книги / Переходы через водотоки

Рассматриваемый Б. Д. Ричардсом прием учета редукции слоя дождя то площади бассейна повторяет предложение русского инж. 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. XV-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.

371

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 мг/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 (в водоеме, образующемся перед сооружением. В результате накоп­ ления воды перед сооружение^ 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.

372

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

Косогорные трубы имеют уклоны iT>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;

полуиапориый — 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<д’к трубы будут короткими, если /T^ 2 0 A T, где hT— высота трубы. При

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 кнб удовлетворяет условиям:

йнб ^ 1,2АК и Лнб < 1,1Ат,

где hK— критическая глубина воды в 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 /л^0,01, трубы счита­ ются как неподтопленные.

Если подтопление, вызванное внешними причинами, отсутству­ ет, а уклоны лога на выходе /л<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.

373

Рис. XV-13. График для определения глубины во­ ды на входе в прямо­ угольные трубы:

u = l( ) ; 3 — ю ж е , a = 2 0 J; 4 —

то ж е , а —30— 45°; 5 — о го л о в ­

ки п ор тал ь н ы е

Расчет начинают с установления режима протекания, для чего находят глубины в лимитирующих сечениях трубы: па 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, полупаиориый, а для труб с коническими звеньями, оголовка­

hTУg3b2hT D2JIgD

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

угольной трубы.

При наличии повышенного звена под высотой трубы понимают высоту этого звена (ЛТ(вх) и DBX),

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

раструбный а;= 20° с кониче­ ским звеном

374

Графики (рис. XV-13 и 14) построены для уклонов iT~iu- При iT= 0 значения hBX следует увеличивать на 0,05 Нт.

. Для прямоугольных труб с повышенными звеньями, имеющими

обычно длину /пз^2/7Вх, дополнительно проверяют заполнение на входе в нормальное звено. Глубину воды в этом сечении опреде­ ляют по формуле

где hc — глубина в сжатом сечении трубы, зависящая от типа ого­

ловка:

Н — подпертая глубина воды перед трубой, определяемая по

формуле (XV-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 дели.

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

трубе при критической глубине; для круглых трую Ьк опреде­ ляется по графику (рис. XV-15). для прямоугольных Ьк— Ь.

375

Рис. XV-15. График для определения ши­ рины потока в сече­ нии с критической глубиной

Подпертую глубину при полунапорном режиме определяют по формуле

о>соор — площадь поперечного сечения сооружения.

При напорном режиме подпертую глубину определяют по фор­ муле

* Коэффициент расхода при наличии на входе в трубу конического звена.

376

/т<20/гт, то для установления режима протекания глубину на входе в такую трубу определяют из уравнения

Для портальных, раструбных, воротниковых и коридорных ого­ ловков можно принять £вх;=0,33; для труб с обтекаемыми оголов­ ками £вх = 0,20. Для труб без оголовка £ВХ — 0,55.

Коэффициент сопротивления по длине можно принимать по формуле

2gnHo

377

Для круглых труб & следует определять по формуле

2gn40

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

В этом случае необходимо произвести расчеты для напорного и полунапорного режимов, используя с некоторым приближением

для полунапорного режима зависимости (XV-30). В расчет прини­ мают наибольшую подпертую глубину.

Если глубина в нижнем бьефе АНб^1,2Лк и АНб^1,1йт, то под­ пертую глубину перед трубой определяют по формуле напорного режима с учетом подтопления

Для ввода потока в косогорные сооружения, как правило, 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

378

трубой при том же заполнении, что и в равнинных трубах, косогор­ ные сопряжения могут пропустить в 2—2,5 раза большие расходы.

Для установления высоты стенок быстротока глубину воды в нем приближенно можно определить по уровнению Шези, более точно — по уравнению неравномерного движения.

Малые мосты при наличии в них укрепленных русел и соблюде­ нии условия

зующих конусов); Я — подпертая глубина перед мостом.

мост рассчитывать как прямоугольную трубу.

При расчете малого моста по схеме водослива с широким по­ рогом возможны два случая протекания: свободное (по типу незатопленного водослива) и несвободное (по типу затопленного во­ дослива). Свободное протекание в отличие от несвободного харак­ теризуется отсутствием влияния глубины воды в выходном логе.

При свободном протекании глубину воды под мостом прибли­ женно принимают равной критической глубине йк, при несвобод­ ном — бытовой глубине в логу йб.

Подпертую глубину перед мостом Я определяют по формуле

деляемые в зависимости от режима протекания согласно реко­ мендациям, приведенным ниже; ф — коэффициент скорости; при устоях, выступающих из конусов, ф=0,85; для мостов свай­

Режим протекания воды под мостом определяют сравнением гидравлических характеристик потока в подмостовом сечении и от­ водящем русле.

По исследованиям М. И. Виноградова, свободное протекание возможно при условии

где йк — критическая глубина под мостом.

379

При свободном режиме протекания глубину под мостом прини­ мают равной критической и формула (XV-40) для определения подпертой глубины приобретает вид:

а) для прямоугольного подмостового сечения

из выражения критической функции, при несвободном режиме про­ текания скорость определяют путем деления расхода на площадь живого сечения под мостом.

Согласно техническим условиям (СН 200-62) бровка земля­ ного полотна должна возвышаться не менее чем на 0,5 м над под­

пертым уровнем, образующемся при пропуске наибольшего расхо­ да для железнодорожных водопропускных сооружений и расчетно­ го расхода— для автодорожных.

По исследованиям Л. Л. Лиштвана и С. М. Быханова [76], еди­ ная норма запаса в возвышении бровки полотна над уровнем воды в ряде случаев не компенсирует возможные ошибки в расходе и уровне воды, а в некоторых случаях запас этот излишен. В новых Технических условиях необходимо ввести дифференцированную норму запаса возвышения бровки полотна над подпертым уровнем воды с учетом вероятной ошибки и размеров аккумуляции воды перед сооружением.

Завершающим этапом гидравлических расчетов малых водо­ пропускных сооружений является расчет размыва на выходах из них.

Размыв рекомендуется рассчитывать по методике, разработан­ ной в 1968— 1969 гг. на основе экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в ЦНИИСе, Г. Я. Волченковым [27, 28, 29, 87].

Особенностью методики ЦНИИСа является учет реальной про­ должительности паводка: расчет ведется не на предельную глуби­ ну размыва, достигаемую лишь при неограниченном во времени прохождении пиковых расходов, а на расчетный и наибольший паводки, характеризуемые определенными гидрографами.

Максимальные ординаты этих гидрографов равны расчетному и наибольшему расходам, имеющим вероятность превышения, пре­ дусмотренную нормами.

Приближенно расчет размыва по гидрографу паводка заме­ няется расчетом размыва во времени при постоянном пиковом рас­ ходе, время которого принимают равным lU продолжительности

подъема и спада паводка плюс время стояния его пика.

380