УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АД
.pdfпускаемого по условию неразмывания грунта [24]. Снижение скорости движения воды на быстротоках и перепадах осуществляется за счет гашения энергии водного потока. Поэтому быстроток обычно заканчивается гасителем энергии – успокоителем в виде водобойного колодца или водобойной стены (рис. 6.11, а). Гашение энергии на перепадах происходит на каждой его ступени (многоступенчатый перепад рис. 6.11, б).
Быстротоки можно устраивать из различного материала: камня, бетона, железобетона и пр. Монолитные и сборные железобетонные быстротоки целесообразно устраивать на крутых спусках, в местах выхода водоотводных канав в овраги, суходолы и другие пониженные места.
Нередко быстротоки и перепады устраиваются как подводящие искусственные русла к водопропускным трубам и в низовой части на выходе водного потока из трубы.
В качестве искусственных русел канав быстротоки устраиваются прямоугольного и трапецеидального сечения с шириной дна 0,6 и1,0 м; прочие размеры быстротоков и гасителей энергии водного потока (колодцы и др.) определяют гидравлическими расчетами [24].
Перепады (одноступенчатые и многоступенчатые) устраивают для уменьшения скорости течения воды в кюветах, канавах, резервах, а также в подводящих и отводящих руслах.
Конструкции искусственных русел назначают с учетом фактических условий на местности (уклонов, вида грунта, расчетных расходов воды и т.д.), требований нормативных документов и гидравлических расчетов. В сложных условиях местности (пересеченный рельеф и т.п.) искусственное русло может состоять из двух участков быстротока с различными уклонами; сопряжение таких участков между собой может быть выполнено при помощи гасителя энергии – водобойной стенки или колодца (см. рис. 6.11, в). Иногда применяют конструкцию комбинированного типа – из быстротока и перепадов (см.
рис. 6.11, г).
Перепады одноступенчатые, равно как и многоступенчатые, без гасителей энергии водного потока обеспечивают нормальную гидравлическую работу только при относительно небольших уклонах лога, позволяющих устраивать ступени необходимой длины с уклоном, близким к критическому. Поэтому типовые материалы по проектированию водоотводных сооружений [24] предусматривают следующие рекомендации:
221
222
–одноступенчатые перепады без гасителей энергии целесообразно устраивать при продольном уклоне трассы водоотвода, обеспечивающем получение высоты ступени не более 0,5 м;
–многоступенчатые перепады без гасителей энергии, т.е. неколодезного типа, устраивают при продольном уклоне трассы водоот-
вода 50 – 60‰;
–многоступенчатые перепады с гасителями энергии колодезно-
го типа устраивают при продольном уклоне трассы водоотвода 100 – 350‰ и расходах воды более 1 м3/с.
Следует отметить особо, что, по мнению ряда специалистов дорожного профиля, при очень больших уклонах и значительных расчетных расходах устройство многоступенчатых перепадов с гасителями энергии (колодцами) экономически менее целесообразно, чем устройство быстротоков, особенно при благоприятных геологических условиях, когда грунтовые и прочие условия позволяют обеспечить устойчивость круто наклонного лотка.
Такое утверждение может оказаться справедливым, если учесть, что с увеличением уклонов приходится назначать большую глубину и длину колодца (ради обеспечения нормальных гидравлических характеристик водного потока). Это приводит к увеличению строительных затрат. Кроме того, водобойные колодцы засоряются частицами грунта, выпадающими из водного потока (аккумулируют на дно колодца). Для поддержания колодцев в рабочем состоянии их приходится регулярно очищать от наносов, что увеличивает эксплуатационные затраты. С другой стороны устройство водобойных колодцев позволяет уменьшить длину ступеней, а следовательно сократить затраты на устройство лотка. Поэтому целесообразность устройства того или другого типа искусственного русла должна подтверждаться техникоэкономическими расчетами с проработкой вариантов. Многоступенчатые перепады без водобойных колодцев нередко оказываются значительно эффективнее быстротоков с гасителями энергии. Например, многоступенчатый перепад можно устроить переменной ширины, увеличивая ее от верховой части ступени на перепадах вниз по течению, обеспечивая тем самым значительное снижение скорости течения водного потока (рис. 6.12).
6.4.2. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПЕРЕПАДА
Задание: выполнить гидравлический расчет перепада на участке трассы ПК643 – ПК645 (см. прил. 9) для следующих условий:
223
224
–расчетный расход канавы Q = 0,5 м3/с;
–отметка дна канавы в начале участка 195,08, в конце участка – 187,54 (правая сторона по ходу пикетажа);
–грунты, суглинки средней плотности (ρ=1,2–1,56 г/см3);
–форма сечения канавы трапецеидальная;
–ширина канавы по дну 0,6 м, откосы 1:1,5;
–уклон дна лотка i = 0,038.
Решение
Расчет перепада ведем по методике «Союздорпроекта» [22]; расчетная схема перепада представлена на рис. 6.13.
Рис. 6.13. Схема к расчету перепада
Поскольку уклоны естественного русла относительно небольшие, назначаем перепад без гасителей энергии водного потока. Принимаем конструкцию перепада: трапецеидального сечения; монолитный (бетон марки М–150).
Назначаем высоту ступени перепада Р = 0,5 м. Расчет ведем в такой последовательности.
1. Определяем глубину водного потока в русле h0 и уклон i0 при равномерном движении воды.
Чтобы определить h0, используем зависимость между расчетным расходом Q и площадью живого сечения:
Q = ω0V0. (6.28)
При установившемся движении водного потока для трапецеидального сечения при m1 = m2 = m находим площадь сечения водного потока:
ω0 = (b + mh0)h0. |
(6.29) |
Подставляя в формулу (6.28) выражение ω0, имеем
225
Q = (b + mh0)h0V0, |
(6.30) |
где V0 – скорость водного потока при равномерном движении; принимаем равной скорости течения воды по условию неразмывания грунта; для суглинка средней плотности – 0,8 м/с (см. прил. 8, табл.7).
При Q = 0,5 м3/с; m = 1,5 и V0 = 0,8 м/с имеем: |
|
|||
0,5 = (0,6 + 1,5 h0) h0V0, |
откуда h0 = 0,476 м. |
|
||
Продольный уклон дна канавы при равномерном движении по- |
||||
тока определяем из формулы (6.3), представив ее в виде |
|
|||
i |
V 2 |
c2 R . |
(6.31) |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Значение гидравлического радиуса R0 определяем по формуле (6.6), предварительно выразив смоченный периметр χ для трапецеи-
дального сечения русла в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
b 2 |
1 m2 h |
, |
|
|
|
|
(6.32) |
||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b 2 |
|
|
h , |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
R |
|
0 |
(b mh )h |
1 m2 |
(6.33) |
||||||||||||
0 |
0 |
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
0 |
0,27 м. |
|||||
|
|
|
0,6 2 |
|
|
|
|||||||||||
R (0,6 1,5 0,476)0,476 |
|
|
1 1,52 0,476 |
||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скоростной множитель С0 |
определяем по формуле Павловского |
||||||||||||||||
(6.4), предварительно установив коэффициент шероховатости русла n по табл. 6.2. Для канавы с одернованными откосами в обычном состоянии n = 0,033.
Показатель степени у в формуле Павловского устанавливаем по таблице на листе 39 [18].
При R = 0,27 и n = 0,33 значение у = 0,28.
Скоростной множитель С 0,270,28 |
0,33 20,05 . |
||
|
0 |
202 |
0,27 0,006 . |
Продольный уклон i0 |
= i 0,82 |
||
|
0 |
|
|
2. Определяем критическую глубину потока hк непосредственно по графику ([22, лист 43]), в зависимости от ширины канавы по низу и расчетного расхода Q. При b = 0,6 м и Q = 0,5 м3/с hк = 0,3.
При отсутствии графика hк = f(b,Q) критическая глубина потока
определяется подбором с использованием зависимости |
|
||
Q2 |
g 3 |
b – для трапецеидального сечения, |
(6.34) |
|
к |
к |
|
где α = 1,1 – коэффициент кинетической энергии водного потока; bк – ширина канавы по верху, м.
Для прямоугольного сечения русла критическая глубина может определяться по формуле
226
h 3 q2 g 0,4823 |
q2 , |
(6.35) |
к |
|
|
где q – расход на единицу ширины лотка, м3/с, |
|
|
q = q Q b . |
|
(6.36) |
3. Определяем скорость потока V в сечении над уступом (при глубине воды h, см. рис. 6.13).
Глубину воды над уступом h принимают равной h = 0,7hк, т.е. h = 0,7·0,33 = 0,231, тогда
V = V Q |
0,5 |
|
2,28 м/с. |
|
|
||
(0,6 1,5 0,231) 0,231 |
|||
4. Определяем глубину водного потока в сжатом сечении hc. Решение может быть выполнено подбором с использованием за-
висимости
|
V 2 |
Q2 |
|
|
|
||
h |
P hc |
|
|
|
, |
(6.37) |
|
2g 2h2 |
(b mh )2 |
||||||
|
2g |
|
|
||||
|
|
c |
c |
c |
|
|
|
где φ – коэффициент скорости; φ = 0,85 – 0,95. Решаем равенство (6.37) при φ = 0,9 и ранее вычисленных параметрах
0,231 |
1,1 2,28 |
2 |
0,5 h |
|
1,1 0,52 |
; |
|
|
|
||||
|
2 9,81 |
|
c |
|
2 9,81 0,9(0,6 1,5h )2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
c |
|
0,368hc2+1,48 hc3+0,5 hc4–2,25 hc5–0,017=0.
При hc = 0,20 имеем:
0,368·0,22 + 1,48·0,23 + 0,5·0,24 – 2,25·0,25 – 0,017 =0,0147 + 0,0118 + +0,0008 – 0,0007 – 0,017 = 0,025 ≠ 0.
Принимаем hс = 0,19 и повторяем расчет. При hс = 0,19 имеем:
0,0132 + 0,01 + 0,0005 – 0,00045 – 0,017 = 0,006
Величина 0,006 ≈ 0; результат в пределах допускаемой точности вычислений (3%).
0,006·100 < 3%.
Определяем скорость потока в сжатом сечении при hс = 0,19 м
V |
Q |
|
|
0,5 |
|
2,98 м/с. |
|
|
|
|
|
||||
c |
a |
(0,6 |
1,5 0,19)0,19 |
||||
|
|||||||
Для дальнейших расчетов принимаем глубину в сжатом сечении |
|||||||
hс = 0,20 м, тогда скорость потока в сжатом сечении |
|||||||
|
Vc |
|
|
|
0,5 |
2,8 м/с. |
|
|
|
|
|||||
|
|
1,5 0,2)0,2 |
|||||
|
|
(0,6 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
227 |
|
|
5. Определяем взаимную (сопряженную) глубину потока после перепада h″ по формуле
|
″ |
6hк2 |
|
|
|
||
|
h с = |
|
|
|
|
, |
(6.38) |
|
h |
5h |
|
||||
|
|
к |
|
c |
|
||
h″с = |
6 0,332 |
|
0,49 м. |
|
|||
0,33 5 0,2 |
|
||||||
Сравниваем глубину h″с с глубиной потока при установившемся движении h0 = 0,476 м, т.е. h″с > h0. Следовательно, прыжок отогнанный.
Если h″с < h0, необходимо дальнейшее гашение скорости потока. 6. Определяем меньшую сопряженную глубину потока h0' (в
конце перепада) из формулы
h0 |
= |
|
6hк2 |
|
; |
|
h0' = |
6hк2 |
|
hк |
. |
(6.39) |
||
|
|
|
|
|
||||||||||
h |
5h' |
|
5h |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
||||||
|
|
к |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для ранее выполненных расчетов находим |
|
|||||||||||||
|
|
|
' |
|
6 0,332 |
|
0,33 |
0,22 |
|
|
|
|
||
|
|
h0 |
= |
|
|
|
м. |
|
||||||
|
|
5 0,476 |
5 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
7. Определяем длину кривой подпора lподп.
Чтобы определить lподп, необходимо сначала вычислить несколько гидравлических характеристик, поэтому решение выполняем в такой последовательности:
– вычисляем площадь живого сечения ωс при hс = 0,2 м (т.е. в |
||
' |
|
0,22 м (в сечении меньшей сопряжен- |
сжатом сечении) и ωо |
при h0 |
|
ной) по формуле (6.1):
ωс = (0,6 + 1,5·0,2)0,2 = 0,180 м2; ωо' = (0,6 + 1,5·0,22)0,22 = 0,203 м2;
– вычисляем гидравлические радиусы Rс и R0’ в тех же сечениях, |
||||||||||||
предварительно вычислив смоченные периметры с |
|
|||||||||||
и 0 . Для трапе- |
||||||||||||
цеидального сечения при m1 = m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
b 2h 1 m2 |
(см. формулу (6.7)). |
||||||||||
Смоченный периметр χ в сечениях с глубиной |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
hс = 0,2 |
с |
0,6 |
2 0,2 |
1 |
1,52 |
|
1,321 |
м, |
||||
|
0,22 |
|
0,6 |
2 |
0,22 |
|
2 |
|
1,393 м. |
|||
h0 |
0 |
1 1,5 |
||||||||||
Гидравлические радиусы по формуле (6.6) равны:
в сжатом сечении: Rc c 
c 0,180
1,321 0,1363 , 228
|
|
|
|
|
0,1457 ; |
в сечении меньшей сопряженной R0 |
0 |
0 0,203 1,3 |
|||
– далее вычисляем средние значения площади живого сечения |
|||||
ωср и гидравлического радиуса Rср: |
|
|
|
||
|
0,180 0,203 |
2 0,1915; |
|
0,191 м2; |
|
ср |
|
|
ср |
|
|
Rcр 0,1363 0,1457 |
2 0,141; |
Rcр 0,14 м; |
|
||
–устанавливаем значения коэффициентов Шези Сс и С0’ при Rс
иR0’, приняв коэффициент шероховатости n = 0,015 – для гладкой бетонной поверхности в обычном состоянии (см. табл. 6.3). Заметим, что коэффициент С можно определить по прил. 8, рис. 5 или по фор-
муле (6.4).
В данном примере значения Rс и R0’ практически равны, поэтому находим значение С для Rср = 0,14 м, n = 0,015 и принимаем его за
среднее, т.е. Сс = С0’ = Сср. По таблице [22] находим коэффициент
Сср = 45;
– определяем средний уклон трения по формуле
|
|
|
iср = |
|
|
|
Q2 |
|
|
, |
|
|
|
|
|
(6.40) |
|||
|
|
|
2 |
C2 |
R |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
ср |
ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
iср = |
|
|
|
0,52 |
|
|
|
0,0242 ; |
|
||||||||||
0,1912 452 0,140 |
|
||||||||||||||||||
– определяем энергию водного потока: |
|
|
|
|
|||||||||||||||
в сжатом сечении |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эс = h |
|
αQ2 |
|
, |
|
|
|
|
|
(6.41) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
2gωc2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Эс |
0,20 |
|
|
1,1 0,52 |
|
|
0,433 , |
|
|||||||||||
|
2 9,81 0,1802 |
|
|||||||||||||||||
в сечении меньшей сопряженной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
’ |
|
|
|
|
|
|
|
αQ2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
Э0 |
= |
|
hc |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
6.42) |
|||
|
|
|
|
2g(ω )2 |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
’ |
0,22 |
|
|
1,1 0,52 |
|
|
0,34 . |
|
||||||||||
Э0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
2 |
9,81 0,2032 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Для вычисленных параметров длина кривой подпора равна |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0,34 0,433 |
|
|
|
|
|||||||||
lподп = |
Эо Эс |
= |
|
|
6,6 м. |
(6.43) |
|||||||||||||
i i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
0,038 0,024 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. Определение длины прыжка lп по формуле
229
lп = 2,5(0,9h0+d), |
(6.44) |
где d – разность между глубиной потока в русле при равномерном движении h0 и в сечении меньшей сопряженной h0’;
d = 0,476 – 0,22 =0,256 м, |
|
|
lп = 2,5(0,9·0,476+0,256) = 1,7 м. |
|
|
9. Определение длины участка после прыжка lпп: |
|
|
lпп = 2,7 lп = 2,7·1,7 = 4,62 м. |
|
|
10. Определение дальности падения струи l1 |
|
|
l1 = V |
2P h , |
(6.45) |
|
g |
|
где h – глубина воды над уступом; h = 0,231 м.
l1 = 2,28 |
2 0,5 0,231 |
0,807 |
м. |
|
9,81 |
|
|||
|
|
|
|
|
11. Определение длины участка водобоя L:
L = l1+lпод+lп+lпп, (6.46)
L = 0,807 +6,6 +1,70 +4,627 = 13,73 м.
При высоте перепада Р = 0,5 м и уклоне дна лотка i = 0,038 расстояние между уступами должно быть ~ 14 м. Следовательно, при уклоне канавы 38 ‰ на участке длиной 200 м необходимо устройство
200
14 14 уступов.
Контрольные вопросы
1.Перечислить основные способы отвода воды с проезжей части, обочин и прилегающей к дороге территории.
2.Назовите основные элементы водопропускных труб и назначение каждого из них.
3.Что понимают под шероховатостью русла и как она влияет на скорость движения водного потока?
4.Дайте характеристику безнапорного и напорного режимов работы водопропускных труб.
5.От каких факторов зависит глубина заложения фундамента
труб?
6.Какие виды укрепления русел применяют при уклонах дна канав более 50 ‰?
7.Какой расход принимают в качестве расчетного при определении отверстия трубы?
8.Для какой цели устраивают водобойные колодцы на быстротоках и перепадах?
230