11.10. Расчет размывов за укреплениями

Экономически нецелесообразно устраивать весьма длинные плоские укрепления отводящих русел за малыми мостами и трубами. Поэтому ограничиваются устройством коротких укреплений, заканчивающихся погребенным предохранительным откосом (рис. 11.21), у которого размыв развивается. При этом, как правило, прыжок сгоняется с укрепления в размыв. Однако благодаря значительной глубине заложения предохранительного откоса размыв оказывается безопасным для укрепления и отодвинутым на заданное расстояние от откоса насыпи и водопропускного сооружения.

Рис. 11.21. Продольный разрез укрепления

Расчет глубины размыва, необходимый для назначения заглубления предохранительного откоса, может быть выполнен различными приемами. В дорожном строительстве широкое применение нашли формулы, основанные для свободного растекания бурного потока на уравнении прыжка, а для сбойного течения – на обычном уравнении прекращении размыва при снижении скорости до неразмывающей.

Пользуясь этими формулами, можно получить глубины размыва при свободном растекании бурного потока в зависимости от длины укрепления. Данные об относительных глубинах размыва (/H) сведены в табл. 11.5.

Таблица 11.5. Относительные глубины размыва

	/Н		/Н
0	1,55	4	0,59
1	0,98	5	0,54
2	0,78	8	0,45
3	0,65	10	0,40

Глубина размыва дана в долях глубины воды перед насыпью, определяющей энергию потока на выходе из сооружения. Приведенные глубины размыва могут считаться только приблизительными, так как вывод расчетной формулы не совсем строг. Однако эти глубины, как это следует из табл. 11.6, практически совпадают с глубинами размыва и высотами предохранительных откосов за унифицированными трубами, которые были определены непосредственно из лабораторного эксперимента. Следовательно, пользоваться этими простыми данными для назначения глубин заложения предохранительных откосов в случаях индивидуального проектирования защиты сооружений можно.

Таблица 11.6. Экспериментальные глубины размыва

Диаметр круглых труб, м	Ширинах и высота прямоугольных труб, м	Н, м		hотк	 по табл. 11.5
0,75	–	1,00	5,5	0,85	0,55
1,00	–	1,40	5,5	1,30	0,75
1,25	–	1,75	5,0	1,30	0,95
1,50	–	2,10	4,9	1,30	1,10
2,00	–	2,80	4,7	1,30	1,55
–	1,0х1,2	1,80	3,0	1,30	1,15
–	1,25x1,5	1,80	3,0	1,30	1,55
–	1,5х2,0	2,40	3,0	1,30	1,55
–	2,0x2,0	2,40	3,0	1,30	1,55

Расчет размывов при свободном растекании бурного потока получил дальнейшее развитие в работах М.В. Немчинова. Получена общая формула связи глубин потока на сходе с укрепления h₁, и глубины потока h₂ после его резкого расширения в вертикальной плоскости (рис. 11.22б)

, (11.41)

где h_кр – критическая глубина; h_пр – высота прыжка (h_б – h₁); h_б – бытовая глубина в отводящем русле.

Схемы образования воронок размыва за укреплениями показаны на рис. 11.22.

Рис. 11.22. Расчетные схемы к определению глубины размыва при свободном растекании

Формула (11.41) переходит в обычную формулу прыжка (рис. 11.22а) при отсутствии размыва (=0), когда глубина прыжка h_пр = h₂ – h₁. При невозможности такого прыжка, т. е. при h₂ > h_б в размываемом русле за укреплением, будет развиваться воронка размыва, глубина которой (рис. 11.22в)

. (11.42)

Такой предельной глубины воронка размыва достигает при весьма слабых грунтах, плохо сопротивляющихся размыву. При более прочных грунтах воронка с глубиной ₁ не разовьется, а ее глубина окажется равной (рис. 11.22в)

, (11.43)

где q – элементарный расход воды; V_н – неразмывающая скорость для грунта; V₁ – скорость схода потока с укрепления; k – коэффициент, учитывающий повышенную турбулентность потока в яме размыва (0,6).

Для приблизительного определения расхода центральной струи и скорости течения на кромке укрепления через q_вых и V_вых (т. е. на выходе из сооружения) можно воспользоваться табл. 11.7, составленной по данным опытов М. В. Немчинова.

Таблица 11.7. Расход центральной струи q и скорость V на кромке укрепления

0,0	1,00	1,00	1,00	5,5	0,16	0,58	0,28
1,5	0,43	0,83	0,52	7,5	0,11	0,46	0,24
3,5	0,22	0,71	0,31	11,0	0,10	0,43	0,23

При сбойном течении, возникающем при значительных бытовых глубинах нижнего бьефа (в отводящем русле), размыв (рис. 11.23) определяется как

, (11.44)

где k₁ = 2,65 – коэффициент сбойности; k_o =0,75 – коэффициент повышения турбулентности потока в яме размыва.