m1030

УДК 624.2:556(076.5)

М294

Мартыненко А.А., Ким И.Л. Гидравлический расчет от-

верстия малого моста: Метод. указ. к практ. занятиям по дисциплине «Гидравлика и гидрология». – Новосибирск: Изд-во СГУПСа,

2014. – 22 с.

Содержат теоретические материалы, справочную информацию и исходные данные для расчета отверстия малого моста.

Предназначены для студентов технических специальностей и профилей дневной формы обучения, изучающих гидравлику.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Гидравлика, водоснабжение, водные ресурсы и экология».

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р декан факультета ПГС канд. техн. наук, доц. К.Л. Кунц

Р е ц е н з е н т декан факультета МТ канд. техн. наук, проф. С.А. Бахтин

© Сибирский государственный университет путей сообщения, 2014 © Ким И.Л., Мартыненко А.А., 2014

2

Окончательное решение по выбору типа малого искусственного сооружения принимается на основании технико-эконо- мического сравнения вариантов. Если выбор сделан в пользу малого моста, то одной из важнейших задач является определение ширины его отверстия.

Существуют различные методы расчета отверстия малого моста, в данных указаниях рассматривается метод, основанный на формуле Бресса.

В процессе проектирования малых водопропускных сооружений в обязательном порядке выполняются гидрологические и гидравлические расчеты.

2. Гидрологическое обоснование расчета отверстия малого моста

Искусственные сооружения на железных дорогах общей сети рассчитывают на пропуск двух расходов: расчетного и максимального (наибольшего).

Расчетным называется расход относительно частой вероятности его превышения, при котором гарантируется сохранность сооружения и не требуется повышенных затрат на эксплуатацию последнего во время паводка.

Максимальный расход по величине больше расчетного, имеет меньшую вероятность превышения. При пропуске максимального расхода обеспечивается безаварийность движения поездов и устойчивость сооружения. При этом необходимы повышенные расходы на его содержание и дополнительные работы по укреплению отдельных элементов сооружения в период пропуска высоких паводков.

На автомобильных дорогах искусственные сооружения рассчитываются только на пропуск расчетных расходов. Чем выше народно-хозяйственное значение объекта (например, категория автодороги), тем меньшая вероятность превышения расчетного паводка принимается при определении отверстия моста.

При проектировании мостов на железных дорогах используют более жесткие нормы и требования, чем на автомобильных.

4

Это обусловлено значительными народно-хозяйствен-ными потерями в случае разрушения моста из-за вынужденных перерывов в движении и невозможности организации объезда [3].

Вероятности превышения расчетных и наибольших паводков регламентируются СП 35.13330.2011 [1]. В табл. 1 представлены требования СП к мостам и трубам общей сети железных дорог и автомобильных дорог первых трех категорий за исключением внутрихозяйственных.

* В районах с развитой сетью автодорог допускается увеличение указанных значений вероятности превышения на 1 %.

3.Типы малых мостов

Взависимости от гидравлических условий протекания потока

вподмостовом русле различают следующие типы малых мостов: 1) с прямоугольным подмостовым сечением, 2) с трапецеидальным подмостовым сечением, 3) со сложным сечением.

Малые мосты проектируются с различными типами берего-

вых устоев. Если подмостовое русло прямоугольного сечения, то устои могут быть трех типов:

а) облегченные системы Н.А. Словинского (рис. 1, а),

5

Рис. 1. Типы устоев малых мостов

4. Расчетные схемы протекания потока через отверстие малого моста

В основе принятого способа расчета отверстия малого моста лежит теория водослива с широким порогом. В отличие от водослива в отверстии моста нет порога и вертикального сжатия потока, но поток испытывает боковое сжатие со стороны устоев моста. Поэтому в подмостовом русле устанавливается характер свободной поверхности, как и на горизонтальном гребне водослива с широким порогом.

Водослив с широким порогом может быть незатопленным, если уровень воды в нижнем бьефе не влияет на протекание воды по водосливу, и затопленным, если уровень нижнего бьефа распространяется на водослив [4].

Схема протекания потока в подмостовом русле определяется в результате сравнения бытовой глубины в нижнем бьефе hб, м, с критической глубиной в отверстии малого моста hкр, м. Критическая глубина потока в сечении прямоугольной формы определяется по формуле

hкр v2 , (1) g

где v – скорость течения воды в сооружении, м/с; g – ускорение силы тяжести, м/с2.

6

Если hб ≤ 1,25hкр, то водослив незатопленный, в отверстии моста происходит свободное истечение жидкости с критической глубиной и двухперепадной (zв, zн – перепады со стороны верхнего и нижнего бьефа соответственно) схемой движения потока (рис. 2).

Рис. 2. Незатопленная схема движения потока в отверстии малого моста (hб ≤ 1,25hкр)

Если hб 1,25hкр, то водослив затопленный, и в отверстии моста устанавливается схема истечения с одним перепадом с верховой стороны zв (рис. 3).

На рис. 2, 3 обозначено:

H – подпор воды перед мостом (предмостовой подпор), м; hвх – глубина потока на входе в подмостовое русло, м;

h – глубина потока в подмостовом русле, м;

– расстояние от свободной поверхности потока до низа пролетного строения (подмостовой габарит), м;

с – высота пролетного строения от низа до подошвы рельса, м; а – расстояние от подошвы рельса до бровки земляного по-

лотна, м; Нн – высота насыпи, м.

7

Рис. 3. Затопленная схема движения потока

вотверстии малого моста (hб 1,25hкр)

5.Исходные данные для расчета отверстия

малого моста

При определении ширины отверстия моста используются следующие исходные данные:

1. Расчетный и максимальный расходы воды определенной вероятности превышения на водотоке, для которого проектируется сооружение, т.е. Qр и Qmax, м3/с. Например, для мостов I и II категорий общей сети железных дорог вероятность превышения расчетных и максимальных расходов составляет 1 и 0,33 % соответственно (см. табл. 1).

2. Бытовая глубина воды, которая устанавливается за сооружением в нижнем бьефе, при пропуске каждого из вышеназванных расходов. Такая глубина определяется заранее методом подбора при условии равномерного движения потока в нормальных нестесненных условиях, обозначается соответственно hбр и hбmax , м.

3. Характеристика грунта или типа крепления подмостово-

го русла, которая позволяет при известных значениях hбр и hбmax определить допускаемые по условию размываемости скорости vдопр и vдопmax, м/с. Значения допускаемых неразмывающих скоро-

стей, представленные в прил. 1, приводятся в учебной и справочной литературе, например в [5].

8

4.Значения коэффициента бокового сжатия потока в отверстии моста и коэффициента скорости .

5.Высота насыпи Нн, м.

6.Гидравлический расчет отверстия малого моста

При расчете отверстия малого моста применяется формула для определения расхода на водосливе с широким порогом, записанная в виде:

где – коэффициент бокового сжатия потока; b – ширина отверстия; h – глубина воды в подмостовом русле; – коэффициент скорости; g – ускорение силы тяжести; Н – подпор воды перед мостом.

В формуле (2) скорость движения потока в отверстии моста

На этой формуле основан расчет ширины подмостового русла.

6.1.Определение ширины отверстия малого моста

Всамом начале по прил. 1 определяются допускаемые не-

отверстие малого моста работает как незатопленный водослив (см. рис. 2). Так как глубина потока в подмостовом русле в данной схеме равна критической, то формула (4) для расчетного расхода запишется в виде:

Если в формулу (5) подставить выражение для расчета hкрр , то

9

Отсюда следует, что ширину отверстия малого моста при незатопленном подмостовом русле можно рассчитать по формуле

Формула (7), как и метод расчета, носит имя автора – Бресса. После определения ширины b полученное значение округляется до ближайшего большего типового размера отверстия, т.е.

bтип b.

Согласно действующим нормам и стандартам малые мосты имеют ширину отверстия, м: 2; 3; 4; 5; 6; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25.

6.2. Проверка принятой расчетной схемы работы моста

При известном типовом отверстии малого моста исходя из формулы Бресса определяется фактическая средняя скорость воды в подмостовом русле:

Неравенство выполняется автоматически, так как типовое отверстие выбирается с округлением в большую сторону.

Далее по фактической скорости рассчитывается критическая глубина:

моста закончен.

Если hбр 1,25hкрф , то русло затоплено, и следует перейти на

расчет по схеме, представленной на рис. 3. При такой схеме протекания потока в подмостовом русле устанавливается глубина h = hбр и расчетный расход в соответствии с формулой (4) равен:

10