Государственный комитет Российской федерации

по высшему образованию

БРЯНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

А.Н.АРХАНГЕЛЬСКИЙ

Г И Д Р А В Л И К А

для автодорожников

Учебное пособие

Рекомендовано УМО вузов РФ

по автотракторному и дорожному образованию

для межвузовского использования

Брянск 1998

УДК (532.543+556.34):625.745.1

Гидравлика для автодорожников; Учебное пособие для вузов / А.Н.Архангельский. - Брянск, Брянская инженерно-технологическая академия, 1998. - 142 с.

Изложены основы теории, необходимые для выполнения гидравлических расчетов водоотводных, водопропускных, водопонижающих и водоперехватывающих сооружений устраиваемых на автомобильных дорогах. Для всех сложных задач изложена последовательность выполнения расчетов и приведены примеры таких расчетов. Значительное внимание уделено вопросам проектирования выходных участков водопропускных сооружений для случая размываемых русел. В приложениях приведен большой объем справочной информации, необходимый при выполнении гидравлических расчетов.

Пособие предназначено для студентов специальности 291000 «Автомобильные дороги и аэродромы» и может быть полезна как студентам других дорожных специальностей, так и работникам дорожных организаций.

Рецензенты: Кафедра «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» БГСХА; доцент БГТУ Э.А. Лагерева

ISBN 5- 230 -02546 - 8  Брянская государственная инженерно-

технологическая академия, 1998

ВВЕДЕНИЕ

Развитие и совершенствование автодорожной сети является весьма актуальной задачей, решение которой требует применения технически совершенных решений с безусловным учетом новейших достижений науки и техники. Эффективность и бесперебойность работы транспортной сети в значительной степени зависит от максимального снижения отрицательного воздействия на ее элементы воды во всех ее формах Воздействие воды на полотно дороги и ее основание, на сооружения дорожного водоотвода, водопропускные трубы и мосты представляет одну из главных причин нарушения нормальной эксплуатации.

Современные проекты требуют тщательного и умелого применения законов гидравлики и методов гидравлических расчетов дорожно-мостовых и аэродромных сооружений. Круг технических вопросов, решаемых путем применения и использования законов гидравлики, очень обширен и разнообразен.

Гидравлические расчеты дают исходные данные для проектирования, строительства и эксплуатации сооружений, обосновывают тип водопропускного сооружения и определяют его размеры; прогнозируют влияние дорожно-мостовых сооружений на водотоки и водную среду, на прилегающую территорию; оценивают последствия воздействия размывов русл и их заиления, опасность образования оврагов, затопления и заболачивания территорий.

Глубокое знание теории гидравлики и умение применять законы и методы гидравлических расчетов при решении практических задач необходимы для формирования квалифицированного инженера-дорожника.

В настоящем пособии излагаются основы теории и практические методы расчета основных видов водоотводных, водопропускных сооружений поверхностного дорожного водоотвода, также сооружений для понижения или перехвата подземных вод.

Основное внимание в этом пособии уделено рассмотрению физической стороны процессов происходящих в дорожных водопропускных и водоотводных сооружениях. Такой подход обусловлен следующими причинами:

Основным расчетным уравнением для равномерного движения жидкости является уравнение Шези:

; (1.1)

где v - средняя в сечении скорость движения воды, м/с;

С - коэффициент Шези, м / c ;

R - гидравлический радиус, м;

I - уклон дна канала;

Q - расход потока, м /с;

 - площадь живого сечения, м .

Кроме приведенных зависимостей в расчетах пользуются формулами:

расходной характеристики -

(1.2)

скоростной характеристики (1.3)

уклона (1.4)

Поперечное сечение каналов, кюветов, лотков может иметь различные формы: прямоугольную, параболическую, трапецеидальную, треугольную. Наиболее распространены трапецеидальная (рис.1.1.а), треугольная (рис.1.1.б) и прямоугольная (рис. 1.1.в) формы сечения.

Рис. 1.1.Поперечные сечения каналов

К основным элементам живого сечения потока относятся:

b - ширина русла по дну ;

m - коэффициент заложения откоса ,равный m = ctg  и назначаемый в зависимости от вида грунтов, в которых проложен канал.

5

h - глубина потока в рассматриваемом сечении;

B - ширина русла по свободной поверхности.

Для трапецеидального сечения гидравлические элементы потока определяются следующими зависимостями:

площадь живого сечения ; (1.5)

смоченный периметр (1.6)

гидравлический радиус (1.7)

ширина русла по свободной поверхности

(1.8)

Для русла треугольной формы b = 0, а для прямоугольной формы m = 0.

Для расчета канала при равномерном движении, необходимо знать также величину коэффициента шероховатости n, коэффициент Шези C.

Коэффициент шероховатости n зависит от рода грунтов, типа укрепления канала, состояния русла (см. приложение 1-3 или /3/).

Движение воды в каналах систем дорожного водоотвода обычно соответствует области квадратичных сопротивлений, для которой коэффициент Шези находят по формуле Н.Н.Павловского:

, (1.9)

где y - показатель степени , определяемый по формуле:

(1.10)

Широкое распространение, в связи с ее простотой и достаточной для практических расчетов точностью, получила формула Маннинга:

(1.11)

Задача по определению нормальной глубины потока встречается наиболее часто и решается по формуле Шези: подбором, графоаналитическим методом или с использованием «показательного закона».

Решение методом подбора находится в следующей последовательности:

1. По формуле определяют значение расходной

6

характеристики - .

2. Задаются произвольным значением глубины потока h и по формуле определяют значение расходной характеристики .

3. Сравнивают значения и ( если разница между ними не превышает 1%, то расчет закончен и ho = h, иначе задаются новым значением глубины h и повторяют расчеты до выполнения приведенного выше условия).

Подбор можно упростить, построив по нескольким произвольно заданным глубинам график зависимости = f (h) (рис.1.2), по которому находят глубину, соответствующую расчетному значению расходной характеристики.

Рис.1.2 . Зависимость расходной характеристики от глубины потока

При необходимости определения нормальной глубины на нескольких участках одного канала, которые отличаются только уклоном дна, удобно использовать графоаналитический метод.

Графоаналитическим методом задача решается в следующем порядке:

1. Определяются значение расходной характеристики для каждого участка канала -

2. Определяются наибольшей и наименьшей значения расходной характеристики в диапазоне их изменения.

7

1. Задается ряд значений глубин потока h1, h2 , ..., hn, для которых рассчитываются значения расходных характеристик K1 , K2 , ... , Kn, значения которых должны перекрывать фактический диапазон изменения расходной характеристики для канала (n = 4 - 6).

2. По полученным значениям K1 , K2 , ..., Kn строится график K = f(h) ( рис.1.2) и для значений Ko1 , Ko2 , ..., Kom определяют значения ho1 , ho2 , ..., hom ( m - число участков канала).

Результаты промежуточных расчетов при решения задачи необходимо свести в таблицу, форма которой приведена на рис.1.3..

Глубина потока	Площадь живого сечения	Смочен-ный пери-метр	Гидрав-лический радиус	Коэф-фициент Шези	Расход-ная характе-ристика
h1	1	1	R1	C1	K01
h2	2	2	R2	C2	K02
...
hn	n	n	Rn	Cn	K0n
h0i	0i	0i	Roi	Coi	K0i

Рис.1.3. Форма таблицы для построения зависимости

По окончании расчетов приводятся значения нормальных глубин по участкам.

1.2. Критическая глубина и критический уклон

Критическая глубина hк, т.е. глубина, соответствующая минимуму удельной энергии сечения для русла любой формы поперечного сечения, определяется из основного уравнения критического состояния потока :

(1.12)

где к - площадь сечения потока при глубине, равной критической, м ;

8

bк - ширина русла по свободной поверхности потока при той же глубине, м;

 - коэффициент кинетической энергии, обычно принимаемый равным 1,1;

g - ускорение свободного падения, м/с.

Для русл произвольного поперечного сечения критическая глубина может быть определена подбором. С этой целью задаются глубинами h1, h2, ..., hn , вычисляют соответствующие им площади поперечного сечения, ширины русла по свободной поверхности и определяют соотношения ê /Bê , которые сравниваются с постоянной для условий расчета величиной Q / g. При соблюдении равенства Q/g = ê /Bê искомая критическая глубина равна заданной (hк = hn ).

Для ускорения подбора можно построить график зависимости ê /Bê = f( h ) и по нему определить критическую глубину hк, соответствующую равенству Q /g =ê /Bê .

Для прямоугольных каналов критическую глубину можно определить по формуле

(1.13)

Критический уклон Iк, т.е. уклон дна русла, при котором глубина равномерного движения (нормальная глубина hо) равняется критической глубине hк , определяется по формуле

(1.14)

1.3. Неравномерное движение

1.3.1. Установление типа и формы кривых свободной поверхности потока в призматических руслах

При неравномерном движении в открытых руслах глубины вдоль потока или увеличиваются, или уменьшаются, при этом поверхность

9

потока имеет криволинейную форму. В первом случае кривые называются кривыми подпора, во втором - кривыми спада. Анализ дифференциального уравнения неравномерного установившегося движения жидкости в открытых руслах дает качественную картину движения в каждом конкретном случае: возрастает или уменьшается глубина вдоль потока и какова форма кривой свободной поверхности.

Для установления типа кривых свободной поверхности потока исследуется соотношение между производной dh/dl и нулем. Для кривой подпора dh/dl>0, для кривых спада dh/dl<0 .

В ходе установления формы кривой свободной поверхности используются результаты исследования дифференциального уравнения неравномерного движения в призматическом русле.

Для участков канала с положительным уклоном:

(1.14) (1.15)

где Пк - параметр кинетичности;

Для участков канала с горизонтальным дном: (1.16)

Для участков канала с обратным уклоном: (1.17)

При решении вопроса о формах кривых подпора и спада поток делится на зоны. Зоной называется пространство, ограниченное линиями нормальной (N-N) и критической (K-K) глубин или одной из них и линией дна. Для каждой зоны по соответствующей из формул (1.15 -1.17) выполняется анализ возможных значений (по отношению к нулю) как для внутренних значений глубины потока в зоне, так и при асимптотическом приближении глубины к границам зоны. Уклон поверхности потока определяется по формуле

(1.18)

В ряде случаев кривые подпора или спада меняют кривизну на своем протяжении, что находит свое отражение в их названиях, которые перечислены в надписи по рис.1.4.

Возможные формы и типы кривых свободной поверхности в

10

русле приводятся на рис.1.4 С более подробным анализом форм кривых свободной поверхности можно познакомиться в специальной литературе [4,5].

Чтобы облегчить запоминание всех возможных форм кривых свободной поверхности, достаточно обратить внимание на следующее: если h hо , то свободная поверхность асимптотически приближается к линии нормальных глубин N-N; если h  hк, то свободная поверхность пересекает линию критических глубин K-K под прямым углом.

Рис.1.4. Формы и типы кривых свободной поверхности

(a1 - вогнутая кривая подпора; b1 - выпуклая кривая спада; c1 - выпукло-вогнутая кривая подпора; a2 - выпуклая кривая подпора; b2 - вогнутая кривая спада; с2 - выпуклая кривая подпора; a3 - кривая подпора; c3 - выпуклая кривая подпора)

При неравномерном движении могут возникать два особых явления: водопад, который имеет место при переходе глубиной потока оси критической глубины сверху вниз; гидравлический прыжок, который имеет место при переходе глубиной потока оси критической глубины снизу вверх. Наибольший интерес для решения практических задач представляет явление гидравлического прыжка, которое используется для гашения энергии потока и для преобразования кинетической энергии в потенциальную. В практике проектирования достаточно часто искусственно создаются условия для возникновения гидравлического прыжка.

11