11.7. Косогорные сооружения поверхностного водоотвода

Для предупреждения размыва мостов и труб на косогорах, а также и склонов косогоров текущей водой устраивают подводящие и отводящие русла (рис. 11.10) в виде быстротоков, перепадов с водобойными колодцами, консольных водосбросов и т. п.

Рис. 11.10. Косогорные сооружения у малого моста: 1 – естественное русло; 2 – перепады с водобойными колодцами; 3 – мост; 4 – быстроток; 5 – водобойный колодец; 6 – уступ

Искусственные русла проектируют в соответствии с местными условиями, имея в виду следующие характеристики отдельных типов косогорных сооружений:

• быстротоки (рис. 11.11а) применяются на любых уклонах, но в связи с большой скоростью протекания воды в местах сопряжения быстротока с другими сооружениями необходимо предусматривать устройство гасителей энергии, а сам быстроток укреплять в соответствии со скоростью потока;

• перепады с водобойными колодцами (11.11б) применяются, главным образом, на значительных уклонах (перепады без водобойных колодцев практически не устраивают, так как они могут быть размещены только на очень малых уклонах);

• консольные водосбросы (рис. 11.11в) применяются для пропуска воды над дорогой в том случае, когда устройство водопропускного сооружения под дорожной насыпью оказывается менее целесообразным.

Рис. 11.11. Основные типы косогорных сооружений: i_м – уклон местности

Расчет быстротока. Быстротоком (рис. 11.12) называют искусственное русло, уклон которого больше критического. Последовательность гидравлического расчета быстротока следующая.

Рис. 11.12. Расчетная схема быстротока: 1 – входной оголовок; 2 – кривая спада

1. Определяют ширину быстротока по заданным скорости течения воды V_о, уклону I и шероховатости:

, (11.17)

где n – коэффициент шероховатости быстротока, назначаемый с учетом аэрации, зависящей от уклона и материала стенок быстротока; h_о – глубина воды в быстротоке; V_о – допускаемая скорость течения на быстротоке. Формула выведена в предположении, что гидравлический радиус мало отличается от глубины потока.

2. Определяют глубину воды в конце быстротока

. (11.18)

3. Определяют глубину воды на входе в быстроток из канала с уклоном I<I_кр, которая равна критической

. (11.19)

4. Выясняют условия затопления струи на выходе из быстротока в русло с уклоном меньше критического. Для этого вычисляют вторую сопряженную глубину прыжка

. (11.20)

Если глубина h_б в русле за быстротоком больше, чем глубина за прыжком h", то прыжок затоплен, и скорость за быстротоком определяется глубиной потока h_б. Если же эта глубина меньше, чем глубина h" (т. е. h_б < h"), то в целях сокращения участка высоких скоростей в русле за быстротоком следует устроить водобойный уступ (колодец), глубина которого определится как

. (11.21)

Необходимую длину водобойного колодца (от конца быстротока до водобойного уступа) рассчитывают по формуле подпертого прыжка

. (11.22)

Расчет перепада с водобойным колодцем. Перепад с водобойным колодцем состоит из следующих элементов (рис. 11.13): входа 1, стенки падения 2, водобоя 3 и выхода-уступа 4, если перепад одноступенчатый, и водобойной стенки, если перепад многоступенчатый.

Рис. 11.13. Схема одноступенчатого перепада

Последовательность гидравлического расчета перепада с водобойным колодцем (рис. 11.14) следующая.

1. Назначают ширину водобойного колодца b исходя из нормы расхода 0,5-1,0 м³/с на 1 м ширины колодца. Чаще всего ширину колодца делают одинаковой с отверстием водопропускного сооружения. Высоту перепада р назначают путем деления разности отметок подводящего и отводящего сооружения на участке расположения перепадов на число перепадов, назначаемое сначала ориентировочно.

2. Определяют глубину воды на входе, равную критической, по формуле (11.19).

Рис. 11.14. Расчетная схема многоступенчатого перепада

3. Определяют глубину в сжатом сечении падающей струи. Для этого подсчитывают энергию сечения на входе, задаваясь ориентировочно глубиной колодца d

. (11.23)

Определяют относительную энергию

. (11.24)

По графику (рис. 11.15) определяют относительную глубину после прыжка в сжатом сечении, задавая коэффициент скорости 

(11.25)

и вычисляют глубину после прыжка

. (11.26)

Порядок пользования графиком показан стрелками на рис. 11.15.

Рис. 11.15. График для расчета перепадов

4. Определяют глубину воды перед водобойной стенкой

. (11.27)

5. Проверяют достаточность заданной глубины колодца. Необходимо, чтобы

. (11.28)

Если это равенство не выполняется, то глубину колодца, заданную ориентировочно, изменяют и расчет по формулам повторяют снова, пока условие не будет выполнено.

6. После расчета глубины колодца определяют минимально допустимую его длину

, (11.29)

где , . Здесь V_кр – скорость в сечении на входе

; (11.30)

y – высота падения струи и ; – глубина после прыжка в сжатом сечении, – глубина в сжатом сечении в колодце, определяемая по графику на рис. 11.15, по которому аналогично величине определяется величина и глубина воды в сжатом сечении .

7. Длина водобойной стенки (толщина водосливного порога) рассчитывается как

. (11.31)

8. Проверяют вписывание перепада в профиль местности, для чего определяют уклон перепада

. (11.32)

Этот уклон должен быть не меньше того, которым характеризуется косогор. Если же уклон косогора меньше уклона перепада, то длину каждого колодца увеличивают, что только улучшает условия затопления струи. Длина колодца, соответствующая заданному уклону местности

. (11.33)