Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Анализ вопросов эксплуатации туннелей магистральных каналов мелиоративного назначения. Научный обзор
.pdf
ω
Q
ω
i
К
W
ωn
R
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5 6
300 4000
10000
100000
400 5000
10000
40000
150000
0,0415
0,0349
0,0278
0,0392
0,0342
0,0280
0,0258
5000 66000
500000
2000000
10000 100000
1000000
3000000
Величина п выбирается в соответствии с материалом стенок туннеля
(таблица 3).
Таблица 3 – Значения коэффициента шероховатости туннелей
0,0206
0,0150
0,0137
0,0184
0,0126
0,0116
Характеристика поверхности туннеля
В необлицованной скальной породе 0,035-0,040
С обделкой из набрызг бетона 0,025-0,030
С бетонной и железобетонной обделкой 0,013-0,015
С металлической облицовкой 0,011-0,012
Значение п
1.4.2 Гидравлический расчет туннелей
при безнапорном режиме работы
Гидравлический расчет туннеля круглой или иной формы при безна-
порном режиме работы выполняется по основным формулам:
, (20)
где Q – расход, м3/с,;
– площадь поперечного сечения, м2;
– средняя скорость течения, м/с,
iR , (21)
где R – гидравлический радиус, мм;
– гидравлический уклон туннеля, по которым возникают определенные трудности, а потому на практике используют вспомогательные графики или таблицы, составленные для отношений при различной степени наполнения туннеля dha
где
К – расходная характеристика, при которой глубина nh выражает на-
n
/
(рисунок 16):
n
К
n
;
W
n
;
и
R
n
, (22)
31
К
W
H
W
a
полнение туннеля (рисунок 16) при различной степени наполнения туннеля dha
/
;
n
– расходная характеристика при глубине наполнения туннеля H,
равная диаметру туннеля d. Аналогично
W , nω и nR обозначают скоро-
n
стную характеристику, площадь живого сечения и гидравлический радиус
при глубине
h , а
n
, ω и R обозначают величины при глубине наполне-
ния туннеля H = d (рисунок 16).
К
К
где
h – глубина при частичном наполнении туннеля, м;
n
h
nn
f
;
H
af
11
W
, (23)
W
h
nn
f
H
af
22
– глубина при максимальном наполнении туннеля, м;
W – скоростная характеристика при глубине nh , м
n
3
/с;
– скоростная характеристика при глубине H, м3/с;
– значение, отражающее степень наполнения туннеля, dha
/
.
n
Рисунок 16 – Расчетная схема гидравлического расчета туннеля
при безнапорном режиме работы
Вспомогательный график (рисунок 17) выражает функциональные
зависимости формулы 23.
Расходная характеристика при заданной глубине наполнения туннеля
h определяется по выражению:
n
32
п
RСК
ω
RCW
h
КfК
n 1
n
. (24)
H
Рисунок 17 – График зависимости Кn/K = f1(a); Wn/W = f2(a)
Скоростная характеристика при глубине наполнения туннеля
h оп-
n
ределяется по выражению:
h
n 2
n
fWW
. (25)
H
Практическое применение приведено на примерах.
Пример 1. Определить расход Q, м3/с, и среднюю скорость в туннеле
круглого сечения при следующих данных: диаметр туннеля d = 5,5 м; глубина воды в туннеле
h = 4,7 м; коэффициентах шероховатости
n
= 0,014;
гидравлический уклон туннеля i = 0,006.
Решение. Определяем расходную и скоростную характеристику при
максимальном заполнении живого сечения туннеля, как для напорного ре-
жима по формулам
Расходная характеристика:
лице 4). Площадь живого сечения
;
ω = 23,98 м
Т
ω = 23,98 м
Т
или по расчетной таблице 4.
2
,
К = 2288,63 м
Т
2
.
3
/с (по таб-
33
3
К
К
Таблица 4 – Значения расходной характеристики КТ для водоводов
круглого сечения, вычисленные по формуле
Павловского [4]
Диаметр
, мм
d
1,00 0,7854 29,806 14,707 8,934 6,185
1,50 1,7672 86,664 44,307 27,638 19,716
2,00 3,1416 184,573 96,618 61,747 44,644
2,50 4,9087 328,123 174,196 112,663 82,338
3,00 7,069 535,31 288,90 188,636 140,02
3,50 9,621 801,70 436,92 288,762 215,18
4,00 12,566 1140,00 628,32 418,67 314,16
5,00 19,653 2049,87 1142,71 707,21 528,86
6,00 28,274 3311,98 1865,37 1270,11 969,02
7,00 38,484 4961,79 2813,88 1926,76 1479,33
8,00 50,266 7052,81 4025,73 2766,80 2133,78
9,00 63,617 9609,39 5501,31 3795,18 2935,30
10,00 78,540 12702,26 7302,86 5051,05 3918,91
12,00 113,097 20427,94 11798,90 8198,57 6359,27
14,00 153,938 30628,30 17703,39 12320,40 9585,74
16,00 201,062 46469,17 25132,50 17532,43 13632,00
Скоростная характеристика
Площадь поперечного
сечения ω, м2
K , м
0,011 0,020 0,030 0,040
W
т
/сек, при различных коэффициентах
T
шероховатости n
К
n
=
т
63,2288
95,52 м/с.
96,23
Степень наполнения туннеля
h
a
d
7,4
n
0,85.
5,5
Далее по графику (рисунок 17) для a = 0,85 находим отношение
К
0
= 0,75;
W
W
0
= 0,4.
т
Следовательно,
К = 0,75 ∙
n
= 0,75 ∙ 2288,63 = 1716,5 м3/с;
W = 0,4 ∙ 95,52 = 38,21 м/с.
т
Расход Q и скорость в туннеле определяется по формулам:
= 1716,5 ∙ 0,077 = 132,95 м
iKQ
0
= 38,21 ∙ 0,077 = 2,94 м/с.
iW
0
3
/с;
Для туннелей некруглого сечения при безнапорном режиме работы
гидравлический расчет выполняется в следующей последовательности:
средняя расчетная скорость течения принимается в пределах 2,5-3,5 м/с.
34
H
n
При равномерном режиме работы туннель пропускает расчетный
расход Q при постоянной глубине потока
h по длине туннеля.
0
Площадь живого сечения , м2, при принятой расчетной скорости
течения определяется по формуле:
Q
, (26)
p
В безнапорных туннелях необходимо предусматривать воздушное
пространство над уровнем воды во избежание непредусмотренного захлебывания туннеля. Отношение глубины воды к высоте туннеля обычно
принимается Hh /0 = 0,6-0,8.
Гидравлические характеристики потока (площадь живого сечения –
, м2, гидравлический радиус – R, м, коэффициент Шези – C, м
0,5
/с) могут быть определены для различных очертаний безнапорного туннеля в зависимости от степени заполнения сечения по формулам:
2
, (27)
HhfH
0
где – площадь живого сечения, м2;
– высота туннеля в свету, м;
h – постоянная глубина потока по длине туннеля, м;
0
R 0
HhfHR
, (28)
где R – гидравлический радиус, м.
1
11,0
Значения функций
C
f , Rf и Cf в зависимости от Hh
, (29)
C 0
HhfH
показаны на
0
рисунке 18 для трех очертаний безнапорного туннеля – корытообразного,
коробового с уширенным основанием и подковообразного. Эти функции
построены при показателе степени у = 0,11 для коэффициента Шези
в формуле Н. Н. Павловского [4].
35
б в
а
а – корытообразное сечение; б – коробовое сечение с уширенным основанием;
в – подковообразное сечение
Рисунок 18 – Графики для определения гидравлических
характеристик потока
36
H
R
C
При найденной (полученной) по формуле (26) площади сечения по-
тока и принятом значении Hh
фика на рисунке 18 значении
(а, следовательно, и известном из гра-
0
f для принятой формы сечения) можно
из формулы (27) определить высоту туннеля H. Полученная высота H
округляется (H ≥ 2,5 м). Ширина пролета туннеля В принимается равной
или по соотношению: HВ = 0,67-1,0.
По формуле (27) уточняется площадь живого сечения потока в тун-
неле и из формулы (25) – его средняя скорость.
Уклон дна туннеля определяется по формуле:
2
i
0
p
. (30)
2
Гидравлический радиус R и коэффициент Шези C определяются
по формулам (28) и (29) с использованием графика на рисунке 18.
Пример расчета. Для безнапорного туннеля корытообразного сече-
ния при расчетном расходе воды Q = 30 м3/с необходимо определить ос-
новные его размеры и уклон дна. Коэффициент шероховатости п = 0,014;
показатель степени при R в формуле Н. Н. Павловского для C (у = 0,11).
Задаемся расчетной скоростью потока в туннеле
тельной глубиной потока Hh
= 0,70. Площадь живого сечения потока
0
= 3 м/с и относи-
p
30
будет равна:
м2.
10
0,3
Используя график (рисунок 18, а), получим
f = 0,70. Высота тунне-
ля H в первом приближении из формулы (17) будет равна:
0,10
Н =3,78 м.
70,0
Принимаем H = 4,0 м. Значения функций из графика будут равны:
f = 0,70; Rf = 0,35; Cf = 0,85.
По формулам (26)-(29) определяем
= 4,02 ∙ 0,70 = 11,2 м2; R = 4,0 ∙ 0,35 = 1,40 м;
37
C
r
C
1
=
11,0
∙ 0,85 = 70,7.
0,4
014,0
Глубина наполнения туннеля
h = 4,0 ∙ 0,70 = 2,80 м.
0
Ширина В = 4,0 м.
0,30
Скорость потока в туннеле:
Уклон дна туннеля
i = 0,001.
0
р
2
68,2
2
40,17,70
= 2,68 м/с.
2,11
Внутренние размеры туннеля могут быть определены, исходя
из предположения, что колебания воды в туннеле не превышают 0,3
Здесь
Н – высота туннеля. Тогда отношение
0
/ВН = 1,0, где 0В –
00
ширина туннеля по дну.
Н .
0
Принимаем
Н = 0В = 2
0
, где r – условный радиус сечения туннеля,
который определяется по формуле:
Qr = 2,88 м. (31)
p
475,3
Получаем следующее соотношение основных размеров:
Н = 0В = 6,0 м.
0
При
Hh = 0,70 по формулам (27)-(29) определяем
0
0
= 6,02 ∙ 0,70 = 25,2 м2; R = 6,0 ∙ 0,35 = 2,10 м;
1
=
014,0
Глубина наполнения туннеля
ка в туннеле:
0,30
475,30,3
11,0
∙ 0,85 = 73,9.
0,6
h = 6,0 ∙ 0,70 = 4,20 м. Скорость пото-
0
0,30
σр
= 1,1 м/с.
2,25
2
Уклон дна туннеля 000123,0
i .
0
19,1
2
10,29,73
Так как скорость потока в туннеле менее рекомендуемой (2,5-3,5 м/с),
38
то необходимо уменьшить размеры поперечного сечения с градацией
0,5 м, т. е.
Н = 0В = 4,5 (4,0) м.
0
2 Анализ правовых и нормативно-методических документов
в области эксплуатации гидротехнических туннелей
мелиоративных систем
При эксплуатации гидротехнических туннелей мелиоративных систем
используется следующая правовая база: Федеральный закон от 10 января
1996 г. № 4-ФЗ «О мелиорации земель»; Федеральный закон от 27 декабря
2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании»; Федеральный закон
№ 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений»; ГОСТ 19185-73
Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения [5-8].
Гидротехнические сооружения – основные элементы любой мелиоративной системы. С их помощью аккумулируется и подается вода на оросительную систему, обеспечивается ее заданный эксплуатационный режим:
водоподача и водораспределение, водорегулирование и т. д. В соответствии
с Федеральным законом «О мелиорации земель» к ним относятся инженерные сооружения и устройства, обеспечивающие регулирование, подъем, подачу, распределение воды потребителям, отвод воды с помощью мелиоративных систем, защиту почв от водной эрозии, противоселевую и противооползневую защиту [6]. К таким сооружениям относятся: водозаборные гидроузлы, гидротехнические сооружения по транспортировке, регулированию
и сбросу воды, насосные станции, малые водохранилища и пруды, природоохранные гидротехнические сооружения по защите территорий и населения
от негативного воздействия природных вод (затопление, подтопление).
В основу разработки новых нормативно-методических документов
должна быть положена надежность их эксплуатации [9-13].
Надежность сооружения должна рассматриваться не только в зависимости от его прочности и устойчивости, но также с точки зрения возможности поддерживать в течение всего срока службы, предусмотренного
для этого сооружения, условий для нормальной эксплуатации. Безопас-
39
ность эксплуатации – одно из важных требований, предъявляемых к сооружению. Однако расчеты надежности строительных конструкций остаются пока специфическими и не регламентируются нормами СНиП.
Основные факторы, влияющие на надежную работу как отдельных
элементов, так и сооружений в целом, условно могут быть разбиты на три
основные группы: проектные, строительные и эксплуатационные. Случаи
проявления дефектов конструкций и даже аварий сооружений, учитываемые теперь в наиболее развитых странах мира, показывают, что наибольшее значение для надежной работы сооружений имеет высокое качество
производства работ по строительству ГТС.
В таблице 5 представлены данные по случаям аварий значительных
повреждений сооружений в России и причины низкой надежности.
Анализ данных таблицы показывает, что наибольшее число аварий и
дефектов происходит от качества работ при строительстве и качестве материалов и конструктивных решений.
Таблица 5 – Данные по случаям значительных аварий
гидротехнических сооружений
Причина низкой надежности Число аварий и дефектов
сооружений, %
Проектирования 13
Строительства 69
Эксплуатации 18
Исследования отечественными учеными (Ц. Е. Мирцхулавы,
В. Н. Щедрина, Ю. М. Косиченко, А. В. Колганова и др.) причин появления дефектов сооружений и снижения их надежности в процессе проектирования, возведения и эксплуатации позволяют указать основные факторы,
влияющие на надежность сооружений [9, 11, 12, 14, 15]:
- недостаточный учет конкретных условий производственной среды
и эксплуатационных факторов при проектировании;
- отсутствие экспериментальных данных о фактических темпах износа и действительных физико-механических свойствах некоторых строительных материалов в период эксплуатации;
- низкий производственный уровень контроля качества сырья и ма-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]