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

образом условиями входа воды в трубу – местными сопротивлениями. Длинной называют трубу, в которой гидравлические сопротивления обусловлены главным образом потерями энергии по её длине, но местные гидравлические сопротивления также учтены. В зависимости от влияния уровня воды в нижнем бьефе (для безнапорных труб) различают неподтопленные трубы, когда уровень нижнего бьефа не влияет на её пропускную способность, и подтопленные, когда уровень нижнего бьефа влияет на пропускную способность трубы и напор перед ней. Эти же формулировки относятся и к потокам в подмостовых руслах.

Рис. 7.1. Схема движения воды в дорожной трубе: а – безнапорное; б – полунапорное; в – напорное

111

Предположим, что безнапорная труба имеет малый уклон (рис. 7.1, а). В этом случае свободную поверхность потока в трубе или под мостом можно разделить на три участка. Первый – входной. С гидравлической точки зрения он начинается в сечении перед трубой или мостом, в котором наблюдается статический напор H , и заканчивается в сечении со сжатой глубиной hc . Однако по практическим соображениям за начальное

сечение входного участка принимают сечение, проходящее через нижнюю точку трубы, а чаще через верхнюю точку трубы (на рис. 7.1, а показаны штриховыми линиями). Последнее сечение предпочтительно, так как, зная в нем площадь живого сечения, легко подсчитать скорость потока при входе в трубу. Обозначим длину входного участка lвх и глубину hвх . На сред-

нем участке (втором) длиной l0 имеем кривую подпора при возрастании глубины от hc до h . В случае неподтопленной трубы или моста со стороны нижнего бьефа глубина h несколько меньше критической глубины hk ,

но принимается равной ей. На третьем участке, называемом выходным или сливным, глубина изменяется от hk до hнб . По практическим соображениям

выходное сечение трубы совмещают с верхней кромкой трубы (на рис. 7.1, а показано штриховой линией). Следовательно, l lвх l0 lвых .

Пусть полунапорная труба имеет малый уклон (рис. 7.1, б). Ниже входного сечения образуется сжатая глубина hc , далее – кривая подпора, а

затем – кривая спада. Движение воды в полунапорных трубах аналогично истечению жидкости через отверстия в тонкой стенке.

Движение воды в напорных дорожных трубах аналогично истечению через насадки. В начале трубы (рис. 7.1, в) наблюдается явление сжатия потока (в данном случае несимметричное), благодаря чему образуется вакуум. Если применяются хорошо обтекаемые входные оголовки, то вакуум в дорожной напорной трубе не образуется. Вода из трубы может выходить без подтопления со стороны нижнего бьефа – истечение происходит в атмосферу с образованием кривой свободной поверхности в конце трубы (на рис. 7.1, в показана штриховой линией). Если hнб > d , то истечение проис-

ходит под уровень нижнего бьефа. Преимущество дорожных труб состоит в том, что они не нарушают целостности земляного полотна. Предпочтение отдаётся безнапорным трубам. Преимущество малых мостов в том, что их применяют при малых высотах насыпей.

7.2 Гидравлический расчёт отверстий дорожных труб и малых мостов

Гидравлический расчёт отверстий безнапорных дорожных труб и малых мостов основан на применении теории водослива с широким порогом, а полунапорных – на теории истечения жидкости из-под затвора.

С гидравлической точки зрения нет принципиальной разницы между течением жидкости в прямоугольной трубе и в укреплённом прямоуголь-

112

ном подмостовом русле. Над неподтопленным водосливом имеем течение жидкости с двумя перепадами. Такая же форма движения воды наблюдается и при неподтопленном движении в трубах и под мостами (рис. 7.1, а). Разница в том, что высота порога в трубах и под мостами равна нулю или же очень мала. При наличии порога поток при входе на водослив испытывает вертикальное и боковое сжатие, а при входе в трубу и подмостовое русло – в основном боковое сжатие, но формы свободной поверхности воды аналогичны. Дно трубы или подмостовое русло имеет некоторое возвышение по отношению к дну потока в верхнем бьефе. Нельзя смешивать разные понятия – напор и глубину перед сооружением. Условия неподтопления и подтопления для труб и мостов формируются так же, как и для водосливов с широким порогом. Если отметка дна трубы или отметка подмостового русла совпадает с отметкой дна в нижнем бьефе, то HП hнб . Сле-

довательно, труба (мост) работает без подтопления, если hнб H0 0,8 или

hнб hнк 1,25 , и с подтоплением, если hнб H0 0,81или hнб hнк 1,26 . Расход воды, протекающей через прямоугольную короткую без-

напорную неподтопленную трубу (мост), выражается формулой:

Расход воды известен. В уравнение входят два неизвестных – напор Н и ширина отверстия b. Задаваясь значениями Н или b, соответственно получаем уравнения:

Коэффициент расхода m зависит от условий входа воды в трубу и формы её поперечного сечения. Для прямоугольных труб без оголовков m = 0,31, с оголовками: портальным с конусами – 0,325; коридорным – 0,34; раструбным – 0,36. Значение b, полученное по формуле (7.1), необходимо округлить до ближайшего большего значения в соответствии с типовыми проектами.

При принятом значении b подсчитывают статический напор Н. Расчёт ведётся способом последовательных приближений, так как средняя скорость потока v0 в верхнем бьефе зависит от Н. В ходе расчётов необхо-

димо проверять соблюдение условия неподтопления водослива.

113

Согласно СНиП отверстие (и высоту в свету) труб следует назначать, как правило, не менее 1,0 м при длине трубы (или расстоянии между смотровыми колодцами в междупутье на станциях) до 20 м.

Трубы относят к длинным, если lT > lnp в соответствии с формулой

(7.3). Увеличение длины трубы способствует повышению напора перед ней. Статический напор для длинной трубы Hдл можно приближённо под-

считать по формуле Г. С. Пичугова:

длинной трубой ориентировочно можно считать трубу lT 20hT .

При принятой ширине отверстия трубы (моста) статический напор Н можно определить по глубине воды в трубе (подмостовом русле), считая, что она равна критической глубине hk . Запишем уравнение Д. Бернулли

для сечений перед трубой (мостом) и в трубе:

Подмостовые русла могут быть укреплены различными способами, поэтому гидравлический расчёт мостов с укреплёнными руслами может быть выполнен по допускаемой неразмывающей скорости vнр . Запишем

Так как k Qvk , последнюю формулу перепишем в виде:

В первом приближении можно принять 1, так как коэффициент Кориолиса > 1,0.

Из уравнения для расхода воды в трубах и подмостовых руслах с подтоплением со стороны нижнего бьефа находят ширину отверстия (при

Согласно СНиП водопропускные трубы следует проектировать с безнапорным движением воды в них. Допускается предусматривать полунапорное и напорное движение воды в трубах, сооружаемых на железных дорогах общей сети для пропуска только наибольшего расхода, на всех остальных дорогах – расчетного расхода воды.

Для полунапорных труб (рис. 7.1, б) формулу для расхода воды получим, записывая уравнение Д. Бернулли для сечения перед трубой и для сжатого сечения в трубе с глубиной hc . В результате получим:

Q bhc 2g H0 hc . (7.12)

Введя коэффициент вертикального сжатия потока (в трубе) , получим: hc hT и – коэффициент расхода. В соответствии с опытными

данными значения и принимают соответственно: труба прямоугольная без оголовков – 0,86 и 0,63; портальный оголовок с конусами – 0,74 и 0,62; коридорный – 0,83 и 0,61; раструбный – 0,78 и 0,64.

Для неподтопленных безнапорных круглых труб, а также труб других поперечных сечений по предложению А. А. Угинчуса применяют формулу

где bk k hk – средняя ширина потока в сечении с критической глубиной.

Формула (7.12) может быть использована и для расчёта отверстий малых мостов с трапецеидальной формой живого сечения.

115

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Гидравлика и гидравлические машины : учебное пособие / В. М. Гарин, В. И. Сапрыкин, А. И. Озерский, И. В. Лебедева ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2009. – 116 с.

2 Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов [и др.]. – Москва : Альянс, 2010. – 423 с.

3 Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика / Г. Н. Абрамович.

– Москва : Наука, 1969. – 824 с.

4Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский.

–Москва : Наука, 1973. – 904 с.

5Лапшев, Н. Н. Гидравлика : учебник / Н. Н. Лапшев. – 3-е изд., стер. – Москва : Академия, 2010. – 272 с.

6Ухин, Б. В. Гидравлика : учебное пособие / Б. В. Ухин. – Москва : ФОРУМ ; ИНФРА-М, 2010. – 464 с.

7Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. – Москва : Наука, 1974. – 712 с.

8Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы / В. П. Преображенский. – Москва : Энергия, 1978. – 704 с.

9Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. – Москва : Машиностроение, 1975. – 560 с.

10Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / под ред. Б. Б. Некрасова. – Минск : Вышэйша школа, 1976. – 416 с.

11Рудиков, Д. А. Проектирование систем приводов и управления

путевых и транспортных машин : учебное пособие / Д. А. Рудиков, И. А. Яицков ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2021. – 156 с. – ISBN 978-5-88814-953-9.

12 Парахневич, В. Т. Гидравлика, гидрология, гидрометрия водотоков : учебное пособие / В. Т. Парахневич. – Минск : Новое знание ; Москва : ИНФРА-М, 2014. – 368 с.

13 Рудиков, Д. А. Гидравлика и гидрология. Расчеты : учебнометодическое пособие / Д. А. Рудиков, Л. В. Дергачева ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2021. – 68 с.

14 Рудиков, Д. А. Гидрогазодинамика. Практикум : учебнометодическое пособие / Д. А. Рудиков, А. В. Коновалов ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2018. – 60 с.

15 Коновалов, А. В. Практикум по гидравлике, гидроприводу, пневматическим системам и гидромашинам: учебно-методическое пособие / А. В. Коновалов, Д. А. Рудиков, Е. В. Наливкина ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2019. – 67 с.

16 Лебедева, И. В. Гидравлика и гидравлические машины: учебное пособие / И. В. Лебедева ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2016. – 120 с.

17 Лебедева, И. В. Гидравлика и гидрология: учебно-методическое пособие к практическим занятиям / И. В. Лебедева, М. К. Лобанова ;

116

ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2017. – 71 с.

18 Рудиков, Д. А. Рабочий процесс насосов, компрессоров и вентиляторов : учебное пособие / Д. А. Рудиков ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов- на-Дону : РГУПС, 2016. – 120 с.

19 Чугаев, Р. Р. Гидравлика : учебник / Р. Р. Чугаев. Ленинград : Энергия, 1970. – 552 с.

20 Константинов, Н. М. Гидравлика, гидрология, гидрометрия : учебник : в 2 ч. / Н. М. Константинов, Н. А. Петров, Л И. Высоцкий. Москва : Высшая школа, 1987. Ч. 1. – 304 с. Ч. 2. – 432 с.

21 Богомолов А. И. Гидравлика : учебник / А. И. Богомолов, К.А. Михайлов. Москва : Стройиздат, 1972. – 648 с.

22 Железняков Г. В. Гидравлика и гидрология : учебник / Г.В. Железняков. Москва : Транспорт, 1989. – 376 с.

23 Большакова В. В. Сборник задач по гидравлике, инженерной гидрологии и регулированию стока / В. В. Большакова, А. Н. Иванов. Москва : Высшая школа, 1975. – 184 с.

117

Учебное издание

Рудиков Дмитрий Алексеевич

ГИДРАВЛИКА И ГИДРОЛОГИЯ

Редактор Л. И. Сергейчик Техническое редактирование и корректура Л. И. Сергейчик

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВО РГУПС)

________________________________________________________________

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2, www.rgups.ru