Гидравлические расчеты

В гидравлических расчетах дрен и коллекторов определяют: диаметры труб в расчетных створах при максимальном расходе; скорости течения воды для проверки опасности заиления и размыва.

1. Определение фактических расходов воды в дренах

Фактический расход воды в дренах определяется по формуле:

; м³/с;

где I – длина дрены, определяемая по компоновочной схеме (рис.1.6), плюс половина расстояния между дренами, м.

I=I_др+0,5 L_др, м.

Расходы подсчитываем при Р_maх и Р_min, тогда:

, м³/с;

, м³/с.

Максимальный расход нужен для определения размера труб и расчетов неразмывающей скорости, а минимальный – для определения незаиляющей скорости.

2. Определение фактических расходов воды в коллекторе

Расход воды в коллекторе подсчитываем по формуле:

, м³/с,

n - число дрен, впадающих в коллектор (присоединённых к нему, считая от начала).

Для того чтобы диаметр труб коллектора не был преувеличен и имел достаточное заполнение, коллектор необходимо разбить на участки и для каждого участка определить и .

На плане участка нужно выбрать два сечения I-I и II-II, то есть разбить коллектор на два расчетных участка.

Для первого участка расход в магистральном коллекторе определяем для дрен n₁:

, м³/с;

. м³/с

В сечении II-II количество дрен, присоединенных от начала коллектора n₂, тогда:

, м³/с;

, м³/с.

3. Определение диаметров дрен и коллекторов

Диаметр трубчатой дрены или коллектора определяется по формуле:

, м;

где: , м³/с - расход, протекающий через расчётное сечение дрены и коллектора , м²; d и R , м– соответственно диаметр и радиус дрены или коллектора; - коэффициент шероховатости, для асбестоцементных труб равен 0,013; - уклон трубы.

Уклоны труб выбираются с учетом рельефа местности, в практической работе принимаем:

- для дрен i=0,003÷0,006;

- для коллекторов i=0,001÷0,003.

Используя эти рекомендации, выполним расчеты для всех значений уклонов в приведенных выше диапазонах, и затем правильность выбранных уклонов проверим по условию незаиляемости и неразмываемости скорости течения воды в трубах.

В практической работе диаметр дрен и коллекторов определяем по выше приведенной формуле, а затем приведем полученные размеры к ближайшему по стандарту для асбоцементных труб:

d =50, 75,100,125,150, 200, 250, 300, 400 мм.

Определение диаметров дрен сводим в табл.1.2.

Таблица 1.2

Определение размеров дрен, мм/мм

iдр Qдр , м3/с	0,003	0,004	0,005	0,006
Qmax др	d/dрасч

где d – диаметр трубы, принятой по стандарту, мм; d_расч – диаметр дрены, определяемой по формуле.

Определение диаметров коллекторов проводим в табл.1.3.

Таблица 1.3

Определение диаметров коллекторов, мм/мм

iкол Qкол , м3/с	0,001		0,002		0,003
Сечение I-I
Qmax кол I-I	d/dрасч
Сечение II-II
Qmax кол II-II

4. Определение расходов в трубах при разной степени их наполнения водой

При расчетах диаметров дренажных труб исходят из условия непол­ного заполнения их водой для безнапорного движения.

Для канализационных труб (коллекторов) степень наполнения h/d (рис.1.7) при максимальных проектируемых расходах обычно принимают в диапазоне h/d=0,50÷0,75. Для дренажных труб степень наполнения h/d может быть h/d=1[14].

Однако, учитывая возможность заиления и заохривания труб, обычно принимают степень заполнения дренажных труб с запасом в диапазоне h/d=0,70÷ 0,90.

Рис.1.7. К определению степени заполнения трубы водой

Рассчитанные выше фактические расходы Q_{max min др}, Q_{max min кол}. - соответствуют расходам в трубах в условиях неполного их заполнения, можно их обозначить

Q_{нп max min др} и Q_{нп max min кол}.

Определить же скорости течения воды в дренах и коллекторах при безнапорном движении впрямую не удается, т.к. неизвестна глубина воды в трубе, а, следовательно, и площадь поперечного сечения, занятого водой.

Проверку выбранных диаметров и принятых уклонов необходимо проводить по скоростям течения при реально существующих условиях те­чения воды в трубах, т.е. при неполном безнапорном движении воды.

Расчет следует выполнять в ниже приведенном порядке:

Определяется расход воды в трубе (дрене, коллекторе) при полном ее заполнении водой по формуле Шези:

Q_полн=ωС ;м³/с

где ω - площадь живого сечения трубы;

С - коэффициент, определяемый по формуле Маннинга:

;

где: n - коэффициент шероховатости труб; К - модуль расхода:

, м³/с;

Для труб площадь поперечного сечения определяется по формуле:

, м²;

выполнив преобразования, можно упростить выражение для К:

, м³/с.

Подставляя коэффициент шероховатости n=0,013 для асбоцементных труб [2] , получим:

К=24∙10³∙d^8/3=24∙ d^8/3 (м³/с).

Значения модуля расхода К в зависимости от диаметра труб можно определить по табл. 7 Приложения 2.

Далее определяются коэффициенты неполноты расхода и скорости:

А – коэффициент неполноты расхода; В – коэффициент неполноты скорости.

;

.

Так как ранее мы определили Q_{нп max min} для дрен и коллекторов, то мы сможем определить значения А при разных уклонах.

Зная значения А, можно получить В и отношение по табл.8 и графику (рис.1) Приложения 2.

Все вычисления сводятся в табл. 1.4÷1.6.

Таблица 1.4

Определение коэффициента неполноты расхода "А" для дрен

i	dдр мм	К м3/с	Qдр п м3/сек	Qдр нп м3/сек		А
				Max	Min	Max	Min
0,003
0,004
0,005
0,006

Таблица 1.5

Определение коэффициента неполноты расхода "А" для коллектора для сечения I-I

i	dкол мм	К м3/с	Qкол п м3/сек	Qкол нп м3/сек		А
				Max	Min	Max	Min
0,001
0,002
0,003

Таблица 1.6

Определение коэффициента неполноты расхода "А" для коллектора для сечения II-II

i	dкол мм	К м3/с	Qкол п м3/сек	Qкол нп м3/сек		А
				Max	Min	Max	Min
0,001
0,002
0,003

5. Определение скоростей течения воды в дренах и коллекторе при безнапорном движении.

Расходам при неполном заполнении труб соответствуют скорости – , расходам при полном заполнении труб – .

, м/с;

=В .

Все вычисления скоростей сводятся в табл.1.7÷1.8.

Таблица 1.7

Определение скоростей течения в дренах

i	d, мм	Q , м3/с	V , м/с	А		B		h/d		V , м/с
				max	min	max	min	max	min	max	min
0,003
0,004
0,005
0,006

Таблица 1.8

Определение скоростей течения в коллекторе

i

d, мм

Q , м3/с

V , м/с

А

B

h/d

V , м/с

max

min

max

min

max

min

max

min

Сечение I-I

0,001

0,002

0,003

Сечение II-II

0,001

0,002

0,003

6. Анализ полученных результатов и окончательный выбор диаметров дрен и коллекторов

1. Полученные скорости течения воды в дренах и коллекторе должны удовлетворять условию незаиления движения воды в трубе и размыва стыков.

V_нзл < V_{max, min} < V_нрз

где V_нзл - предельно-допустимая скорость незаиления в трубе;

V_нрз, - предельно-допустимая неразмывающая скорость.

Скорость движения воды в трубах должна быть больше минимальной скорости незаиления и меньше максимальной неразмывающей скорости, т.е. находится в пределах [2]:

0,3 < V_{max, min} < 1,0.

Если это условие выполняется, следовательно, диаметры труб и ук­лоны выбраны правильно. Если нет, эти параметры можно отбрасывать, как неудовлетво­ряющие допустимым скоростям.

2. Для канализационных труб (коллекторов) степень наполнения h/d при максимальных проектируемых расходах обычно принимают в диапазоне h/d=0,50÷0,75. Для дренажных труб степень наполнения h/d может быть h/d=1[14].

Однако, учитывая возможность заиления и заохривания труб, обычно принимают степень заполнения дренажных труб с запасом в диапазоне h/d=0,70÷ 0,90.

3. Скорости течения воды по пути следования от дрен к коллектору и далее к водоприемнику не должны уменьшаться для исключения возможности выпадения наносов.

4. Уклоны коллекторов по течению воды не должны уменьшаться.

5. При окончательном выборе следует отдать предпочтение трубам с меньшим

1) диаметром;

2) уклоном.

Учитывая все эти обстоятельства, принимаем параметры труб для дрен и для коллекторов на двух участках. Окончательно принятые параметры сводятся в табл.1.9.

Таблица 1.9.

Окончательная таблица результатов.

Элементы сети	Qнп, м3/с		d, мм	i	h/d		Vнп, м/с
	max	min			max	min	max	min
Дрена
Коллектор В сечении I-I
В сечении II-II

7. Определение минимального расстояния от дрены и коллектора до здания

Определение минимального расстояния дрены и коллектора от здания (рис.1.8) определяется по следующей формуле:

Минимальное расстояние от дрены и коллектора до здания:

;

- глубина заложения дрены, коллектора, м;

- глубина заложения фундамента здания, м;

- угол внутреннего трения;

- ширина дренажной канавы по низу, м;

.

Угол внутреннего трения грунта φ устанавливается полевыми или лабораторными исследованиями в зависимости от рода грунта [2] , приводится в табл.8 Приложения 2.

Угол внутреннего трения грунта для песчаных грунтов равен , в практической работе для расчетов принимаем .

Рис.8. Схема расположения дрены (коллектора) по отношению к фундаменту здания.

8. В заключение работы приводится описание конструкции дренажной системы.