Рудиков Д. А. Гидравлика и гидрология учеб. пособие 2021 118 с

ной стенки (ширина русла нижнего бьефа), м; vCT Q – средняя ско- bhCT

рость потока на подходе к водобойной стенке, м/c.

После определения высоты водобойной стенки необходимо проверить условие сопряжения потока за стенкой. В случае если за стенкой наблюдается отогнанный прыжок, то для предотвращения отгона прыжка необходимо рассчитать вторую стенку или запланировать устройство комбинированного водобойного колодца.

Расстояние lCT от сжатого сечения до водобойной стенки определя-

ется аналогично расчету длины водобойного колодца. Водобойные стенки могут устраиваться прорезными или с отверстиями у основания. Это исключает заиление и замерзание воды перед ними в зимний период.

Комбинированный водобойный колодец представляет собой сочета-

ние водобойного колодца и водобойной стенки (рис. 6.7). Он используется для уменьшения глубины колодца или высоты водобойной стенки.

Рис. 6.7. Схема комбинировнного водобойного колодца

Исходным уравнением для расчета является

Уравнение (6.15) содержит два неизвестных. Поэтому для его решения необходимо задать одно из них ( dk или PCT ) и определить второе не-

известное ( PCT или dk ).

Расчет сводится к обеспечению затопленного прыжка в комбинированном водобойном колодце. Вычисления аналогичны ранее рассмотренным. Длина комбинированного колодца такая же, как и для обыкновенного водобойного колодца. В транспортном строительстве комбинированные водобойные колодцы встречаются весьма редко Наибольшее распространение получило устройство водобойных стенок

101

6.5Перепады, быстротоки и консольные водосбросы

Винженерной практике часто возникает необходимость перевода потока с более высоких отметок на более низкие на достаточно коротком участке местности. Примером такой задачи может служить отвод воды с полотна автомобильной дороги, устроенной в насыпи. В этих случаях могут использоваться сооружения в виде одной или нескольких ступеней (перепад), русло с уклоном дна больше критического (быстроток) или лоток на опорах (консольный водосброс).

Перепадами называются водопропускные сооружения, сопрягающие участки потока разных уровней ступенями. Перепады по конструкции могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми, колодезного и бесколодезного типов. Основными элементами перепада являются: входная часть, стенка падения, водобой и выходная часть. В одноступенчатом перепаде рассчитывается глубина потока на входе, водобое и выходной его части (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Схема одноступенчатого перепада

Гидравлический расчет входной части сводится к определению ее ширины, которая находится из уравнения водослива с широким порогом (6.2). Она может быть равной ширине подводящего русла или несколько меньше. Эта ширина сохраняется на протяжении всего перепада. При уклоне дна подводящего канала i < ik на входной части перепада наблюдается кривая спада (типа b1), которая заканчивается критической глубиной hk . Ввиду уменьшения глубины в сравнении с глубиной в подводящем ка-

нале на входной части перепада наблюдается возрастание скорости, поэтому требуется укрепление русла. Этого можно избежать путем устройства порога или щелевого водослива [12, 19].

102

За стенкой падения на водобое образуется сжатое сечение с глубиной hC (рис. 6.8). Для ее определения используется уравнение (6.8). При этом

величина полной удельной энергии при расчете глубины hC составит

E H0 P .

После приравнивания глубины нижнего бьефа ко второй сопряженной глубине гидравлического прыжка hНБ h2 определяется величина пер-

вой сопряженной глубины h1 гидравлического прыжка. Сравнение ее с глубиной hC в сжатом сечении определяет тип сопряжения бьефов (6.3).

При наличии отогнанного гидравлического прыжка или положения его в критическом состоянии (первый или второй тип сопряжения бьефов) устраивается водобойная стенка. Высота водобойной стенки определяется согласно зависимости (6.13). Расстояние от стенки падения до водобойной стенки:

го прыжка.

Дальность отлета струи определяется из уравнений свободного падения тела с горизонтальной скоростью vC (рис. 6.8):

x vCt и y gt2 2 ,

где vC – средняя скорость потока при выходе со стенки падения. Высота падения (потока) принимается равной

y P h2k

Из второго уравнения свободного падения находится время падения

Подстановка выражения для t в первое уравнение свободного падения приводит к соотношению

Вместо формулы (6.17) В. Д. Журин предложил более простую фор-

мулу:

При гидравлическом расчете многоступенчатых перепадов число и высоту ступеней определяют в зависимости от общей высоты падения и рельефа местности. Высоту отдельной ступени принимают в пределах от 1,0 до 1,5 м. Конфигурация перепада должна вписываться в рельеф местности Pl iM . В данном случае обеспечивается минимальный объем ра-

бот по возведению перепада и увеличивается его устойчивость Входная и выходная части многоступенчатого перепада рассчиты-

ваются аналогично одноступенчатому перепаду, кроме того, определяется длина промежуточных ступеней Длина и уклоны их назначаются равными. Они могут быть с нулевым уклоном, равным или меньшим критического. В большинстве случаев они устраиваются горизонтальными [19].

Длина промежуточной ступени должна обеспечить выход потока на следующую ступень с минимальной энергией h hk . В общем случае ее

длина составит (рис. 6.9):

Рис. 6.9. Многоступенчатый перепад

Длина l кривой подпора находится по способу Бахметева для горизонтального русла. Глубина в начале кривой равна hC , а последнее ее зна-

чение hk . При недостаточной длине ступени будет происходить накопле-

ние энергии потока от ступени к ступени, что является крайне нежелательным.

104

Для уменьшения длины ступени многоступенчатого перепада в конце ее устраивается водобойная стенка. Такие перепады называются пере-

падами колодезного типа (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Многоступенчатый перепад колодезного типа

В данном случае проводится расчет высоты стенки PC и длины ступени lC . Высота стенки обеспечивает получение затопленного гидравличе-

ского прыжка. Рассчитывается она по формуле (6.13).

Длина ступени колодезного перепада (рис. 6.10) определяется по зависимости

где l0 – длина отлета струи, определяется с учетом увеличения удельной энергии Е на высоту стенки PC , м; lnnp – длина подпертого гидравлическо-

го прыжка, м; – толщина стенки (назначается конструктивно), м. Быстротоки представляют собой искусственные русла с уклоном

больше критического i > ik, которые устраиваются для сопряжения участков потока, расположенных на разных уровнях (рис. 6.11).

Быстротоки являются наиболее распространенными сооружениями водоотвода, которые устраиваются на периодически действующих водотоках косогоров и насыпей автомобильных дорог. В зависимости от конкретных условий уклон быстротоков изменяется в широких пределах (от

0,1 до 0,5).

Быстроток состоит из входной части, водоската (собственно быстротока) и выходной части (рис. 6.11). Входная часть служит для сопряжения потока подводящего русла с потоком водоската. Она обычно проектируется в виде сужающегося участка прямоугольного или трапецеидального сечения с уклоном дна равным уклону подводящего русла. Входная часть рассчитывается как незатопленный водослив с широким порогом. На данном участке имеет место выпуклая кривая спада b1 . В конце входного

участка устанавливается критическая глубина hk , однако, по данным В. А. Большакова, она может быть равна (0,7–0,8) hk [23].

105

Рис. 6.11. Схема быстротока: а – разрез по оси; б – план;

1 – входная часть; 2 – водоскат; 3 – выходная часть

Ширина лотка быстротока bЛ обычно меньше ширины подводящего

и отводящего русла, так как ввиду большой скорости течения на водоскате живое сечение потока невелико. Расчет быстротока сводится к определению на нем глубины hC и скорости vC потока путем построения кривой

спада b2 , которая начинается с критической глубины. При достаточно

большой длине водоската в конце его может устанавливаться нормальная глубина hC h0 . Такой быстроток называется длинным. Если кривая спада

меньше длины водоската, в конце быстротока устанавливается глубина больше нормальной глубины (короткий быстроток). При больших скоростях течения на быстротоке наблюдается аэрация потока – насыщение его пузырьками воздуха, что приводит к увеличению глубины. Это явление становится существенным при высоких скоростях (более 8 м/с). Для гашения энергии потока на быстротоке иногда устраивается искусственная шероховатость. В любом случае высоту бортов (стенок) назначают с некоторым запасом (примерно 25 см) относительно кривой спада.

Выходной участок быстротока является наиболее ответственной его частью. Здесь происходит сопряжение бурного потока, сходящего с водоската со спокойным потоком нижнего бьефа. Такое сопряжение происходит в форме гидравлического прыжка. Необходимо определить тип сопряжения бьефов. При наличии отогнанного или гидравлического прыжка в критическом положении устраивается водобойный колодец или водобой-

106

ная стенка. Часто выходной участок проектируется более широким, чем отводящее русло. Тогда при незначительной глубине в отводящем русле может наблюдаться свободное растекание потока. Равномерное растекание будет происходить при угле отклонения прямолинейных стенок не более 7° от оси потока. Все участки быстротока требуют соответствующего укрепления дна и стенок русла.

Консольный водосброс представляет собой лоток с большим уклоном i > ik, приподнятый на специальных опорах над поверхностью земли (рис. 6.12). Консольный водосброс используется при сбросе воды с крутых косогоров, где устройство быстротоков невозможно, так как ввиду большого уклона поток может оторваться от лотка и перейти в водопад, а также для переброски потока над автомобильной дорогой

В конце лотка консольного водосброса устраивается короткий носоктрамплин длиной 1–2 м, который имеет нулевой или обратный уклон. С его помощью поток отбрасывается от сооружения в виде свободно падающей струи. В месте падения потока образуется воронка размыва, заполненная водой, которая играет роль гасителя энергии.

Гидравлический расчет входной части и лотка выполняется аналогично расчету быстротока. Глубина потока в конце трамплина принимается равной глубине потока в конце лотка hC . В отличие от быстротока рас-

считывается дальность отлета струи lОТЛ и радиус воронки размыва rB

(рис. 6.12).

Рис. 6.12. Схема консольного водосброса

107

Дальность отлета струи определяется на основании уравнений сво-

Неучтенные факторы (трение струи о воздух, боковое и встречное давление ветра и др.) могут уменьшить дальность отлета струи на 10–20 %.

Для расчета радиуса воронки размыва необходимо определить глубину размыва. Для несвязных грунтов она вычисляется по формуле Студеничникова:

рина лотка, м; =1 – коэффициент расширения струи; а = 0,8 – коэффициент, учитывающий аэрацию струи; d – средний диаметр частиц грунта, мм; hНБ – бытовая глубина в нижнем бьефе, м.

При заложении откосов 1:1 радиус воронки размыва составит

Большие размеры воронки размыва представляют опасность для устойчивости последней опоры консольного водосброса.

108

7 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ОТВЕРСТИЙ ДОРОЖНЫХ ТРУБ И МАЛЫХ МОСТОВ

Рельеф земной поверхности характерен чередованием повышенных и пониженных участков. Чтобы обеспечить сток воды от выпадающих осадков в местах пересечения дорогами пониженных участков рельефа, должны быть предусмотрены водопропускные сооружения.

Инженерные сооружения железных дорог работают в условиях сложного взаимодействия с потоком, если они расположены на пересечениях дорог с гидрографической сетью. Такие сооружения называют до-

рожными водопропускными сооружениями. Это мосты и дорожные водо-

пропускные трубы, шахтные водосбросы, дюкеры, лотки, фильтрующие насыпи и дамбы [16, 17].

Малые мосты имеют длину до 25 м, средние – от 25 до 100 м, большие – 100 м и более. Это деление носит условный характер.

В гидравлике используется другая классификация: мосты с укреплёнными и неукреплёнными подмостовыми руслами. Водопропускные трубы и мосты с укреплёнными подмостовыми руслами относят к одному общему типу сооружений и называют условно малыми сооружениями. В настоящем пособии рассматриваются только такие сооружения. Гидравлические расчёты труб и малых мостов основаны на гидравлике потока с неразмываемым руслом, что даёт возможность назначать скорости потока, существенно превышающие скорости естественного (не стеснённого сооружениями) потока. Наименьшее поперечное сечение в водопропускном сооружении при заданном расходе воды представляет собой отверстие сооружения. Наибольший поперечный (горизонтальный) размер отверстия (сечения, перпендикулярного к течению водотока) называют шириной отверстия. Для круглых труб при их полном заполнении водой и для труб при их заполнении более чем наполовину – это внутренний диаметр трубы. Для однопролётных мостов ширина отверстия равна расстоянию между устоями по свободной поверхности потока. Укреплённые подмостовые сечения бывают прямоугольные и трапецеидальные. Если в насыпи укладывают несколько труб на одном уровне, а мост имеет несколько пролётов, то ширину отверстия определяют соответственно суммированием диаметров труб и суммированием расстояний между опорами, т. е. находят расстояние в свету. Часто вместо «ширина отверстия» используют просто термин «отверстие» и подразумевают под этим линейную величину. Ширина отверстия трубы или моста всегда меньше ширины водотока до сооружения, следовательно, происходит сжатие потока. С помощью гидрологических и гидравлических расчётов при проектировании водопропускных сооружений решают главную задачу – определяют отметку поверхности воды в верхнем бьефе сооружения, от чего зависит отметка верха (бровки) насыпи железной дороги.

109

Конструкции водопропускных труб отличаются большим разнообразием. По форме отверстия различают трубы прямоугольные, круглые, овоидальные, прямоугольные с полуциркульным сводом и др. Трубы состоят из оголовков, звеньев и фундаментов [16, 17]. Различают оголовки портальные, раструбные, коридорные, воротниковые и др.

В прямоугольных трубах отверстием 1,0–2,5 м применяют раструбные оголовки с повышенным входным звеном. Его высота на 0,5 м больше высоты нормального звена.

Применяют трубы и без оголовков. Малые водопропускные сооружения изготавливают из металла, бетона, железобетона, камня и дерева. Применяют мосты – балочные, арочные, эстакадные и др. Существуют типовые проекты труб и мостов. На железных дорогах в основном применяют сборные трубы: круглые железобетонные диаметром 1,0–2,0 м; прямоугольные бетонные отверстием 1,5–6,0 м; круглые металлические гофрированные диаметром 1,3–3 м.

7.1 Гидравлическая классификация дорожных водопропускных труб

В зависимости от уклона дна трубы (её лотковой части) различают трубы: с нулевым уклоном ( J0 0 ); с прямым малым уклоном ( J0 < Jk ); с

уклоном, равным критическому ( J0 = Jk ); с прямым большим уклоном

( J0 > Jk ) [16, 17].

В зависимости от наличия свободной поверхности в дорожных трубах различают движение воды в трубах: безнапорное (рис. 7.1, а); полунапорное (рис. 7.1, б); напорное (рис. 7.1, в).

При безнапорном движении (безнапорные трубы) поток на всей длине трубы имеет свободную поверхность, входное сечение трубы не затоплено. Это бывает при HhT 1,2 , где H – статический напор; hT – вы-

сота трубы (или диаметр трубы d ). При полунапорном движении входное сечение трубы заполнено водой (поток соприкасается с периметром отверстия по всей его длине), и на всей длине трубы поток имеет свободную поверхность. Это соблюдается, если 1,2 H hT 1,4 (полунапорная труба).

Такая форма движения воды аналогична истечению жидкости из-под затвора. При напорном движении жидкости в трубе её сечение заполнено водой на всем протяжении трубы или на большей её части, что наблюдается при HhT 1,4 . Приведённые критерии гидравлических условий работы

труб приближенные. Они зависят от формы оголовков труб.

В подмостовых руслах поток всегда безнапорный. В зависимости от соотношения между местными гидравлическими сопротивлениями и сопротивлениями по длине потока в трубе различают короткие и длинные трубы. Короткой называют трубу, длина которой не оказывает существенного влияния на её пропускную способность, определяющуюся главным

110