать равенство:
- (2.9)
Зададим значение: h 1 = 0,9 м из Таблицы 1 К1 = 94,07м3 /с.
= = м 3 /с, Х = 3,731
м
Вывод: по результатам определения нормальной глубины двумя способами для дальнейшего расчета принимаем .
2.1.2 Определение критической глубины
Критической глубиной называется глубина, отвечающая минимуму удельной энергии сечения.
Уравнение критического состояния потока
, (2.10)
где — ускорение свободного падения, м/с 2 ;
- площадь живого сечения при критической глубине, м 2 ;
- ширина канала поверху при критической глубине, м;
=1,1 (для дорожно-мостового и аэродромного строительства)
(2.11)
Рис. 2. Поперечное сечение подводящего канала
Определение критической глубины методом подбора.
(2.12)
Таблица 2. Определение величин
|
, м |
, м 2 |
, м |
, м 5 |
|
|
0,6 |
2,40 |
5,80 |
2,38 |
|
|
0,7 |
3,01 |
6,40 |
4,23 |
|
|
0,8 |
3,68 |
7,00 |
7,12 |
|
|
0,9 |
3,92 |
7,60 |
7,93 |
|
|
1 |
5,20 |
8,20 |
17,15 |
|
График
По графику определяем м
В качестве второго метода определения критической глубины используем метод проф. И.И. Агроскина [5].
вычислю критическую глубину h к для условного прямоугольного русла с шириной b, равной по дну этого канала по формуле:
(2.13)
2) Нахожу значения величины у п по формуле:
(2.14)
3) вычисляю исходную критическую глубину трапецеидального канала по формуле:
(2.15)
Вывод: по результатам определения критической глубины двумя способами для дальнейшего расчета принимаем .
2.1.3 Определение критического уклона
Критическим уклоном называется такой уклон, при котором заданный расход Q 0 проходит по каналу в условиях равномерного движения с глубиной, равной hk , т.е. при соблюдении равенства:
а) (2.16)
(2.17)
(2.18)
б) (2.19)
<
- > — спокойное состояние потока
2.1.4 Расчет канала гидравлически наивыгоднейшего профиля (поперечного сечения)
Гидравлически наивыгоднейшим профилем (ГНП) называется такой, у которого при заданной площади поперечного сечения щ, уклоне i 0 , шероховатости и коэффициенте заложения откоса пропускная способность оказывается наибольшей.[2].
Графоаналитический способ.
(2.18)
Таблица 3. Определение расходов
|
, м |
,м |
, м 2 |
,м |
, м 0,5 /с |
, м 3 /с |
|
|
0,8 |
0,26 |
2,128 |
0,4 |
32,19 |
1,37 |
|
|
0,9 |
0,29 |
2,72 |
0,45 |
33,103 |
1,91 |
|
|
1 |
0,33 |
3,32 |
0,5 |
33,94 |
2,52 |
|
|
1,2 |
0.39 |
4,79 |
0,6 |
35,44 |
4,16 |
|
|
1,3 |
0,42 |
5,62 |
0,65 |
36,12 |
5,17 |
|
График
Рис. 3. ГНП и поперечное сечение подводящего канала для заданной ширины по низу с вычисленной нормальной глубиной
По графику определяем м
(2.19)
тогдам
2.1.5 Определение скорости течения в канале
м/с — габионовая кладка
м/с — мелкозернистые песчаные грунты. [1].
м/с (2.20)
(2.21)
Вывод: Дополнительное укрепление не требуется.
2.2 Быстроток
Быстротоком называют искусственное сооружение (русло) с уклоном больше критического (>).
1 — входная часть
2 — лоток быстротока (водоскат)
3 — выходной участок
Рис. 4. Схема быстротока
При высоких скоростях течения на быстротоке поток захватывает пузырьки воздуха, и в результате этого образуется водно-воздушная смесь. Это явление (аэрация) приводит к увеличению глубин, что необходимо учитывать в расчетах. [1].
- уклон входного участка
; — для бетонных быстротоков прямоугольного сечения
- коэффициент аэрации (зависит от уклона быстротока)
- коэффициент шероховатости стенок и дна для аэрированных потоков (2.22)
- уклон быстротока
2.2.1 Определение критической глубины
Для прямоугольного сечения (m=0) можно воспользоваться следующей формулой:
, (2.23)
м 2 /c , (2.24)
b — ширина лотка быстротока, принятая равной ширине понизу в подводящем канале.
2.2.2 Определение критического уклона
м
Площадь живого сечения при критической глубине быстротока 0,75 м.
м
< — бурное состояние потока
2.2.3 Определение нормальной глубины
Таблица 4. Определение расходных характеристик
|
Расчетные формулы |
Ед. изм. |
Назначаемые и определяемые величины |
|||
|
м |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
||
|
м 2 |
1,76 |
1,98 |
2,2 |
||
|
м |
3,8 |
4,00 |
4,2 |
||
|
м |
0,463 |
0,495 |
0,524 |
||
|
м 0,5 /с |
45,91 |
46,55 |
47,09 |
||
|
м 3 /с |
54,98 |
64,85 |
74,99 |
||
График
По графику определяем, что — нормальная глубина
Глубина в конце входной части (на изломе) h изл принимается равной критической hк , а при более чем двукратном превышении критической глубины над нормальной глубиной на водоскате , глубина на изломе дна равна .
Сравнивая и , назначаем м.
2.2.4 Расчет кривой свободной поверхности на быстротоке
Исследуя дифференциальное уравнение неравномерного движения в призматических руслах
, (2.25)
где П к — параметр кинетичности,
можно сделать вывод о типе и форме кривой свободной поверхности на быстротоке.
Существует несколько методов расчёта кривой свободной поверхности на водоскате быстротока: Б.А. Бахметева, метод акад. Н.Н. Павловского и другие. В практике дорожно-мостового и аэродромного строительства приходится решать задачи по расчёту неравномерного плавноизменяющегося движения воды не только в призматических руслах, но и на непризматических участках каналов. Поэтому используется универсальный метод конечных разностей В.И. Чарномского.
Метод В.И. Чарномского заключается в следующем: зная глубину в одном из сечений канала, например глубину на изломе дна подводящего канала и лотка быстротока h n = hизл , задаёмся значением глубины в соседнем сечении и находим искомое расстояние Дl между двумя соседними сечениями с известными глубинами по уравнению:
, (2.26)
где ДЭ — изменение удельной энергии сечения в пределах выбранного участка;
i тр — уклон трения (среднее значение гидравлического уклона в пределах рассматриваемого участка).[2].
Рис. 5
1) =*0.8=0,75*0,8=0,6 м;
- последняя глубина на быстротоке принимается на 5% больше нормальной глубины, т.е. ;
- промежуточные глубины рекомендуется задавать с интервалом 0.1 м, опираясь на удобные при последующем построении числовые значения глубин.
2) , т.к. лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m = 0;
3) , т.к. лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m = 0;
4)
5) , (2.27)
где — гидравлические радиусы, соответствующие соседним глубинам;
6) ,
где n a — коэффициент шероховатости с учётом аэрации потока;
7) ,; (2.28)
где — коэффициенты Шези соседним глубинам
8) , (2.29)
где — заданный расход воды, поступающий из подводящего канала;
9) , (2.30)
где — средние скорости в соседних сечениях;
10) ; (2.31)
11) ; (2.32)
где Э — удельная энергия соответствующих сечений
12) , (2.33)
где — удельные энергии соседних сечений, причём в последующем сечении для данного типа кривой спада удельная энергия сечения больше, чем в предыдущем;
13) ; (2.34)
14) l 1 =0, т.к. расчёт кривой свободной поверхности начинается с точки излома дна; последующее числовые значение длин l2 , l3 ,… определяются путём наращивания, а именно:
, и т.д.
Тип кривой:
- >>, >, >0
>
- бурное состояние потока, >1, <0, <0 — формируется кривая спада
Форма кривой:
вверх по течению
, потокк критическому, , — резко приближается к линии критических глубин
вниз по течению
, , , — асимметрически приближается к линии нормальных глубин
Таблица 5. Определение расстояний методом В.И. Чарномского
|
h |
щ |
ч |
R |
C |
Э |
?Э |
?l |
l |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
|
0,6 |
1,32 |
3,40 |
0,39 |
44,5 |
3,26 |
1,20 |
0 |
|||||||
|
0,37 |
43,91 |
3,59 |
0,018 |
0,16 |
1,22 |
|||||||||
|
0,5 |
1,1 |
3,2 |
0,34 |
43,3 |
3,91 |
1,36 |
1,22 |
|||||||
|
0,32 |
42,65 |
4,4 |
0,033 |
0,38 |
3,27 |
|||||||||
|
0,4 |
0,88 |
3,0 |
0,29 |
41,97 |
4,88 |
1,74 |
4,49 |
|||||||
|
0,27 |
41,19 |
5,7 |
0,071 |
0,94 |
11,94 |
|||||||||
|
0,3 |
0,66 |
2,8 |
0,24 |
40,41 |
6,51 |
2,68 |
16,43 |
|||||||
2.2.5 Построение кривой свободной поверхности на водоскате быстротока
По результатам расчетов методом Чарнамского построена кривая свободной поверхности.
По графику при длине быстротока l=10, глубина на конце быстротока получилась равной .
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 отличающееся от подходных русел. Вода, выходящая из отверстия сооружения, часто обладает ещё большой энергией, т.е. повышенной против его естественного состояния разрушительной силой. Опыт эксплуатации водопропускных сооружений показывает, что если не предусмотреть специальных мер, отводные русла на выходе из сооружений сильно размываются, что иногда приводит к авариям сооружений.
Мерами против размывов водоотводных русел, т.е. способами гашения энергии водного потока, являются: непрерывное рассеивание энергии водного потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.
Известно много различных принципов гашения энергии потока. Наиболее распространенные из них:
усиленное перемешивание (этот принцип используется при устройстве повышенной шероховатости поперечных расщепляющих балок, зубчатых порогов).
соударение свободных струй в атмосфере;
- рассеивание энергии в вальцах гидравлического прыжка;
- сосредоточенное гашение энергии в замкнутом блоке — напорные гасители;
- отброс струи от сооружения с одновременным их расщеплением и аэрацией (этот принцип реализуется в рассеивающих трамплинах);
- силовое воздействие на поток в направлении, противоположном течению, путём установки различных препятствий: порогов, шашек, пирсов и т.п.
[1].
2.3.1 Определение гидравлических характеристик потока
(2.35)
воспользовавшись графиком для определения в пункте 2.1.1, находим, что м
м
<
- >- спокойное состояние потока
Выясняя условие сопряжения бьефов быстротока и отводящего канала, приходим к следующему выводу: при смене уклонов на возникает гидравлический прыжок.
2.3.2 Расчет гидравлического прыжка
Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической называется гидравлическим прыжком.
Рис. 6. Схема гидравлического прыжка
Расчёт гидравлического прыжка сводится к определению его характеристик: h’ — второй сопряжённой глубины, l п — длины гидравлического прыжка.
Определю сжатую глубину h c методом последовательного приближения:
(2.36)
- удельный расход (2.37)
ц=0,9 — коэффициент скорости;
Е 0 — энергия, с которой поток приходит в отводящий канал;
Е 0 =Екб , т.е. энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:
, (2.38)
где h кб — глубина на конце быстротока, определяется по кривой свободной поверхности при длине l, указанной в исходных данных;
, м
V кб — скорость на конце быстротока, определяется по формуле:
(2.39)
(2.40)
(2.41)
>5%
в)
< 5%
м
м (2.42)
(2.43)
Принимаем м — бытовая глубина.
м < м — гидравлический прыжок затоплен (подпертый)
Вывод: Гидравлический прыжок затоплен, требуется установка гасителя энергии.
2.3.3 Расчет водобойного колодца
Гашение энергии в водобойном колодце осуществляется затоплением гидравлического прыжка, образующимся в колодце при входе потока с быстротока.
Расчёт гасителя энергии за быстротоком сводится к определению глубины и длины водобойного колодца. Глубина колодца определяется методом подбора.
В первом приближении глубина колодца d определяется по формуле:
, (2.44)
где — коэффициент запаса (1.05 — 1.10);
- выше определенная глубина, сопряжённая с глубиной при энергии Е 0 =Екб ;
h б — нормальная глубина в канале за быстротоком, она не зависит от глубины колодца и остаётся постоянной во втором и третьем приближении (hб =).
[1].
Во втором приближении глубина водобойного колодца определяется с учётом глубины d 1 согласно формуле:
- где ;
определяется с учётом глубины колодца , по предыдущей методике при энергии:
(2.45)
(2.46)
(2.47)
(2.48)
(2.49)
<5%.
Принимаем м
Длина водобойного колодца l к определяется, согласно рис. 7, суммой дальности отлёта струи lотл и длины подпёртого прыжка lпп :
(2.50)
Существует разные рекомендации по определению этих длин. Воспользуемся следующим:
; (2.51)
, (2.52)
где l п — длина гидравлического совершенного прыжка, определяется по рекомендациям Н.Н. Павловского:
; (2.53)
;
- Рис. 7. Схема водобойного колодца
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.
Существует три типа укрепления русел:
- сборными бетонными и железобетонными плитами;
- монолитным бетоном;
- мощением или наброской камнем.
Тип укрепления русел выбирают на основании технико-экономических показателей.[1].
4. Экология дорожных водопроводящих сооружений
В нашей стране охрана природы стала всенародной задачей. Приняты важнейшие законодательные акты природоохранного содержания.
Строительство и последующая эксплуатация дорог оказывает многофакторное влияние на прилегающую к ним территорию. При строительстве дороги в полосе отвода, а часто и вне ее нарушается естественный рельеф местности, меняется состав и состояние верхнего слоя почвы, разрушается растительный покров, существенно меняются условия формирования и характеристики поверхностного стока, водный режим территории.
Размыв почвы и подстилающих пород, образование оврагов представляют угрозу как земельному фонду, так и устойчивости дорожных сооружений и их элементов. Насыщение водных потоков твердыми частицами при размыве и перенос последних создают предпосылки противоположного процесса — заиления.
Самые негативные последствия имеет концентрация поверхностного стока системами дорожного водоотвода. Распределенный обычно по ширине в сотни метров склоновый сток переводится этими сооружениями в сосредоточенные потоки, удельный расход которых обычно на порядок превышает естественный на склоне. Это вызывает аналогичное увеличение скорости течения, далеко превышающее допускаемые. Поэтому размывы и образование оврагов за дорожными сооружениями носят массовый характер.
Таким образом, на всех этапах от изысканий и проектирования до эксплуатации водопроводящих сооружений необходимо принятие соответствующих мер по защите окружающей среды. В первую очередь следует предусмотреть предотвращение или уменьшение наиболее массовых последствий от строительства дорожных сооружений: размывов за ними и оврагообразования, заиления, затопления и заболачивания. [1].
Библиографический список
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/vodoprovodyaschie-soorujeniya/
1. Дорожные водопроводящие сооружения, гидравлический расчет: метод. указания к курсовой работе и практ. занятиям по гидравлике для студентов фак. АДМ / сост. Т.П. Троян. — Омск: изд. СибАДИ, 2002. — 34 с.
2. Константинов Н.М. Гидравлика, гидрология, гидрометрия. Ч. 1, 2. уч. Для вузов: В 2 ч. / Н.М. Константинов, Н.А. Петров, Л.И. Высоцкий. — М.: Высшая школа, 1987 — ч. 1: — 304 с; 1987 — ч. 2: — 431 с.
3. Чугаев Р.Р. Гидравлика: учеб. Для вузов/ Р.Р. Чугаев. — 2-е изд., Ленинград.: Энергия, 1971. — 552 с.: ил.
4. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений: ВНИИ транспортного строительства / ред. Г.Я. Волченкова. — М.: Транспорт, 1992. — 408 с.
5. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам: справочное издание / П.Г. Киселев, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко, 4-е издание, перераб. и доп. — М.: Энергия, 1972 — 312 с.: ил.
6. Справочник по гидравлическим расчетам / ред.: В.А. Большакова. — Киев.:1984. — 407 с.
7. Муромов В.С. Косогорные водопропускные трубы / В.С. Муромов, М.Х. Лившиц. — М.: Транспорт, 1975. — 144 с.
8. Примеры гидравлических расчетов: учебное пособие для вузов / ред.: А.И. Богомолов, Н.М. Константинов, В.А. Александров, Н.А. Петров. — М.: Транспорт, 1992. — 408 с.
