книги из ГПНТБ / Переходы через водотоки

В. Д. Поттера (1950 г.), выведенная на основании анализа дождей по 51 бассейну Кумберленского плоскогорья, площадью от 100 до 350 000 а:

где Qio — расход ВП 10%; С — географический параметр, опреде­ ляемый по карте изолиний; ß — морфологический параметр; Дд — параметр, зависящий от уклона и длины водосбора; F — площадь бассейна. Для перехода к расходу ВП 2% расход умножают на коэффициент 1,40.

Широкое распространение за рубежом получила так называе­ мая рациональная формула стока, впервые предложенная Э. Кюхлингом в 1889 г. [157]. Формула имеет вид

дакциях рациональной формулы учитывается фактор повторяе­ мости дождя.

Наряду с эмпирическими формулами в 30—50-х годах п США и Англии возникают методы, частично основанные на генетичес­ ком анализе стока. Прежде всего сюда следует отнести метод единичного гидрографа Л. К. Шермана, применяемый для малых и больших водосборов (см. § 28), и метод Б. Д. Ричардса.

Б. Д. Ричардс рассматривает модуль и объем максимального

циент стока; а — расчетная интенсивность дождя; t — расчетная продолжительность дождя, принимаемая равной времени скло­ нового добегания; W — объем стока; К; К і — постоянные числа.

Интенсивность дождя определяется по формуле

где 5 — ливневый параметр или слой дождя при t Ч); f(F) — функция, учитывающая редукцию слоя дождя по площади и определяемая графически — построением кривой H = f ( F ) .

Б. Д. Ричардсом предложен также метод построения гидрогра­ фа паводка.

Рассматриваемый Б. Д. Ричардсом прием учета редукции слоя дождя по площади бассейна повторяет предложение русского пнж. Дмитриева, опубликованное в киевском журнале «Инженер» за 1882 г.

6дней в году

Внекоторых зарубежных странах отверстия транспортных во­ допропускных сооружений назначаются на пропуск нормативного паводка, ВП которого принимают в зависимости от категории до­ роги (второстепенные дороги и магистрали), типа сооружения (мост, труба) и гидравлического режима работы трубы. В США, например, разные штаты имеют свои нормативы, причем диапазон их достаточно велик — от 20—10% до 1 и даже 0,5%. В некоторых штатах допускается принимать ВП по «историческому паводку» (например, штаты Иллинойс, Индиана, Орегон, Техас) или по ин­

дивидуальным обоснованиям (штаты Кентукки, Нью-Гемпшир, Нью-Йорк и др.). Малые сооружения на второстепенных дорогах проектируют на ВП в диапазоне преимущественно от 20— 10 до 3—4%, а на магистралях — на ВП — 3—2%. Характерными явля­ ются нормативы Австралии по ВП водопропускных сооружений, устраиваемых в горных условиях (табл. ХѴ-4).

§ 70. НАЗНАЧЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Отверстия малых водопропускных сооружений теоретически мо­ гут быть назначены любой величины при условии обеспечения до­ статочной высоты насыпи и соответствующих размеров укреплений. Возможность непосредственного установления отверстия ослож­ няется тем, что при наличии аккумуляции воды перед сооружени­ ем, происходящей в большинстве случаев при расчете ливневого стока, расход воды в сооружении (исходная величина в расчете) зависит также и от его отверстия. В этом случае приходится зада­ ваться вариантами отверстий сооружений и в процессе расчета устанавливать расходы в них и соответствующие подпертые уров­ ни, скорости и глубины размыва на выходах из сооружений. Такой метод целесообразно применять вне зависимости от наличия аккумуляции, дополнив его технико-экономическим сравнением для выбора наиболее рациональных вариантов.

При сравнении вариантов отверстий необходимо учесть прин­ ципы типизации сооружений, так как в ряде случаев бывает эко­ номически оправдано увеличить величину отверстий, сократив при этом число типоразмеров.

Исходными данными для расчетов, связанными с назначением отверстий малых водопропускных сооружений, являются расходы притока воды к сооружениям и соответствующие им гидрографы, определяемые согласно указаниям § 66. Расчет начинают с назна­ чения вариантов отверстий данного типа сооружений (мостов, труб, лотков и т. п.), причем типы сооружений подбирают согласно ре­ комендациям § 60.

При назначении вариантов отверстий используют данные о рас­ ходах, пропускаемых трубами, и соответствующих им подпертых уровнях, приведенные в типовых проектах труб.

Для мостов следует предварительно принимать погонные рас­ ходы 1—3 м3/сек на 1 пог. м отверстия моста.

Далее устанавливают расходы воды в сооружении и строят со­ ответствующие им гидрографы паводков заданной повторяемости (гидрографы сброса). Расходы воды непосредственно в сооружении меньше расходов, притекающих с бассейнов, вследствие аккумуля­ ции воды перед сооружениями. При аккумуляции уровень воды перед сооружением определяется не только притоком воды с бас­ сейна, но и пропускной способностью отверстия. Если приток воды превышает пропускную способность сооружения, то избыточное количество воды способствует возрастанию уровня и объема воды ів водоеме, образующемся перед сооружением. В результате накоп­ ления воды перед сооружением гидрограф притока преобразуется :в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению наибольшего расхода в сооружении по сравнению с наи­ большим расходом притока с бассейна. Объем накопившейся воды перед сооружением зависит от объема стока, гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа водоема.

В настоящее время распространен упрощенный способ расчета расходов воды в сооружениях при наличии аккумуляции, основан­ ный на использовании формулы Д. И. Кочерина [53].

После определения стока выполняют гидравлические расчеты водопропускных сооружений, в результате которых устанавлива­ ют подпертый уровень перед сооружением, скорости и глубины во­ ды в сооружении и за ним, а также размывы за укреплениями. На железных дорогах устанавливают также заполнение трубы при расчетном расходе, как это рекомендуется Техническими условия­ ми (СН 200-62).

Гидравлические расчеты для разных типов водопропускных сооружений отличаются некоторой спецификой, так как в каждом типе сооружений расчет зависит от гидравлических особенностей

их работы.

Водопропускные трубы в зависимости от уклона, с которым они укладываются, делятся на равнинные и косогорные. Равнинные трубы имеют уклоны, существенно не превышающие критические.

В практике принято к равнинным относить трубы, укладываемые с уклонами fT^0,02.

Косогорные трубы имеют уклоны іт>0,02. Для этих труб, как правило, требуются специальные меры по вводу потока в соору­ жение и гашению энергии за ним (или внутри его).

Гидравлический расчет труб зависит от режима протекания по­ тока в пределах входного оголовка и трубы. Излагаемая ниже методика гидравлических расчетов труб разработана в ЦНИИСе [87, 88].

Различают следующие режимы работы труб:

безнапорный, при котором по всей длине сооружения поток не касается верхней точки трубы;

полунапорный — входное сечение трубы затоплено, а на осталь­ ном протяжении свободное протекание;

напорный — входное сечение заполнено и на большей своей час­ ти труба работает полным сечением.

Для установления режима работы трубы необходимо предва­ рительно установить, короткой или длинной в гидравлическом от­ ношении является труба и не оказывает ли влияние на протекание потока глубина воды в выходном русле.

На пропускную способность коротких труб длина не оказывает влияния, а у длинных с увеличением длины пропускная способность снижается.

С некоторым приближением можно считать, что при 0^ / т<Дк трубы будут короткими, если гт^ 2 0 Л т, где Лт— высота трубы. При іт^ік трубы любой длины считаются короткими.

В зависимости от глубины воды в нижнем бьефе трубы могут быть затопленными с нижнего бьефа или незатопленными. Трубу следует считать как незатопленную, если глубина в нижнем бьефе /інб удовлетворяет условиям:

h u б ^ 1 , 2 / Î K и Л н б 1 , 1 й т »

где Лк — критическая глубина водві а трубе, способы определения которой для различных поперечных сечений излагаются в кур­ сах гидравлики и справочной литературе.

При отсутствии в нижнем бьефе подтопления, вызванного ка­ кими-либо сооружениями (например, насыпью второго пути при раздельном земляном полотне) или уровнями воды в реке (при долинных ходах) и уклонах лога на выходе гл 73=0,01, трубы счита­ ются как неподтопленные.

Если подтопление, вызванное внешними причинами, отсутству­ ет, а уклоны лога на выходе іл<0,01, то в качестве глубины в ниж­ нем бьефе принимают бытовую глубину в логу, определяемую мор­ фометрически, подбором.

Короткие неподтопленные со стороны нижнего бьефа трубы встречаются наиболее часто.

Гидравлические расчеты этих труб выполняются в следующей последовательности.

Расчет начинают с установления режима протекания, для чего находят глубины в лимитирующих сечениях трубы: на входе в тру­ бу, а при наличии повышенных звеньев, кроме того, на входе в нор­ мальные звенья. Если эти глубины окажутся меньше высоты трубы в данных сечениях, то режим течения будет безнапорным, в про­ тивном случае для труб со всеми типами оголовков, кроме обтекае­ мых, полунаиорный, а для труб с коническими звеньями, оголовка­

лых труб, где D — диаметр трубы, Ь — высота и отверстие прямо­

угольной трубы.

При наличии повышенного звена под высотой трубы понимают высоту этого звена (йТ(вх) и D BX) .

Рис. ХѴ-14. График для определения глубины во­ ды на входе в круглые трубы:

/ — т р у б а б е з о го л о в к а ; 2 —

во р о тн и к о вы й о го л о в о к ; 3 —

Графики (рис. ХѴ-13 и 14) построены для уклонов 1т«/к- При tT = 0 значения /гвх следует увеличивать на 0,05 /гт.

Для прямоугольных труб с повышенными звеньями, имеющими обычно длину /пз^2/гвх, дополнительно проверяют заполнение на

где Лс — глубина в сжатом сечении трубы, зависящая от типа ого­ ловка:

Н — подпертая глубина воды перед трубой, определяемая по формуле (ХѴ-29).

Для круглых труб с коническими звеньями проверки глубины воды на входе в нормальные звенья, как показали эксперименты, не требуется. По большей из двух относительных глубин на входе

ляют режим протекания воды в трубе (при весьма малых уклонах *т~0 для установления режима протекания потока в трубе необхо­ димо рассчитать свободную поверхность по уравнению неравномер­ ного движения).

Для труб на железных дорогах, рассчитываемых на два рас­ хода (расчетный и наибольший), регламентируется также наиболь­ шее заполнение трубы при пропуске расчетного расхода.

Описанная выше проверка может быть использована и для этой цели.

Подпертую глубину воды перед трубой при безнапорном режи­ ме определяют по формуле

(ХѴ-29)

' tnbKУ2g '

где т — коэффициент расхода при безнапорном режиме работы

и

трубы (см. табл. ХѴ-9);Ок = — — средняя ширина потока в Лк

трубе при критической глубине; для круглых труб Ьк опреде­ ляется по графику (рис. ХѴ-15). для прямоугольных ЬК= Ь .

Если труба окажется длинной в гидравлическом отношении, /т<20/гт, то для установления режима протекания глубину на входе в такую трубу определяют из уравнения

^вх(дл)

(ХѴ-32)

/іт

где /івх — глубина воды на входе в аналогичную короткую трубу, определяемая по графикам рис. ХѴ-13 и ХѴ-14; при /т» 0 / і вх, полученное -по графикам, увеличивается на 0,05 /іт.

Подпертую глубину перед длинными трубами при безнапорном

где Н — подпертая глубина перед аналогичной короткой трубой.

h

При —вх(дл) > 1 и уклонах труб іт~ 0 длинные трубы работают

при напорном режиме.

Подпертая глубина перед трубой в этом случае определяется по формуле (ХѴ-31), а коэффициент расхода

где ÇBX и 1,1 — соответственно коэффициенты сопротивления на вхо­ де и по длине.

Для портальных, раструбных, воротниковых и коридорных ого­ ловков можно принять £вхі= 0,33; для труб с обтекаемыми оголов­

Для круглых труб ç,i следует определять по формуле

2 gn 40

может работать как при напорном, так и при полунапорном режи­ мах протекания.

Вэтом случае необходимо произвести расчеты для Валорного

илолунапорного режимов, используя с некоторым приближением для лолунапорного режима зависимости (ХѴ-30). В расчет прини­ мают наибольшую подпертую глубину.

Если глубина в нижнем бьефе AHG^1>2/ZK и /гНб5г 1,1/?т, то под­ пертую глубину перед трубой определяют по формуле напорного

режима с учетом подтопления

где pm — коэффициент расхода при напорном режиме в условиях подтопления со стороны нижнего бьефа.

Для круглых труб с раструбными оголовками а ог= 20—45° ре­

устраивают подходные быстротоки, в которых поток находится в бурном состоянии. Обычно ширина быстротока по дну больше от­ верстия трубы, и для их сопряжения в быстротоке устраивают су­ жение.

Протекание через сужение первоначально бурного потока про­ исходит по одной из схем: а) с образованием перед трубой гидрав­ лического прыжка; б) с сохранением бурного состояния потока.

Возникновение соответствующего режима течения зависит от сочетания характеристик потока в быстротоке и геометрических характеристик на участке сопряжения.

При образовании перед трубой гидравлического прыжка втека­ ние происходит так же, как и в равнинных условиях.

При сохранении бурного состояния потока, высокой его кинетичности и больших углах сужения на входном участке трубы полу­ чается высокий взлет струй. В этом случае заданный расход воды

вкосогорных трубах будет проходить с большим заполнением, чем

вравнинных условиях. При плавном сопряжении быстротока с