11.4. Расчет отверстий труб
В зависимости от глубины подтопления и типа входного оголовка в трубах могут устанавливаться следующие режимы протекания потока воды:
– безнапорный режим, если подпор меньше высоты трубы на входе либо превышает ее не более чем на 20%; на всем протяжении трубы водный поток имеет свободную поверхность (рис. 11.4 а);
– полунапорный режим, возникающий при оголовках обычных типов (портальных, раструбных) в тех случаях, когда подпор превышает высоту трубы на входе более чем на 20%; на входе труба работает полным сечением, а на всем остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. 11.4 б);
– напорный режим, устанавливающийся при специальных входных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы на входе более чем на 20% (рис. 11.4 в); на большей части длины труба работает полным сечением и лишь у выхода поток может отрываться от потолка трубы.
При значительном подтоплении входа в трубу напорный режим может возникать периодически и при оголовках обычных типов. Однако из-за прорывов воздуха через образующуюся у входного отверстия воронку, протекание воды в этом случае часто переходит в полунапорный режим.
Рис. 11.4. Режимы работы труб: а – безнапорный; б – полунапорный; в – напорный
В связи с невысокой точностью определения притока воды к сооружению можно при расчете отверстий сооружений ограничиться упрощенными расчетами. Приближенные расчетные формулы пропускной способности труб соответствуют трем режимам протекания воды в трубах:
а) безнапорный режим (аналогия – водослив с широким порогом)
,
(11.6)
где Qс – расход воды, проходящей в сооружении; с – площадь сжатого сечения в трубе, вычисляемая при глубине hс=0,5H; б – коэффициент скорости.
Для прямоугольных сечений Qc=1,33bH3/2;
б) полунапорный режим (аналогия – истечение из-под щита)
,
(11.7)
где hc=0,6hвх; hвх – высота входа в трубу.
При
обычных значениях п=0,85
и =0,6
–
;
в) напорный режим (аналогия – истечение из трубопровода)
,
(11.8)
где Т, hТ – площадь сечения и высота основного протяжения трубы; н – коэффициент скорости, для обтекаемого оголовка – 0,95.
На основе расчетных формул пропускной способности труб при разных режимах протекания воды составляют расчетные таблицы (табл. 11.2) или графики пропускной способности типовых труб (рис. 11.5). Полностью такие таблицы и графики приводятся в типовых проектах, в том числе для унифицированных труб, нашедших широкое применение в строительстве.
Таблица 11.2. Гидравлические характеристики типовых круглых труб
Диаметр отверстия, м |
Расход, м3/с |
Глубина воды перед трубой, м |
Скорость на выходе из трубы, м/с |
Диаметр отверстия, м |
Расход, м3/с |
Глубина воды перед трубой, м |
Скорость на выходе из трубы, м/с |
Портальный оголовок |
|
||||||
0,75 |
0,20 |
0,41 |
1,40 |
1,50 |
3,90 |
1,74 |
3,80 |
0,40 |
0,62 |
1,70 |
4,50 |
2,19 |
3,90 |
||
0,60 |
0,79 |
2,00 |
4,80 |
2,27 |
4,00 |
||
Раструбный оголовок с нормальным входным звеном |
1,75 |
4,50 |
1,47 |
3,20 |
|||
1,00 |
0,60 |
0,68 |
2,10 |
4,70 |
1,75 |
3,70 |
|
0,80 |
0,81 |
2,30 |
5,00 |
1,81 |
3,70 |
||
1,00 |
0,93 |
2,40 |
6,00 |
2,08 |
4,10 |
||
1,20 |
1,05 |
2,60 |
2,00 |
4,50 |
1,47 |
3,20 |
|
1,40 |
1,16 |
2,80 |
5,00 |
1,55 |
3,30 |
||
Раструбный оголовок с коническим входным звеном |
5,50 |
1,65 |
3,40 |
||||
1,00 |
0,80 |
0,57 |
1,40 |
6,00 |
1,73 |
3,50 |
|
1,00 |
0,84 |
2,40 |
6,50 |
1,81 |
3,60 |
||
1,40 |
1,03 |
2,70 |
7,00 |
1,90 |
3,70 |
||
1,65 |
1,14 |
2,90 |
7,50 |
1,98 |
3,80 |
||
2,00 |
1,31 |
3,30 |
8,00 |
2,06 |
3,90 |
||
2,20 |
1,39 |
3,40 |
8,50 |
2,14 |
4,00 |
||
1,25 |
1,00 |
0,77 |
2,20 |
9,00 |
2,22 |
4,10 |
|
1,50 |
0,95 |
2,50 |
9,50 |
2,31 |
4,20 |
||
2,00 |
1,13 |
2,70 |
10,00 |
2,38 |
4,30 |
||
2,50 |
1,29 |
3,00 |
10,50 |
2,46 |
4,30 |
||
1,50 |
2,70 |
1,37 |
3,20 |
11,00 |
2,54 |
4,50 |
|
3,00 |
1,46 |
3,30 |
12,50 |
2,78 |
4,80 |
||
3,50 |
1,61 |
3,50 |
|||||
Рис. 11.5. График для определения пропускной способности типовых труб: а – круглых; б – прямоугольных (цифры на кривых – отверстия труб, м)