Напорные, частично-напорные и полунапорные трубы. Особенности работы. Формулы расхода.
Гидравлическая работа дорожной водопропускной трубы в общем случае определяется следующими факторами: Конструктивными особенностями трубы: а) формой входного оголовка, наличием и степенью планового сжатия потока перед трубой; б) размерами и формой трубы, а в определенных случаях – ее уклоном, шероховатостью и длиной; в) формой выходного оголовка, наличием гасящих устройств и степенью расширения потока за трубой.
Параметрами потока: а) расходом воды; б) положением горизонта воды в нижнем бьефе.
В зависимости
от сочетания этих факторов возможны
следующие режимы работы дорожной
водопропускной трубы. Безнапорный режим
– существует при условии, что входной
оголовок не затоплен (со стороны верхнего
бьефа в трубу поступает воздух), и поток
в трубе движется со свободной поверхностью.
При безнапорном режиме водопропускная
труба работает аналогично водосливу с
широким порогом. В том случае, когда
длина трубы и ее шероховатость не
оказывают влияния на пропускную
способность трубы (это наблюдается при
незатопленном сечении с критической
глубиной hк на входе, рис. 1), она работает
в гидравлическом отношении как “короткая”.
В противном случае трубу считают
“длинной” (∆hп>0). Одна и та же труба
может работать в гидравлическом отношении
и как “короткая”, и как “длинная”, в
зависимости от ее уклона. Если положение
горизонта воды в нижнем бьефе оказывает
влияние на пропускную способность
трубы, то она считается подтопленной с
нижнего бьефа, в противном случае труба
неподтопленная. Подтопление “короткой”
трубы наступает в момент, когда
затапливается сечение с критической
глубиной на входе (∆hп>0). “Длинная”
труба работает как подтопленная, если
изменение глубины потока в нижнем бьефе
сказывается на величине ∆hп. С увеличением
расхода при безнапорном режиме
увеличивается напор Н перед трубой. При
Н=(1,1-1,3)d (в зависимости от конструкции
входного оголовка) происходит затопление
входного оголовка, но поток в трубе
движется со свободной поверхностью.
Такой режим называется полунапорным.
Труба при этом работает аналогично
случаю истечения из-под щита. Пропускная
способность трубы при полунапорном
режиме определяется только условиями
движения потока на входном участке,
т.е. конструкцией входного оголовка, а
также наличием и степенью планового
сжатия потока перед трубой. При
полунапорном режиме в момент, когда
поток касается свода трубы на любом ее
участке (в зависимости от конструкции
входного оголовка, длины и уклона трубы),
происходит “зарядка”, и труба начинает
работать напорно, режим называется
напорным. Если горизонт воды в нижнем
бьефе затапливает выходное отверстие
более чем на η∙d, тогда труба работает
как подтопленная, и режим называется
напорным затопленным. При полунапорном
и напорном режимах перед трубой
периодически формируются вихревые
воронки и через них в трубу попадает
воздух. При полунапорном режиме это не
оказывает влияния на устойчивость
режима и пропускную способность трубы,
поскольку давление в трубе при этом не
меняется (равно атмосферному), а уменьшение
расхода за счет замещения воды воздухом
небольшое. Если же режим напорный, то у
свода трубы вакуумметрическое давление.
Попадающий воздух снижает его (давление
увеличивается), и пропускная способность
трубы уменьшается. Может произойти и
отрыв потока от стенок: формируется
гидравлический прыжок, и если прыжок
выскочит из трубы, то она разряжается
и начинает работать в полунапорном
режиме. Поскольку пропускная способность
гладкостенных труб при полунапорном
режиме ниже, чем при напорном, напор Н
после срыва напорного режима возрастает.
Таким образом, вихревые воронки,
самопроизвольно формирующиеся перед
трубой, нарушают устойчивую работу в
напорном режиме и могут даже привести
к его срыву. Учитывая это, при проектировании
трубы на работу в напорном режиме
необходимо предусматривать установку
противовихревых устройств в верхнем
бьефе перед трубой. На рис. 1 и 2 приведены
расчетные зависимости по определению
пропускной способности трубы при
различных режимах. Значения коэффициентов
расхода в этих формулах для безнапорного
режимов назначают по рекомендациям
справочников, а для напорного –
рассчитывают по приведенной формуле,
принимая рекомендуемые значения
коэффициентов сопротивлений. Увеличивая
подаваемый расход, последовательно
устанавливают безнапорный, полунапорный
и напорный режимы. Расход подсчитывается
по формуле:
,
где m – коэффициент расхода; b – ширина
водослива (b=25 см); Н – напор над гребнем
мерного прямоугольного водослива.
Горизонты воды в верхнем и нижнем бьефах
фиксируются мерными иглами. Измеренные
параметры заносятся в таблицу 1. вихревые
воронки, формирующиеся на модели,
существенно слабее, чем в натуре,
поскольку явление вихреобразования не
моделируется. Учитывая это, при напорном
режиме следует использовать полную
трубу. Один конец этой трубки выводится
в дорожную трубу (на входной участок),
другой конец имеет выход в атмосферу
(рис. 2). По замеренным параметрам
рассчитываются коэффициенты расхода:
Безнапорный режим. Для расчета m
помимо Q и H необходимо знать величину
bк, которую следует определять по графику
(рис. 4). Полунапорный режим. В
расчетную формулу входит коэффициент
ε, измерить который в одном опыте или
рассчитать нельзя. Поэтому принимаем
его для портального входного оголовка
по нормативным данным, равным ε = 0,79.
Напорный режим. Коэффициент η можно принимать постоянным, не зависящим от расхода и равным. η = 0,85.